安徽紀念園膜結構工程的設計與施工

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[[摘 要]    索膜結構是一種柔性體系結構，它利用張拉鋼索及少量的壓桿作為主要承重構件，依靠膜張力來抵御外荷載，具有自重輕，造型美觀，受力合理的特點，近年來受到廣泛關注。安徽紀念園看臺膜結構工程就是通過膜和鋼索的張拉保持結構的平衡和穩(wěn)定的典型的索膜結構。本文通過該工程的介紹，簡述了張拉膜結構的自我平衡，它的施工安裝要素及節(jié)點的處理。

[關鍵詞]    索膜結構  設計  施工
THE DESIGN AND CONSTRUCTION FOR THE PROJECT OF MEMBRANE STRUCTURE FOR
 THE COMMEMORATING  GARDEN OF ANHUI PROVINCE
                              XIANG Yang              XIANG Ru-feng
(Beijing Granlit Space Membrane Technology Engineering Co.Ltd,Beijing
101300,China)
[Abstract]   As a kind of flexible structure, cable-membrane
structure use the spreading and drawing cable and a few pressing bar
as the weight based component. It depends on the tension membrane to
 resist the outside weight, and with the characteristic of light
weight and beautiful outlook and reasonable force. It is widely used
in recent years. Typical project is done in the commemorating garden
of Anhui province.Based on the introduction of project, this article
briefly introduces the self balance of this spreading and drawing
membrane structure, and it's construction and equipment factor and
node processing.
[Keywords]  cable-membrane structure;design;construction
                              一、概 述
 

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    安徽紀念園看臺膜結構工程位于安徽省合肥市經(jīng)濟技術開發(fā)區(qū)，用于紀念園
內(nèi)廣場兩側看臺的覆蓋，包括兩個單體。每個單體投影面積500m2，展開面積750m2。膜單元以五根柱為中心，向四周呈放射狀張拉，而整體結構通過薄膜、
膜邊索、谷索、拉地索、上拉索、斜拉索及少量的桿件來穩(wěn)定。整個結構造型輕
盈、飄逸，充分體現(xiàn)了張拉膜結構的特點（見圖1、2）。
       圖1、  外觀效果                                圖2、內(nèi)視效果

    膜結構的形式有多種，包括骨架式、充氣式、張拉式等等[1]，其中以張拉膜結構最有代表性，也最為復雜。安徽紀念園看臺膜結構工程更具有其特殊性，主要表現(xiàn)在以下三個方面：
    １、整體結構是由索-膜協(xié)同受力，所有的索、膜、桿件各元素缺一不可，只有在它們都就位后才能成為一個結構承受荷載，這給安裝帶來一定的難度；
    ２、5個柱帽5片膜為一個整體，共700多m2，近1t（包括膜輔件）；這要求較高的安裝精度，并要有措施來消除安裝誤差；
    ３、鋼索、節(jié)點數(shù)量繁多，形式多樣；共有5種31個節(jié)點，3種52根鋼索。
 
                        二、方案的確立及計算
1．方案的確定:

    膜結構設計打破了傳統(tǒng)的“先建筑，后結構”做法，要求建筑設計與結構的緊密結合。在設計過程中，建筑師和結構師要坐在一起確定建筑物的形狀，并進行必要的計算分析，這時，所設計建筑物的平面形狀．立面要求．支點設置．材料類型和預應力大小都將成為互相制約的因素[2]。本工程中，北京光翌公司同深圳環(huán)境設計研究院緊密合作，對該工程的方案從建筑和結構兩方面進行論證，保證最后的方案既滿足建筑的要求，又必須是一種能夠實現(xiàn)的方案。
    原方案采用三柱五頂，三個膜帽固定在柱上，另兩個膜帽用鋼索掛于兩柱之間（圖3）。這一方案的優(yōu)點是可以通過中間的膜帽調(diào)整橫向誤差，缺點是對風過于敏感。最后方案采用五柱五頂，五個膜帽頂均固定于柱子（圖4）,膜邊角拉在前、后弧索上,柱間增加斜拉索和頂索保證桿件平面外的穩(wěn)定。上拉索、拉地索、前后弧索、斜拉索、頂索與柱和梁共同受力形成結構主體。
    根據(jù)已經(jīng)確定的建筑形式，橫向采取兩種不同的結構形式。第一種如圖3所示，主柱為一連續(xù)桿，柱底固接，柱中伸出兩根橫梁，形成半鉸。但這種方法使主柱形成懸臂桿件，柱底彎矩過大而柱頂彎矩為零，如果采用通長鋼管，導致材料的極大浪費。第二種方案見圖4，把主柱斷開，構造為鉸接，這樣上柱僅為軸壓桿，大大節(jié)約了鋼材。本工程采用第二方案，其平面圖見圖5，
    計算模型如圖6所示（為使圖面清晰，未畫膜單元，實際計算中，索、膜、桿單元協(xié)同計算）。

