膜結(jié)構(gòu)浮動環(huán)處褶皺的產(chǎn)生原因及對策分析

文/張惠琴 廣西師范大學(xué) 廣西桂林 541004

浮動環(huán)在傘形膜結(jié)構(gòu)中應(yīng)用很普遍（圖1、圖2所示），借助浮動環(huán)，可以很方便的把膜片安裝到位，并且可以給膜片施加預(yù)應(yīng)力。浮動環(huán)，它不僅僅是節(jié)點(diǎn)構(gòu)造和建筑功能的需求，還可以通過改變位移來抵抗外荷載。索膜在與浮動環(huán)連接時，由于索頭有一定的尺度空間，導(dǎo)致索頭處的脊索無法給膜片提供環(huán)向張力，從而容易產(chǎn)生褶皺。圖3，圖4為實拍的工程中浮動環(huán)處出現(xiàn)褶皺的照片。褶皺的出現(xiàn)不僅會對膜結(jié)構(gòu)的美觀及受力性能造成影響，甚至?xí)斐赡げ钠茐?。因此，本文總結(jié)了浮動環(huán)處褶皺產(chǎn)生的原因并提出降低褶皺產(chǎn)生的措施。

圖1 浮動環(huán)實景照片a

圖2 浮動環(huán)實景照片b

圖3 浮動環(huán)處出現(xiàn)褶皺的圖片a

圖4 浮動環(huán)處出現(xiàn)褶皺的圖片b

1、浮動環(huán)處的褶皺產(chǎn)生原因分析

1.1 模型與實際不吻合

在膜結(jié)構(gòu)的設(shè)計模型中，脊索與膜是不分離的，膜面張力通過脊索和邊界索

傳遞給下部結(jié)構(gòu)。而在施工過程中，由于構(gòu)造尺寸的原因，浮動環(huán)處索和膜一般需要分離。索膜分離后，由于失去了脊索的支撐，與浮動環(huán)平行方向的膜的預(yù)張力減小。并且，在索膜分離部位，索會對膜產(chǎn)生一個集中力，在這個集中力作用下，膜面會產(chǎn)生微小位移，從而容易產(chǎn)生局部褶皺。

1.2 膜片裁剪中浮動環(huán)處應(yīng)變補(bǔ)償值取的較小

把空間膜曲面展開成平面膜片過程中，需要釋放膜面預(yù)張力。膜面預(yù)張力的

釋放是通過取應(yīng)變補(bǔ)償值來實現(xiàn)的。施工過程中首先把膜片在地面拼裝好，然后套在浮動環(huán)上，整體吊裝。由于此處張拉膜材比較困難，為了保證膜片能套在浮動環(huán)上，此處的應(yīng)變補(bǔ)償值比其它部分取得要小些，這樣就導(dǎo)致浮動環(huán)處膜材的預(yù)張力變小，從而容易產(chǎn)生褶皺。

1.3 裁剪分析中近似程度較大

裁剪分析中往往采用找形和荷載分析階段的模型，這樣會造成裁剪下料時較

大的誤差。在找形和荷載分析階段，對于結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)做法和邊界做法一般是不會考慮的，為提高計算速度，膜、索、桿、梁計算單元的劃分不會很細(xì)，能滿足內(nèi)力分析即可。但是，在裁剪階段，這樣的模型不夠精確，經(jīng)裁剪分析得到的平面膜片誤差大，導(dǎo)致褶皺產(chǎn)生。

1.4 膜材焊縫布置方向的影響

按平面投影形狀劃分，膜材焊縫的布置分為放射狀、環(huán)形和與邊界平行三種布置方式。放射狀的布置方式更美觀，是建筑師們青睞的布置方式。對于后兩種布置方式，因為焊縫比較分散，集中在浮動環(huán)處的焊縫較少，所以焊接應(yīng)力相對小些。而對于放射狀的布置方式，因為所有的焊縫都集中于浮動環(huán)處，所以局部焊接應(yīng)力較大，應(yīng)力分布不均勻，容易產(chǎn)生褶皺。

1.5 施工工藝的影響

在施工過程中，膜面預(yù)應(yīng)力應(yīng)逐步均勻的導(dǎo)入，以保證膜面應(yīng)力能均勻有效的傳遞給索和邊界。但是，施工過程中由于人為因素，導(dǎo)入的預(yù)應(yīng)力不均勻或達(dá)不到設(shè)計需要的預(yù)應(yīng)力，就會出現(xiàn)褶皺。

2、降低褶皺發(fā)生的措施

2.1 裁剪分析重新建模

在結(jié)構(gòu)找形和荷載分析階段的膜結(jié)構(gòu)模型中，索膜分離部分只有一個膜單元，在裁剪分析階段這樣的模型精度不夠，建議把索膜分離部分膜單元的網(wǎng)格加密，重新建模，更好地模擬出失去索支撐的膜單元的內(nèi)力重分布情況，由裁剪分析得到的裁剪條元精度更高。本在裁剪分析的模型中，把索膜分離部分膜單元的網(wǎng)格加密，同時加密為兩個網(wǎng)格即可滿足精度要求。

2.2 優(yōu)化設(shè)計方案

建筑師在進(jìn)行膜結(jié)構(gòu)造型設(shè)計時，盡量設(shè)計直徑大于50cm 的構(gòu)件式浮動環(huán)。這類浮動環(huán)因為直徑較大，應(yīng)力分布相對較均勻，膜片較易連接，在施工中一般可以避免較大褶皺的出現(xiàn)。

2.3 優(yōu)化浮動環(huán)節(jié)點(diǎn)做法

由于褶皺產(chǎn)生的直接原因是索頭存在的尺度空間導(dǎo)致脊索在索頭處無法給膜片提供環(huán)向張力，造成索膜分離。若在浮動環(huán)的施工做法中，把節(jié)點(diǎn)板向外延伸后再繃膜，減少索膜分離的距離，降低褶皺出現(xiàn)的可能。同時為了減少繃膜后膜對懸挑板的剪切力，該做法中增加一個環(huán)板來抵抗剪切力。

圖5 優(yōu)化的浮動環(huán)節(jié)點(diǎn)做法

2.4 強(qiáng)化施工安裝階段的監(jiān)測

傘型膜結(jié)構(gòu)在施工時，需要用千斤頂頂升支撐桿，初始頂升時可以適當(dāng)快一些，在接近設(shè)計標(biāo)高時，要注意減慢頂升速度，并隨時觀測膜面情況，確保膜面?zhèn)髁鶆颉Ｔ陧斏^程中，要密切注意膜面形狀的變化，遇到膜面受壓時要停止頂升。同時在整個頂升過程中采用位移控制為主，應(yīng)力控制為輔的控制方法，可以保證結(jié)構(gòu)體系最終幾何、應(yīng)力狀態(tài)的正確性。

結(jié)語：

本文對傘型膜結(jié)構(gòu)浮動環(huán)處褶皺產(chǎn)生的原因進(jìn)行了探討總結(jié)并提出降低褶皺產(chǎn)生的措施，以期對膜結(jié)構(gòu)的施工有一定的參考意義。