張拉索膜結構設計及主要施工工藝

李磊

(秦皇島廣瑞工程項目管理有限公司，河北 秦皇島 066100)

1 工程概況

某市新建體育館劃分為三個區域，分別是訓練館、比賽館、商服樓。其中，商服樓采用張拉索膜結構，該區域投影面積4520平方米，展開面積6307 平方米。包含6 根φ325×15 的主柱、18根φ273×12 的邊柱，以及80 條預應力鋼索。

2 張拉索膜結構設計要點

2.1 膜結構設計

設計膜結構的第一步是根據工程設計方案確定其形狀。在設計時，以實用性為基礎，通過受力分析設計出滿足力學平衡的空間曲面，在此基礎上還要兼顧外形，追求藝術性和觀賞性。設計師綜合運用幾何分析法、計算機模型法等，確定膜結構的初始幾何形狀，然后運用動力松弛法、桿長修正法等，分析該形狀下膜結構的預應力分布情況，避免某點應力過于集中而導致膜結構變形、褶皺等問題。完成上述兩步設計后，基本上得到了符合建筑要求的膜結構框架，最后進行荷載態分析，設計師通過模擬荷載的情況，觀察膜結構的抗破壞能力，例如在仿真環境下模擬風荷載、雪荷載等，觀察膜材穩定性，為下一步膜結構施工提供參考。

2.2 抗拔錨固設計

抗拔錨固設計也是張拉索膜結構工程的重要部分。根據作用形式的不同，可供選擇的錨固體系也有多種類型，設計方案也不盡相同。比較常用的是阻力錨固體系，具體又分為適用于淺層地面和深層地面的兩種類型，前者沒有剪切應力，后者存在垂直方向上的剪切應力。其受力模型如圖1 所示。

圖1 兩種阻力錨固體系的受力模型

除此之外，還有抗拔樁錨固體系、錨桿錨固體系以及巖石錨固體系等類型，每一種體系使用到的構件、適用的環境，以及其受力形式等均存在較大差異。在設計階段，應結合工程所在地區的地質條件和施工需要加以確定。

3 張拉索膜結構施工工藝

3.1 材料的加工制作

3.1.1 膜材

本次工程中所用膜片數量較多，控制其加工精度尤為重要。在制作膜材前，應做好以下準備事項：其一，加工環境的管理。加工區域要保證干燥、清潔，不得有高溫熱源，防止材料受到熱輻射出現變性問題；其二，加工設備配備齊全，且工況良好。特別是熱合設備、裁剪設備，對加工質量有直接影響；其三，熟悉相關規范，例如膜材加工前的檢驗事項、裁剪的方法、張拉伸長率的預調整等。

上述準備工作結束后，將準備好的膜材取出，經檢查膜材無質量缺陷后，開始裁剪。本次工程中用量較大的膜材有150cm和200cm 兩種類型。為了保證裁剪效率和膜片精度，使用專用設備代替人工進行裁剪。技術人員提前通過設備的控制板，輸入平面幾何坐標和進給速率，由設備自動完成進料、裁剪、下料。之后安排專人隨機抽樣，檢查裁剪膜片的形狀是否規則、精度是否達標、尺寸偏差不得超過±0.5%，否則應視為廢料。

將裁剪完成且經過檢查精度達標的膜片，按照設計圖紙標記好序號，然后逐片粘結起來。常規的粘合方法有3 種，分別是縫紉粘合、熱合粘合、機械粘合等。每種方法適用的條件也有差異，例如縫紉粘合的強度最大，適用于一些大跨度建筑，而熱合粘合效率更高。結合本次工程的實際情況，選擇了熱合粘合的方式。在膜片的拼接縫處，采用熱焊接的方式，讓織物上層的涂層融化，然后施加外部壓力，使相鄰兩塊膜片緊密擠壓，待冷卻后獲得較強的粘合力。完成粘合后，進行粘合強度檢查。采用抽檢的方式，運用雙軸拉伸試驗直觀測定抗拉強度值，標準如表1所示。

