索膜结构检测方法与工程应用

摘    要：索膜结构体系的起源，可以上溯至远古时代。那时人类主要居住在以绳索和兽皮搭建而成的帐篷中。18世纪末，热气球和飞艇技术的出现为推动膜材料技术的发展奠定了基础。20世纪50年代，德国建筑师在张拉膜结构领域进行了开创性工作，大大推动了膜结构的发展。如今，索膜结构体系的建筑在城市中早已不再罕见，无论是博览会还是体育场，索膜结构都有了它的一席之地。但是索膜结构的结构性损伤问题，对于建筑质量的影响不容小觑，因此其检测方法就需要大力推广，从而保障索膜结构的正常使用。

关键词：索膜结构;检测方法;工程应用

1  前言

索膜结构的实质是一个稳定曲面在一定范围内承受外部荷载的空间结构形式，其主要是由高强度柔性薄膜材料经受其他材料的拉压作用形成的。索膜结构具有众多优势，首先造型外观相对自由、柔美、轻巧、舒展，能给人迸发力量的感觉。在其他性能方面，膜材阻燃性较好，燃烧时也不会产生滴落物，由于膜材重量很小，即使发生火灾膜面坍塌也不会造成危害性结果。而且膜材具有较好节能性与自洁性，安装也较为简易，这些优势都使得膜结构工程在世界各地的应用范围逐渐广泛。但是相较于索膜建筑的兴起，索膜结构的检测和维护却一直十分落后，当索膜结构在遭遇强风、强雨雪等恶劣自然天气后容易出现膜面撕裂等事故，同时随着结构使用年限的增加，材质的老化也将带来一系列隐患，因此为了明确该结构是否能满足设计和正常使用要求，相关从业者一定要重视索膜结构的检测，攻克检测方法的技术难题，进而大力发展索膜结构在工程中的应用程度[1]。

2  索膜结构发展浅谈

索膜结构的兴起与发展，让建筑师们可以在建筑设计和选择上，摆脱传统建筑模式的桎梏，进而有更多的选择。膜结构在建筑材料的选择上有了新的革新，大范围使用膜材，因而建筑重量被大大减轻，只有不到传统建筑同等体量规模的三十分之一。膜结构的关键优势在于，可以攻克传统建筑结构在大跨度或无支撑建筑上实现的技术性难题，可以让可视空间的边界被大范围拓宽。值得一提的是，遇到阳光正好的天气，由于膜结构对光的漫反射效应，会让建筑物内部都充满自然漫反射光，不像传统建筑有强烈的光面和阴影面的区分，大幅提升了室内空间的视觉开阔程度与和谐程度。同样的效果在夜晚也会有所呈现，昏暗的夜空会被建筑物内部环境的灯光照亮，为建筑物上空的夜空和建筑物自身增添梦幻般的光影效果。因此这种索膜结构的用武之地，通常也都是公共娱乐场所，或者大型体育场、购物中心等建筑。在世界范围内，包括日本东京市内棒球管（东京巨蛋）、英国泰晤士河畔的千年穹顶，还有美国亚特兰大奥运会主体育馆，都采用了索膜结构。随着21世纪可持续发展的理念不断深入人心，索膜结构因其自身的优势还会不断深入发展[2]。

3  既有索膜结构损伤评估情况

膜和钢是索膜结构的主要应用材料，其中膜主要包括G类、P类、E类膜材三种。钢主要有钢结构与拉索。随着索膜结构应用年限的逐渐增长，超过十年以上的索膜结构都会在外观上出现不同类型、不同程度的损伤，这就凸显了检测和评估既有膜结构工作的重要性。既有索膜结构的结构损伤类型，主要包含膜面局部损伤、钢索结构生锈腐蚀、索膜结构松弛以及抗拔基础损伤情况等等。视安全危害性情况而定，严重的结构损伤有膜面裂缝、边界撕裂、拉索弯曲等。一般的结构损伤有膜面污染、护套损伤;情况尚不严重但应引起足够警惕的有，松弛积水、钢结构生锈腐蚀以及基础开裂现象。检测人员需要充分认清索膜结构损伤类型和受损程度，有的放矢的进行检测[3]。

