膜結(jié)構(gòu)的應(yīng)用及事故分析

文 / 尚德智 尚月英

膜結(jié)構(gòu)是以性能良好的織物為材料，用柔性拉索或剛性骨架將膜面通過預(yù)張力繃緊，也可向膜內(nèi)充氣，通過空氣壓力來支撐膜面，從而形成具有一定剛度并能覆蓋較大空間的體系。20世紀(jì)70年代以來，膜結(jié)構(gòu)在國(guó)外已逐漸推廣應(yīng)用于各類空間結(jié)構(gòu)中，近年來，在我國(guó)也得到了較快的發(fā)展。

1 膜結(jié)構(gòu)的分類

（1）整體張拉式膜結(jié)構(gòu)：由桅桿或立桿等支撐構(gòu)件提供吊點(diǎn)，并在周圍設(shè)置錨固點(diǎn)，通過張拉而形成穩(wěn)定的體系。

（2）骨架支撐式膜結(jié)構(gòu)：由鋼構(gòu)件或其它剛性構(gòu)件作為承重骨架，在骨架上布置按設(shè)計(jì)要求張緊的膜材。

（3）索系支撐式膜結(jié)構(gòu)：由空間索系作主要承重骨架，在索系上布設(shè)按設(shè)計(jì)要求張緊的膜材。

（4）空氣支撐膜結(jié)構(gòu)：應(yīng)具有密閉的充氣空間，并應(yīng)設(shè)置維持內(nèi)壓的充氣裝置，借助內(nèi)壓保持膜材的張力，形成設(shè)計(jì)曲面。

（5）組合膜結(jié)構(gòu)：由以上形式組合而成的膜結(jié)構(gòu)。

2 膜結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)

由于膜材自身的特點(diǎn)，使膜結(jié)構(gòu)建筑物、構(gòu)筑物具有很強(qiáng)優(yōu)勢(shì)、突出特點(diǎn)。

2.1 透光性、經(jīng)濟(jì)性、環(huán)保節(jié)能性

膜材具有一定的透光性，白天可減少照明強(qiáng)度和時(shí)間、節(jié)省能源，夜間通過各色燈光投射形成漂亮的夜景。膜材屋面重量?jī)H達(dá)常規(guī)鋼結(jié)構(gòu)屋面的三十分之一，故降低了其承重骨架及基礎(chǔ)的造價(jià)。膜結(jié)構(gòu)獨(dú)特的造型和絢麗的夜景形成標(biāo)志性，達(dá)到很好的廣告效應(yīng)和商業(yè)效果。

2.2 跨度大、空間開敞

膜材重量只有0.01kN/m2，很輕，因此，可實(shí)現(xiàn)很大的抽柱大空間，使得建、構(gòu)筑物內(nèi)部空間開敞、舒適。

2.3 抗震性能好、安全性高

膜結(jié)構(gòu)自重較小，地震對(duì)結(jié)構(gòu)的影響也很小，故設(shè)計(jì)時(shí)可不考慮地震作用，但地震對(duì)其支撐結(jié)構(gòu)的影響雖不是很大，也應(yīng)考慮，因而其安全性也相當(dāng)高。發(fā)生災(zāi)難時(shí)，其寬敞明亮的大空間可作為臨時(shí)的避難場(chǎng)所、急救中心、抗震救災(zāi)指揮部等。

2.4 工期短

膜結(jié)構(gòu)所有裁剪加工和制作均在工廠內(nèi)完成，現(xiàn)場(chǎng)僅安裝、張拉，大大減少現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)間，避免施工交叉，極大地縮短工期。

