大跨度索膜結構淺析

郭俊瓊

(西南交通大學土木工程學院，四川 成都 610031)

1 索膜結構的發(fā)展歷史

索膜結構的雛形可追溯到古代游牧民族使用的帳篷結構。傳統(tǒng)的帳篷使用地域極其廣泛，北到寒冷的西伯利亞，南到炎熱的撒哈拉沙漠。索膜結構自上世紀80年代以來在發(fā)達國家就獲得極大發(fā)展。自1967年加拿大博覽會德國館創(chuàng)造性地大規(guī)模采用索膜結構以來，索膜結構以其豐富的建筑造型和優(yōu)異的結構受力特性得到了廣大建筑師、結構師的青睞。這種結構體系是在剛性或張緊的柔性邊緣構件上，通過張拉建立預應力并獲得確定形狀。廣泛應用于商業(yè)、體育、工業(yè)等大跨度建筑結構及戶外設施、文化娛樂建筑等各種建筑小品中。其中具有代表性的有沙特的利雅得體育場、美國的丹佛新國際機場、英國的千年穹頂以及韓日世界杯比賽的體育場館等。

2 索膜結構的特點

索膜是一種新型的空間結構形式，它通過施加預應力，使結構具有一定的剛度以承受各種荷載作用。概括而言，索膜結構有以下的優(yōu)點:

(1)更自由的建筑形體塑造。多變的支承結構和柔性膜材使建筑物造型更加多樣化，新穎美觀，可創(chuàng)造更自由的建筑形體和更豐富的建筑語言，富有時代氣息。

(2)更短的施工周期。膜工程中所有加工和制作均可依照設計在工廠內(nèi)完成，現(xiàn)場只進行安裝作業(yè)。相比傳統(tǒng)建筑的施工周期，它幾乎可以縮短一半。

(3)更低的能源損耗。膜具有良好的透光性，透光率為7% ～20%，可以充分利用自然光，減少能源消耗。并且具有良好的阻燃性和自潔性。

(4)更大跨度的建筑空間。由于膜結構自重輕，膜建筑可以不需要內(nèi)部支承，這使人們可以更靈活、更有創(chuàng)意地設計和使用建筑空間。

3 索膜結構的材料

鋼索、膜材是張拉索－膜結構的兩種基本建筑材料，其物理性能是滿足功能要求的基礎，而力學性能是保證結構安全的基礎。鋼索在懸索結構、預應力鋼筋混凝土結構中均有應用。鋼索有鋼絲拉索、鋼絞線和鋼絲繩等幾種。其中鋼絲拉索的徐變最小，鋼絲繩的徐變最大，故永久性或重要結構中不宜采用鋼絲繩，特別是不可使用麻芯鋼絲繩。

膜結構所用膜材料由基材和涂層兩部分組成。基材主要采用聚酯纖維和玻璃纖維材料，其具有一定的抗拉強度、抗撕裂強度、耐熱性、耐久性和防火性;涂層材料主要聚氯乙烯和聚四氟乙烯。常用膜材為聚氯乙烯樹脂(PVC)、二氟化樹脂(PVDF)、一氟化樹脂(PVF)和聚四氟乙烯樹脂(PTFE)。

PVC膜材是由聚酯纖維織物加上PVC涂層聚氯乙烯而成，在材料和加工上都比PTFE膜便宜，且具有材質(zhì)柔軟、色彩豐富、抗折疊性能好、易施工的優(yōu)點。但其強度低、彈性大、易老化、徐變大、自潔性差，耐用年限依使用環(huán)境不同在5～8 a。為改善其性能，可在其表面涂一層聚四氟乙烯涂層，提高其抗老化和自潔能力，改善防污性，其壽命可達到15 a左右。