4  索膜结构检测项目及所需设备

4.1  索膜结构检测内容

索膜结构的损伤情况，是通过外观普查发现的，进而根据不同的外观损伤情况，进行索膜结构力学性能检测评估工作，应包含以下方面内容：第一是控制点位置检测;第二是膜结构，主要应包括膜面及破损位置的应力情况、膜面材料强度以及节点承载力;第三是索结构，需要重点检测索拉力和节点的生锈腐蚀情况;第四是钢结构，对于钢结构的腐蚀情况，尤其是焊缝位置要做细致检查;第五是抗拔基础，重点是混凝土和钢筋的强度问题检查;最后就是整个结构的图纸复核工作，索和膜的松弛均会造成结构轻微变形，所以一定要复合测量控制点的位置与原图纸位置， 复算现结构内力与原结构内力， 以评估索和膜应力变化的情况。

另外膜材的主要性能为各向异性，如果较长时间经受载荷，很容易使材料性能老化，产生松弛现象，因此需要进行膜面应力检测工作，对处于长期荷载作用下的膜面力学性能变化情况做科学评估，从而验证使用需求。若膜材处在建筑的冗余位置，同样需要进行基本的力学性能测试，从而判断长期使用状态下膜材的能力。膜结构的边界应力相对更集中，对于该位置的应力变化情况，要尤其注意。如果一旦出现外观破损的情况，在对此位置進行检修时，也要重新测定该位置的承载力[4]。

建筑工程中通常使用的钢索形式，有钢绞线和钢丝绳两种，主要是将高强度钢丝扭绞成型，钢丝徐变和松弛的实际效应比较明显。想要评估钢索性能要求，就要检测在长期荷载下的索力。另外钢材防腐工作，也是索膜结构日常养护所必须进行的工作。根据一些工程的实际情况显示，很多养护效果较好的索膜结构，往往经受严重生锈腐蚀的都是锚具，因此相比锚具锈蚀之后进行探伤检测，做好日常的养护与防腐工作就显的尤为重要，既能降低日常运营成本，同时也能增强结构质量。此外，索膜结构的基础承受拉应力，常由控制组合承担。鉴于其大范围受拉的实际工作情况，和混凝土相对较差的抗拉性能，时常会发生抗拔基础带裂纹工作的情况，因此一定要对该工况下，钢筋的受力性能做重点关注。检测工作需要同结构计算相比较，保证检测结果具有合理性。

4.2  索膜结构检测方法及设备

（1）变形检测。变形检测主要需要用到全站仪，激光扫描检测技术也可酌情应用。可以依据索膜结构控制点几何位置的测量结果，构建出索膜结构的计算几何模型[5]。

（2）膜面力学性能检测。该项检测主要有膜结构能力检测和膜结构性能要求两个方面，前者主要针对膜材力学性能与连接节点承载力性能进行检测，后者主要针对膜面应力进行检测。对于既有索膜结构而言，如果检测时利用的是原膜材，就可以进行相关的性能测试，从而在膜面经受长期荷载作用下，验证耐久性和剩余强度。如果膜材需要进行修复工作，就需要先针对修复节点试验其承载力，若达到设计要求，才能继续修复。

（3）索力检测。索力检测主要有EM测量方法和振动检测方法两种，两种检测方法适用范围各不相同。其中EM测量方法对于索力的长、短期监测效果显著，也是索力长期健康监测方案的最优解。如果是针对既有索膜结构进行检测，EM线圈的绕制工作往往需要在现场进行，这也为该项检测工作带来了较大的成本投入，因此最好在既有结构长期监测系统的建立工作上选用 [6]。而振动检测法是对既有索膜结构拉索提供外加激励的前提下，利用拾振器来拾取振动信号，经过分析来确定拉索的自振频率，再根据自振频率和索力的关系来确定最终索力。在索膜结构中，索边界一般为弹性连接边界，因此需要多次测量来修正结果。