3 膜結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

3.1 荷載及其組合

膜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)首先要理清需考慮哪些荷載。恒荷載：膜面的活載標(biāo)準(zhǔn)值可取0.3kN/m2；在風(fēng)荷載作用下極易產(chǎn)生變形和風(fēng)振現(xiàn)象，使膜材撕裂破壞，因此，風(fēng)荷載是膜結(jié)構(gòu)的主要荷載。膜結(jié)構(gòu)自重較小，柔度大，自振頻率很低，因此，其地震作用較小，可不考慮，但地震對(duì)其支撐結(jié)構(gòu)的影響應(yīng)考慮；雪荷載，作為屋面的膜結(jié)構(gòu)多為負(fù)高斯曲率曲面，結(jié)構(gòu)上所受的雪荷載多為非均勻分布，因此應(yīng)根據(jù)不同的曲面形狀、曲率變化調(diào)整荷載分布系數(shù)；還有就是對(duì)膜材施加的由膜材類型、膜面荷載、可能發(fā)生的變形和施工因素等決定的預(yù)張力。

按承載力極限狀態(tài)設(shè)計(jì)膜結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)該考慮荷載效應(yīng)的基本組合，采用荷載設(shè)計(jì)值和強(qiáng)度設(shè)計(jì)值進(jìn)行計(jì)算，分兩種荷載效應(yīng)組合：第一類組合是在恒載、活荷載與雪載的較大值、初始預(yù)張力三者作用下的組合；第二類組合是在恒載、風(fēng)荷載、活荷載與雪載的較大值、初始預(yù)張力作用下的組合或在恒載、風(fēng)荷載、初始預(yù)張力作用下的組合或在恒載、風(fēng)荷載、溫度作用、支座不均勻沉降或施工荷載等作用下的組合。按正常實(shí)用極限狀態(tài)設(shè)計(jì)膜結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)該考慮荷載效應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)組合，采用荷載標(biāo)準(zhǔn)值、組合值和變形限值進(jìn)行計(jì)算。

3.2 膜結(jié)構(gòu)初始形態(tài)分析

初始形態(tài)分析，是膜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和難點(diǎn)，需要根據(jù)造型需求和膜材特點(diǎn)找出最合理的空間形體，實(shí)際上是確定結(jié)構(gòu)中預(yù)張力大小和分布的過程。設(shè)置預(yù)張力時(shí)應(yīng)保證在正常使用狀態(tài)下膜材不會(huì)因?yàn)楹奢d、溫度、徐變等作用而產(chǎn)生松弛現(xiàn)象，并且要保證膜材在極端氣候條件下設(shè)計(jì)應(yīng)力不得大于最大應(yīng)力，同時(shí)還要考慮膜結(jié)構(gòu)施工（安裝及張拉）時(shí)的方便性及易實(shí)現(xiàn)性。膜結(jié)構(gòu)在初始平衡曲面內(nèi)預(yù)張力是自相平衡的。初始形態(tài)分析宜首先尋找應(yīng)力均勻分布的最小曲面（即為等應(yīng)力曲面），找不出最小曲面時(shí)再尋找應(yīng)力不均勻曲面（即為非等應(yīng)力曲面）。常用的初始形態(tài)分析方法為：力密度法、動(dòng)力松弛法和非線性有限元法。

3.3 荷載效應(yīng)分析

膜結(jié)構(gòu)的受力分析通常是應(yīng)用非線性有限元法計(jì)算在自重、雪載、活載、風(fēng)載、預(yù)張力溫度作用、支座不均勻沉降或施工荷載等組合作用下的效應(yīng)。在外荷載的作用下，薄膜中一個(gè)方向的應(yīng)力增加，而另一個(gè)方向的應(yīng)力減少，這就要求所施加的頂張應(yīng)力，一方面要在第一類荷載組合作用下膜中應(yīng)力不能減少到維持膜結(jié)構(gòu)曲面形狀所需的最小應(yīng)力值（一般取25%的初始預(yù)張力），即膜面不得出現(xiàn)松弛，在第二類荷載組合作用下膜面由于松弛而引起的皺褶面積不得大于膜面面積的10%；另一方面在最不利荷載作用下，也不能讓膜材中應(yīng)力過大而使膜材強(qiáng)度儲(chǔ)備過小甚至讓膜材的最大主應(yīng)力超過其抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。因此，初始預(yù)應(yīng)力的確定要通過荷載計(jì)算來完成，當(dāng)然還要同時(shí)考慮施工過程中產(chǎn)生的附加應(yīng)力。