PVDF膜材是在PVC膜表面處理上加以PVDF樹脂涂層的材料，耐用年限可改善至7～10年左右。

PVF膜材是在PVC的表面處理上以PVF樹脂做薄膜狀薄片加工，比PVDF膜的耐久性更佳，更具有防玷污的優(yōu)點。但因為加工性、施工性與防火性都不佳，所以使用用途受到限制。

PTFE膜材是在超細玻璃纖維織物上，涂以聚四氟乙烯樹脂而成的材料。其強度高、彈性模量大、自潔、耐久耐火等性能好，但它價格較貴，不易折疊，對裁剪制作精度要求較高，壽命一般在30年以上，適用于永久建筑。

4 索膜結構的計算

膜結構設計內(nèi)容和分析方法要比傳統(tǒng)結構復雜。這種體系可在荷載作用下產(chǎn)生較大位移，因而在計算中必須考慮幾何非線性。膜結構的計算包括初始形態(tài)分析、受力分析和剪裁分析等內(nèi)容，它們構成所謂的膜結構全過程分析。膜結構的設計大致可按如下步驟進行。

(1)總體設計:根據(jù)建筑的功能要求等確定膜結構的結構形式，定出控制點的坐標，選擇膜材。

(2)找形分析:根據(jù)邊界條件及初始荷載要求確定相應的初始張力和結構形狀。

(3)荷載分析:驗算結構在各種荷載下的變形及應力變化是否滿足使用要求。

(4)裁剪分析:根據(jù)膜結構形狀，確定將空間膜曲面用平面膜材表示的裁剪式樣。

以下為考慮滑移的成形分析算例。

馬鞍形索膜結構:如圖1、圖2所示，兩長邊為圓弧形固定邊界，兩短邊為直線固定邊界，薄膜初始預應力σx=σy=3 N/mm2，張拉剛度 E1t=E2t=255 N/mm，G12t=80 N/mm，泊松比 ν1=ν2=0.6，膜密度為1.05× 10－6kg/mm2;脊索的初始預張力為52438 N，ERC ARC=1.49×107N;谷索的初始預張力為26219 N，EVC AVC=0.73×107N;索體積力為7.693×10－5kg/mm3;索膜組合結構施加均布向上的荷載1000 N/mm2;索膜間的摩擦因數(shù)μ =0.6。采用無滑移(μ=∞)、有摩擦滑移(μ=0.6)和無摩擦滑移(μ=0)三種工況進行分析，索內(nèi)力的結果如圖3和圖4所示。

由圖3可知，在相同荷載作用下，脊索RC1(考慮在索交點處的滑動)在考慮無摩擦滑移后張力分布較均勻，但索力整體上升，這是由于索膜的整體協(xié)調(diào)受力所導致的。由圖4可知，在相同荷載作用下，谷索在考慮無摩擦滑移后索段張力分布更加均勻。由圖3和圖4可見，摩擦力使索力不均勻且使索力有所減小，但對索力的影響較小，其對脊索的影響較谷索大。

圖1 索單元編號圖

圖2 結構形狀圖

圖3 采用不同摩擦因數(shù)的RC1的比較

圖4 采用不同摩擦因數(shù)的VC1的比較

5 展望

索膜建筑經(jīng)歷了半個世紀的發(fā)展，現(xiàn)已成為一種成熟的結構體系。它以結構邏輯與技術手段作為建筑藝術的表現(xiàn)基礎，達到了更高層次建筑和技術的統(tǒng)一。由于能充分利用取之不盡的太陽能資源，薄膜結構必將成為21世紀“綠色建筑體系”的寵兒。隨著膜材性能及再利用技術的不斷發(fā)展，索膜結構還將展示出更強大的生命力。

［1］沈世釗.大跨度空間結構的發(fā)展－回顧與展望［J］.土木工程學報，1998，31(3):5 －14

［2］那向謙.索膜結構基本體系與建筑設計［J］.建筑學報，2001(2):43－47

［3］廖士駿.膜結構今昔面面觀［J］.世界建筑，1999(3):55－57