表1 膜材連接處抗拉強度標準值

3.1.2 索和索具

現場制作鋼索，保證捻制均勻，以緊密無波浪為佳。檢查鋼絲有無交錯、磨蝕、斷裂等質量問題，如果有不得使用。所有加工好的鋼索，在正式使用前必須進行預張拉，其目的是防止發生非彈性變形。預張拉的強度為極限強度的50%，持續約30min，之后進行第二次張拉。完成預張拉后，先安裝索頭，施工人員根據施工圖紙確定索頭的位置，然后將索的末端插入預留孔內，并采用冷澆樹脂的方式，將索和索具連接起來。最后，檢查索的強度，以實測強度達到設計強度95%為宜。在鋼索和索頭的外表面，均勻涂刷一層油脂，起到防腐效果。

3.2 膜體的安裝

3.2.1 施工準備

掛膜前的準備事項中，執行嚴格的質量檢驗，例如膜體表面無破損、褶皺或油垢；膜體拼縫粘結牢固，無空隙、分離；索、錨具均做好防腐處理，且本身無銹蝕問題。除了對基本材料的檢查外，還要關注天氣狀況，在風、雨天氣下不宜開展高空膜材安裝作業；還有就是在膜材與鋼構架連接等特殊部位，應提前安裝拉緊器、夾板。

3.2.2 鋪展和穿索

在施工現場靠近主體工程處，準備一寬敞、平整空地，搭設臨時平臺，用于展開膜片。完全展開之后，按照設計方案，分別將邊索、脊索穿過膜片的邊緣卡口。在穿索時，應檢查U 型卡口與膜片是否緊緊連接，且卡口邊緣不得有毛刺或缺裂。還有就是為了防止不銹鋼材質的U 型卡口劃傷膜片，需要在兩者之間增加橡膠墊片，結構如圖2 所示。

圖2 穿索結構示意圖

3.2.3 掛膜

膜片的吊裝是整個工程的關鍵點。在現場穿索作業結束，并且經過檢查確定鋼索與各個卡口均牢固連接后，利用手拉葫蘆連接膜片的各個連接點，在保證膜片受力均衡的情況下，緩緩將其提起，直到高空作業平臺。在平臺施工人員的輔助下，將膜片按照順序固定到相應位置，保證精度。掛膜施工中要關注的技術要點有：其一，吊升時做好風速監測，在風速超過4 級的情況下不得作業，防止搖晃發生碰撞、導致膜片受損。其二，對吊升速度進行嚴格控制。初升時保持慢速，觀察是否平衡，這一階段可以進行調整，并慢慢提速。中間部分勻速上升，最后距離頂部作業平面2m 左右時，放慢速度，實現平移。

3.2.4 張拉及驗收

膜結構本身沒有太大的剛度，特別是對于大跨度的場館建筑來說，必須通過預應力張拉的方式，提高其抗彎能力和結構剛度。張拉作為本次工程中施工關鍵點，對張拉力的控制十分重要。張拉強度不足，預應力值偏小，就容易出現膜結構褶皺，無法提供相應的荷載；相反，張拉強度過高，預應力值偏大，膜結構容易出現拉裂。除此之外，像張拉的強度、維持時間等，也都是施工人員需要關注的問題。在張拉方式上，本次工程選擇的是頂升支撐桿法。在固定周圍節點后，使用液壓千斤頂提供升力，推動支撐桿往上移動直到設計標高，從膜內形成與張力。其結構如圖3 所示。在張拉結束后，安排專業人士對張拉索膜結構的各項性能指標進行檢測，并對照施工標準及相關規范，確定符合要求后完成驗收。

圖3 頂升支撐桿法結構示意圖

4 結論

在現場大跨度場館建筑中，張拉索膜結構因為具有承重效果好、節能環保、外形美觀等一系列特點，有著較為廣泛的使用。在應用這一結構時，一方面要結合工程特點，做好受力分析和結構設計，保證膜結構的穩定和安全；另一方面，還要從膜與索的加工制作，膜的裁剪與粘合，索的安裝和固定，以及膜體的鋪展、穿索和張拉等環節，采取嚴格的技術管控措施，才能切實保障建筑膜結構的施工效果，在實用性和美觀性上達到統籌兼顧。