5  索膜结构的工程应用分析

5.1  芜湖奥体中心体育场

芜湖奥林匹克体育中心，其主体育场在奥林匹克公园的中心区，体育场平面主要部分为三段圆弧，长轴的长度为254m，短轴长度为225m，膜面水平投影面积超过2万㎡，主体为脊谷式张拉整体式膜结构，整体造型为高低错落的马鞍形，由高低均匀变化的40个锥形膜单元组成。主看台上弧梁最高点为69m，内环索最高点为29m，最大跨度为39m。针对该体育场的主要检测工作主要包含钢结构检测和索膜检测两个方面。其中结构轴线复核、构件尺寸复核、构件表面涂层、结构变形检测、焊缝探伤等工作归属于钢结构检测的范畴;而膜材料性能、索力检测与膜面应力归属于索膜结构的范畴[7]。

进行膜面检测工作，需要对测点布置进行选取。每个膜片的中间部位应当布置一个测点，针对测点上两个方向的正交应力进行检测，检测测点数量总共为160个。选取东西两个方向的看台，各两个单体膜，对各个角点的位置要详细检测，测点总共数量为56个。索力测点的布置形似橄榄球，需要选择膜外拉索，无论是环索、斜拉索、外拉索与边拉索等等，都要进行索力的检测。此外，还有老化膜材的检测，因为膜材数量是有限的，所以对膜材单向抗拉强度和膜材连接强度试验，需要进行双向拉伸试验，从而确定材料弹性模量和泊松比[8]。

5.2  上海世博会世博轴

世博轴为上海世博会场地的主入口和主轴，屋面是半敞开结构体系，主要用的是钢索膜结构，长度约为1000m，宽度约为80m，是世博会建筑群中最大的单体场馆。其钢结构是单层钢网壳阳光谷，69个巨型膜单元构成索膜屋面，厚度仅1.2mm，总面积将近7平方米。

世博轴屋面膜材的应力初始状态的测试，应采用两种方法，其一是借助真空泵膜面应力测试仪支持，其二是通过膜边界螺杆拉力进行换算。对于单层膜角部而言，产生破坏现象的最大膜面应力为92.4KN/m，大概是膜材强度的65%。对于双层膜角部而言，相应的应力为370KN/m，可以和膜材抗拉强度持平。但是计算结果显示，在单层与双层膜角部破坏的情况下，膜面堆砂的总重量是108t和180t，远远没有达到数值分析结果，这就为判断膜边界的破坏提供了依据。相关研究显示，膜面角部承载力试验值低于数值计算结果时主要有两个原因，一是实际膜面一直是承受双轴受力，另外是膜材實际弹性模量一直在随应力不断改变[9]。

6  结束语

索膜结构建筑如今正在不断发展，相关单位一定要重视索膜结构的损伤检测，优化检测方法，更新相关设备，以便在工程中实现更好的应用效果，提升工程质量。

参考文献：

[1] 张丽，陈务军，董石麟.PVDF/PES建筑织物膜力学性能单双轴拉伸试验[J].空间结构，2012（3）：4148.

[2] 陈建稳，陈务军，赵兵.浮空器膜材循环拉伸力学性能及弹性常数研究[J].湖南大学学报：自然科学版，2013（6）：4046.

[3] 陈建稳，陈务军，张大旭.PVDF/PES涂层织物循环拉伸力学性能及弹性模量[J].华南理工大学学报：自然科学版，2013（6）：6976.

[4] 陈建稳，王明洋，陈务军，张宁，周涵，赵兵.层压织物类膜材拉伸应变在应力空间上响应特征[J].浙江大学学报：工学版，2016（11）：21502157.

[5] 陈建稳，周涵，陈务军，赵兵，王明洋.飞艇用层压织物膜材料在双向应力作用下的弹性参数分析[J].上海交通大学学报，2017（3）：344352.

[6] 许本东..既有建筑物结构检测鉴定技术及加固措施研究[D].西南交通大学，2005.

[7] 宋守民.建筑结构检测技术[J].江西建材，2011（2）：294296.

[8] 冯维忠，杨昊.回弹法检测普通粘土砖抗压强度试验研究[J].工程质量，2013（1）：3536.

[9] 王峰.建筑工程结构检测技术的应用[J].科技信息：科学教研，2007（17）：373+496.

作者简介：

张淼（1982—）女，汉，天津，中级工程师，硕士研究生。主要研究方向：建筑工程。