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               圖5平面圖                        圖6計算模型
2．找形分析及應力分析：
    索膜結構其自重極輕，振動頻率低，在風荷載作用下易于產(chǎn)生較大的變形和振動，對風荷載的作用非常敏感[3]，所以應根據(jù)膜材特性及膜造型，合理設定鋼索及膜的預張力，保證在風荷載作用下膜的正常使用功能。
    本工程采用法拉利公司生產(chǎn)的PVC膜材1002T，鋼索選用無油鍍鋅6x19+FC（1670N/mm2）鋼絲繩，找形分析、靜力計算及裁剪下料設計采用TECHNET公司生產(chǎn)的EASY軟件。表１為膜材特性表及輸入數(shù)據(jù)，表2為兩種工況下的對基礎作用力表。從輸出結果可以看出，該體系對風的作用比對雪荷載的作用敏感。根據(jù)鋼索應力，鋼索選用?32、?20、?12、?6四種規(guī)格。最后結果見圖7。
                                   表１、膜材參數(shù)
基材            自重         抗拉強度（經(jīng)線／緯線）         表面處理        膜初始預張力
 
高強聚酯纖維 1050 克g/平方米m2    4.2/4.0KN/5cm             100%PVDF          1.5 KN/m
表2、看臺對基礎的作用力（兩種工況）3
                         工況一  (向上荷載)工況一(向上荷載)                
基礎號    Fx（KkN)）    Fy(KkN)         Fz(KN)         Mx(KkN.Mm)         My(KkN.Mm)
21          41.28       -144.02         74.54            0.00               0.00
22          15.72       -11.22          33.33            0.00               0.00
23           0.00         0.00          0.00             0.00               0.00
 
24          26.32       -48.67          55.63            0.00               0.00
 
25          42.85        42.03          54.72            0.00               0.00
 
26         -52.63         9.28          63.10            0.00               0.00
 
27         -11.69        -2.05          21.30            0.00               0.00
 
28         -3.21          6.26          12.78            0.00               0.00
 
29        -185.24        18.32          85.82            0.00               0.00
 
30         -60.55       -63.81          77.51            0.00               0.00
 
15           0.01         0.08         -14.94            0.00               0.00
16          -0.12         0.23          -9.62            0.00               0.00
 
0          156.22       -47.16         -66.36          -84.89             281.20
 
1           -0.03        -0.02          -3.67           -0.03              -0.05
 
2           97.25       103.51           0.63          186.31             175.06
 
3            0.00         0.02          -2.39            0.03              -0.01
                         工況二  (向下荷載)工況二(向下荷載)
基礎號     Fx（KkN)）    Fy(kKN)        Fz(kKN)       Mx(kKN.Mm)        My(KkN.Mm)
 
21          45.84      -109.49          75.26            0.00               0.00
22          21.23       -15.09          44.85            0.00               0.00
23           0.00         0.00           0.00            0.00               0.00
24          29.35       -24.83          22.42            0.00               0.00
25           3.63         3.57           4.63            0.00               0.00
26         -27.47        15.85          26.91            0.00               0.00
27          -8.80        -1.52          16.04            0.00               0.00
28          -7.17        14.02          28.51            0.00               0.00
29        -137.74        23.73          76.92            0.00               0.00
30         -36.20       -38.23          46.30            0.00               0.00
15           0.01         0.11         -28.85            0.00               0.00
16          -0.53         0.87         -36.78            0.00               0.00
                   
0           87.44       -41.82        -139.48          -75.27             157.39
1           -0.84        -0.46         -99.47           -0.82              -1.51
 
2           90.25        95.58         -99.96          172.04             162.45
3           -0.23        -0.16         -94.46           -0.29              -0.42
4          -58.77        77.86        -157.86          140.16            -105.78

