大跨度索膜结构浅析

郭俊琼

(西南交通大学土木工程学院，四川 成都 610031)

1 索膜结构的发展历史

索膜结构的雏形可追溯到古代游牧民族使用的帐篷结构。传统的帐篷使用地域极其广泛，北到寒冷的西伯利亚，南到炎热的撒哈拉沙漠。索膜结构自上世纪80年代以来在发达国家就获得极大发展。自1967年加拿大博览会德国馆创造性地大规模采用索膜结构以来，索膜结构以其丰富的建筑造型和优异的结构受力特性得到了广大建筑师、结构师的青睐。这种结构体系是在刚性或张紧的柔性边缘构件上，通过张拉建立预应力并获得确定形状。广泛应用于商业、体育、工业等大跨度建筑结构及户外设施、文化娱乐建筑等各种建筑小品中。其中具有代表性的有沙特的利雅得体育场、美国的丹佛新国际机场、英国的千年穹顶以及韩日世界杯比赛的体育场馆等。

2 索膜结构的特点

索膜是一种新型的空间结构形式，它通过施加预应力，使结构具有一定的刚度以承受各种荷载作用。概括而言，索膜结构有以下的优点:

(1)更自由的建筑形体塑造。多变的支承结构和柔性膜材使建筑物造型更加多样化，新颖美观，可创造更自由的建筑形体和更丰富的建筑语言，富有时代气息。

(2)更短的施工周期。膜工程中所有加工和制作均可依照设计在工厂内完成，现场只进行安装作业。相比传统建筑的施工周期，它几乎可以缩短一半。

(3)更低的能源损耗。膜具有良好的透光性，透光率为7% ～20%，可以充分利用自然光，减少能源消耗。并且具有良好的阻燃性和自洁性。

(4)更大跨度的建筑空间。由于膜结构自重轻，膜建筑可以不需要内部支承，这使人们可以更灵活、更有创意地设计和使用建筑空间。

3 索膜结构的材料

钢索、膜材是张拉索－膜结构的两种基本建筑材料，其物理性能是满足功能要求的基础，而力学性能是保证结构安全的基础。钢索在悬索结构、预应力钢筋混凝土结构中均有应用。钢索有钢丝拉索、钢绞线和钢丝绳等几种。其中钢丝拉索的徐变最小，钢丝绳的徐变最大，故永久性或重要结构中不宜采用钢丝绳，特别是不可使用麻芯钢丝绳。

膜结构所用膜材料由基材和涂层两部分组成。基材主要采用聚酯纤维和玻璃纤维材料，其具有一定的抗拉强度、抗撕裂强度、耐热性、耐久性和防火性;涂层材料主要聚氯乙烯和聚四氟乙烯。常用膜材为聚氯乙烯树脂(PVC)、二氟化树脂(PVDF)、一氟化树脂(PVF)和聚四氟乙烯树脂(PTFE)。

PVC膜材是由聚酯纤维织物加上PVC涂层聚氯乙烯而成，在材料和加工上都比PTFE膜便宜，且具有材质柔软、色彩丰富、抗折叠性能好、易施工的优点。但其强度低、弹性大、易老化、徐变大、自洁性差，耐用年限依使用环境不同在5～8 a。为改善其性能，可在其表面涂一层聚四氟乙烯涂层，提高其抗老化和自洁能力，改善防污性，其寿命可达到15 a左右。

PVDF膜材是在PVC膜表面处理上加以PVDF树脂涂层的材料，耐用年限可改善至7～10年左右。

PVF膜材是在PVC的表面处理上以PVF树脂做薄膜状薄片加工，比PVDF膜的耐久性更佳，更具有防玷污的优点。但因为加工性、施工性与防火性都不佳，所以使用用途受到限制。

PTFE膜材是在超细玻璃纤维织物上，涂以聚四氟乙烯树脂而成的材料。其强度高、弹性模量大、自洁、耐久耐火等性能好，但它价格较贵，不易折叠，对裁剪制作精度要求较高，寿命一般在30年以上，适用于永久建筑。

4 索膜结构的计算

膜结构设计内容和分析方法要比传统结构复杂。这种体系可在荷载作用下产生较大位移，因而在计算中必须考虑几何非线性。膜结构的计算包括初始形态分析、受力分析和剪裁分析等内容，它们构成所谓的膜结构全过程分析。膜结构的设计大致可按如下步骤进行。

(1)总体设计:根据建筑的功能要求等确定膜结构的结构形式，定出控制点的坐标，选择膜材。

(2)找形分析:根据边界条件及初始荷载要求确定相应的初始张力和结构形状。

(3)荷载分析:验算结构在各种荷载下的变形及应力变化是否满足使用要求。

(4)裁剪分析:根据膜结构形状，确定将空间膜曲面用平面膜材表示的裁剪式样。

以下为考虑滑移的成形分析算例。

马鞍形索膜结构:如图1、图2所示，两长边为圆弧形固定边界，两短边为直线固定边界，薄膜初始预应力σx=σy=3 N/mm2，张拉刚度 E1t=E2t=255 N/mm，G12t=80 N/mm，泊松比 ν1=ν2=0.6，膜密度为1.05× 10－6kg/mm2;脊索的初始预张力为52438 N，ERC ARC=1.49×107N;谷索的初始预张力为26219 N，EVC AVC=0.73×107N;索体积力为7.693×10－5kg/mm3;索膜组合结构施加均布向上的荷载1000 N/mm2;索膜间的摩擦因数μ =0.6。采用无滑移(μ=∞)、有摩擦滑移(μ=0.6)和无摩擦滑移(μ=0)三种工况进行分析，索内力的结果如图3和图4所示。

由图3可知，在相同荷载作用下，脊索RC1(考虑在索交点处的滑动)在考虑无摩擦滑移后张力分布较均匀，但索力整体上升，这是由于索膜的整体协调受力所导致的。由图4可知，在相同荷载作用下，谷索在考虑无摩擦滑移后索段张力分布更加均匀。由图3和图4可见，摩擦力使索力不均匀且使索力有所减小，但对索力的影响较小，其对脊索的影响较谷索大。

图1 索单元编号图

图2 结构形状图

图3 采用不同摩擦因数的RC1的比较

图4 采用不同摩擦因数的VC1的比较

5 展望

索膜建筑经历了半个世纪的发展，现已成为一种成熟的结构体系。它以结构逻辑与技术手段作为建筑艺术的表现基础，达到了更高层次建筑和技术的统一。由于能充分利用取之不尽的太阳能资源，薄膜结构必将成为21世纪“绿色建筑体系”的宠儿。随着膜材性能及再利用技术的不断发展，索膜结构还将展示出更强大的生命力。

［1］沈世钊.大跨度空间结构的发展－回顾与展望［J］.土木工程学报，1998，31(3):5 －14

［2］那向谦.索膜结构基本体系与建筑设计［J］.建筑学报，2001(2):43－47

［3］廖士骏.膜结构今昔面面观［J］.世界建筑，1999(3):55－57