膜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，除了保證結(jié)構(gòu)體系的整體穩(wěn)定外，還應(yīng)保證在局部膜材破壞或局部索退出工作時(shí)不致引發(fā)結(jié)構(gòu)整體失效。索是膜結(jié)構(gòu)中很重要的受力構(gòu)件，必須保證索在第一類荷載效應(yīng)組合作用下始終處于受拉狀態(tài)，同時(shí)在第二類荷載效應(yīng)組合作用下索若因進(jìn)入受壓狀態(tài)而退出工作，結(jié)構(gòu)也不應(yīng)失效而變?yōu)闄C(jī)動(dòng)體。由于膜材在拉應(yīng)力作用下存在松弛、徐變等問題，張拉式膜結(jié)構(gòu)在正常使用1～2年后常進(jìn)行第二次張拉，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮二次張拉對(duì)結(jié)構(gòu)整體的影響。

3.4 膜材裁剪

造型膜曲面是先將滿足要求幅寬的膜材裁剪成膜片，然后將膜片相互連結(jié)、張拉形成曲面。膜片間的連接線為裁剪線。確定平面裁剪膜片的關(guān)鍵是如何將已知的空間膜面盡可能精確地展開成平面要裁剪的膜片，而且還必須同時(shí)考慮預(yù)張力釋放后的幾何尺寸改變。裁剪分析的原則是：平面膜片拼接為曲面時(shí)，浪費(fèi)的膜材最少，拼后形成的曲面同初始形態(tài)分析時(shí)初始曲面吻合，而且預(yù)應(yīng)力的偏差也要最小。裁剪線處易產(chǎn)生應(yīng)力集中，所以應(yīng)盡量保證裁剪線和膜材纖維正交，使主應(yīng)力方向和膜纖維方向一致，裁剪線避免受剪。

膜結(jié)構(gòu)的初始形態(tài)分析、荷載效應(yīng)分析和裁剪設(shè)計(jì)（此外還有初始預(yù)張力、施工工藝等）是一種相互影響和牽制的過程，需反復(fù)調(diào)試?，F(xiàn)在常用的膜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件有：上海同濟(jì)大學(xué)的3D3S、上海交通大學(xué)的SMCAD。

4 膜結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)實(shí)例

山西省太原市長(zhǎng)風(fēng)西收費(fèi)站收費(fèi)棚索系支撐式膜結(jié)構(gòu)工程，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限為50年，膜結(jié)構(gòu)材料為10年以上的保質(zhì)期。在整個(gè)設(shè)計(jì)年限未滿之前，如果膜材破壞，允許更換膜材。安全等級(jí)為二級(jí)?；撅L(fēng)壓：0.40kN/m2，基本雪壓：0.35kN/m2?？拐鹪O(shè)防烈度為8度（0.20g）。分析設(shè)計(jì)軟件：上海交通大學(xué)SMCAD。設(shè)計(jì)于2009年。

本膜結(jié)構(gòu)是由多組固定于八根立柱上的、張拉緊的脊索谷索交替組成有規(guī)律的連續(xù)負(fù)高斯曲面，并在膜棚兩端分別用四根固定于柱上的張緊的斜索拉住懸挑端。