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                                圖7、  找形結果
                                三．設計及節(jié)點
對于膜結構工程而言，有兩個方面是至關重要的。一是保證膜定位點的準確性，一是要保證對膜施加預張力的空間并采取較美觀的方式。所謂的定位點，是指對膜施力的點。在設計階段，它確定膜的形狀，確定膜形是否合理．美觀；在施工階段，定位點的準確與否直接影響膜的成形。定位點的處理表現(xiàn)為節(jié)點的處理。節(jié)點應保證定位點的準確（即保證施工時膜受力點與理論膜的受力點座標一致）,促證有足夠的空間對膜施加預應力。由于節(jié)點外露，還應保證節(jié)點的美觀。
    根據(jù)設計的膜形及膜邊界條件，該工程的膜節(jié)點采取五種形式（節(jié)點A、B、C、D、E）。節(jié)點A為膜邊一端為φ12鋼絲繩，另一端為φ6鋼絲繩固定于梁上；節(jié)點B為兩膜邊為φ6鋼絲繩，固定于梁上；節(jié)點C為膜角通過花藍螺栓連接于前后弧索，同時谷索錨頭也通過此節(jié)點；節(jié)點D同節(jié)點C，不過沒有谷索；節(jié)點E為膜角與邊柱的連接形式。
 

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                                四、工程施工
 
    該工程結構是一個柔性體系，只有把5根柱子全部立起，互相牽拉并施加預應力，結構才能自我平衡保持穩(wěn)定。所以在安裝時，我們準備了充分的手搬葫蘆。在第一根柱的上柱及橫梁通過上拉索及拉地索橫向穩(wěn)定時，縱向分別用手搬葫蘆臨時穩(wěn)定，然后開始安裝第二根柱的上柱及橫梁，拉上斜拉索及頂索，依次將全部鋼索及桿件就位并預張拉后，再把手搬葫蘆松開。
    這里還有一個矛盾：膜在上拉索和橫梁之間，鋼索不上則無法使體系穩(wěn)定，鋼索先掛上了，膜又如何進去呢？在實際工程施工中，我們的施工順序是這樣的：
1  安裝下柱；
2  將膜帽分別套上5根上柱，并將膜展開；
3  安裝膜輔件；
4  吊裝上柱及橫梁把全部鋼索掛上、張緊；
5  把全部膜邊角掛上，保持松弛狀態(tài)；
6  同時起吊五個膜帽至帽環(huán)位置，并固定；
7  調(diào)節(jié)膜邊角的調(diào)節(jié)裝置，保證膜定位點的準確性；
8  對整體結構進行微調(diào)，處理局部區(qū)域。
安裝完成的膜結構如圖9所示。      

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圖9、工程實物照片
                                   五、經(jīng)濟性
    索膜結構作為一種柔性輕型結構具有很好的經(jīng)濟性。安徽紀念園看臺膜結構工程總平面面積為1000m2
 (兩個單體)，耗鋼量為 12.3t(（不包括鋼索)，），僅為12.3kg/m2。實際現(xiàn)場安裝工期僅20天，小于普
 通的屋蓋結構。
    這里還有兩個問題，一是目前結構用膜材尚需從國外進口，造價相對昴貴；一是索膜結構在索及索
 具上費用較大，甚至達到工程造價的20%。隨著市場的推廣，有許多廠家正在著手解決這兩個問題，屆時
 索膜結構將會有更廣泛的應用。
                                    六、結語
    索膜結構以其良好的經(jīng)濟性、合理的受力性及優(yōu)美的造型越來越受到世人的矚目。它作為一種柔性
 張拉結構，無論從方案的選定還是設計和施工均有其特殊性。隨著本工程的介紹和其它工程的開展，索
 膜結構的技術會越來越成熟，市場也會越來越廣闊。
 參考文獻
    [1] 向陽：薄膜結構的初始形態(tài)設計、風振響應分析及風洞試驗研究，哈爾濱建筑大學博士學位論
 文,1998.11。
    [2] 藍天：膜結構－成就、問題與展望,第九屆空間結構學術會議論文集，2000.9。
    [3] 王起、張相庭：大跨度索膜屋蓋結構橫風向非線性共振響應分析，第九屆空間結構學術會議論
 文集，2000.9