5 膜結(jié)構(gòu)事故分析及引發(fā)的思考

2009年11月10 ～12日的一場(chǎng)連下三日的大雪造成太原環(huán)城高速收費(fèi)站膜結(jié)構(gòu)收費(fèi)棚（小店北收費(fèi)棚、濱河收費(fèi)棚、向陽(yáng)店收費(fèi)棚、長(zhǎng)風(fēng)收費(fèi)棚）部分破壞和結(jié)構(gòu)安全隱患。造成破壞的原因主要是雪載達(dá)到荷載設(shè)計(jì)規(guī)范50年一遇的0.35kN/m2的1.65倍，另一個(gè)原因：膜結(jié)構(gòu)初始形態(tài)分析的曲面特點(diǎn)，形成曲面拱起，陡坡區(qū)域積雪曲面低洼、平緩區(qū)域集中，因此膜面容易形成布袋效應(yīng)和應(yīng)力集中，而布袋效應(yīng)和應(yīng)力集中是造成膜結(jié)構(gòu)破壞的主要破壞形式。其中小店北收費(fèi)棚膜結(jié)構(gòu)破壞最嚴(yán)重，由于布袋效應(yīng)的不均勻?qū)е乱粋€(gè)膜包的小立桿失穩(wěn)倒下，進(jìn)而引發(fā)其中的一個(gè)索節(jié)點(diǎn)板撕裂，最后由于骨牌效應(yīng)引起整個(gè)膜面都坍落下來，但主骨架基本未受影響。向陽(yáng)店收費(fèi)棚兩側(cè)人字飛柱兩面膜材也因布袋效應(yīng)撕裂較重，長(zhǎng)風(fēng)和濱河收費(fèi)棚單帽較高較大，膜面陡，雪載堆積不太大，但膜和索松弛嚴(yán)重，局部調(diào)整即可。

以上事件的發(fā)生提醒我們?cè)谝院蟮脑O(shè)計(jì)、施工、維護(hù)和保養(yǎng)方面應(yīng)特別注意以下問題：

（1）現(xiàn)在極端氣候比較多，我們?cè)谝院笤O(shè)計(jì)膜結(jié)構(gòu)時(shí)能否將雪載、風(fēng)載加大考慮？當(dāng)然應(yīng)事先與建設(shè)方溝通好，以免被抱怨太浪費(fèi)。

（2）頂膜包的立桿盡量不要支撐在剛性桁架或柔性索上，尤其是支撐在柔性索上，受力稍有不平衡，很容易失穩(wěn)破壞。如無法避免，應(yīng)以各種不利情況去復(fù)核其穩(wěn)定性，采取加強(qiáng)穩(wěn)定措施。

（3）施工時(shí)務(wù)必按設(shè)計(jì)要求購(gòu)料、實(shí)施，確保材料質(zhì)量和施工質(zhì)量，小到一個(gè)節(jié)點(diǎn)板、一個(gè)栓釘都不能疏忽。很多情況就是因?yàn)橐粋€(gè)不引人注意的、小小的節(jié)點(diǎn)板或栓釘?shù)钠茐囊l(fā)整個(gè)結(jié)構(gòu)的破壞甚至是倒塌。

（4）按《膜結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》CECS158：2004要求進(jìn)行維護(hù)和保養(yǎng)。張拉式膜結(jié)構(gòu)在正常使用1～2年后需進(jìn)行第二次張拉。

（5）到目前為止，我們?nèi)詿o合適的融雪、除雪設(shè)備，運(yùn)營(yíng)方也未能在暴雪后積極、及時(shí)地組織人員人工除雪。若能做到了及時(shí)除雪，也就免于上述事故。

膜結(jié)構(gòu)工程近年來在我國(guó)得到迅猛的發(fā)展，其中不乏失敗的案例，我們應(yīng)從成功中總結(jié)經(jīng)驗(yàn)、從失敗中吸取教訓(xùn)，對(duì)膜結(jié)構(gòu)做深入、細(xì)致、廣泛的研究，筆者相信膜結(jié)構(gòu)技術(shù)定會(huì)日臻完善，以滿足我國(guó)迅速發(fā)展的大空間的功能需求。

設(shè)計(jì)驗(yàn)算結(jié)果表

計(jì)算簡(jiǎn)圖（注：圓表示支座，數(shù)字為節(jié)點(diǎn)號(hào)）