膜結(jié)構(gòu)浮動(dòng)環(huán)處褶皺的產(chǎn)生原因及對(duì)策分析

張惠琴

【摘要】在傘（錐）形膜結(jié)構(gòu)的最高點(diǎn)處，經(jīng)常會(huì)用到浮動(dòng)環(huán)，在其施工中，各個(gè)膜片在最高點(diǎn)處用浮動(dòng)環(huán)連接。借助浮動(dòng)環(huán)，可以很方便的把膜片安裝到位，并且可以給膜片施加預(yù)應(yīng)力。但是其附近往往會(huì)出現(xiàn)褶皺，這不僅影響結(jié)構(gòu)美觀，對(duì)膜結(jié)構(gòu)的力學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生影響，并且皺褶部分引起的重復(fù)變形可能會(huì)引起膜材破裂。本文對(duì)浮動(dòng)環(huán)處褶皺產(chǎn)生的原因及如何減少褶皺進(jìn)行了分析。

【關(guān)鍵詞】膜結(jié)構(gòu);浮動(dòng)環(huán);降低褶皺

浮動(dòng)環(huán)在傘形膜結(jié)構(gòu)中應(yīng)用很普遍（圖1、圖2所示），借助浮動(dòng)環(huán)，可以很方便的把膜片安裝到位，并且可以給膜片施加預(yù)應(yīng)力。浮動(dòng)環(huán)，它不僅僅是節(jié)點(diǎn)構(gòu)造和建筑功能的需求，還可以通過改變位移來抵抗外荷載。索膜在與浮動(dòng)環(huán)連接時(shí)，由于索頭有一定的尺度空間，導(dǎo)致索頭處的脊索無法給膜片提供環(huán)向張力，從而容易產(chǎn)生褶皺。圖3，圖4為實(shí)拍的工程中浮動(dòng)環(huán)處出現(xiàn)褶皺的照片。褶皺的出現(xiàn)不僅會(huì)對(duì)膜結(jié)構(gòu)的美觀及受力性能造成影響，甚至?xí)斐赡げ钠茐?。因此，本文總結(jié)了浮動(dòng)環(huán)處褶皺產(chǎn)生的原因并提出降低褶皺產(chǎn)生的措施。

1、浮動(dòng)環(huán)處的褶皺產(chǎn)生原因分析

1.1模型與實(shí)際不吻合

在膜結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)模型中，脊索與膜是不分離的，膜面張力通過脊索和邊界索

傳遞給下部結(jié)構(gòu)。而在施工過程中，由于構(gòu)造尺寸的原因，浮動(dòng)環(huán)處索和膜一般需要分離。索膜分離后，由于失去了脊索的支撐，與浮動(dòng)環(huán)平行方向的膜的預(yù)張力減小。并且，在索膜分離部位，索會(huì)對(duì)膜產(chǎn)生一個(gè)集中力，在這個(gè)集中力作用下，膜面會(huì)產(chǎn)生微小位移，從而容易產(chǎn)生局部褶皺。

1.2 膜片裁剪中浮動(dòng)環(huán)處應(yīng)變補(bǔ)償值取的較小

把空間膜曲面展開成平面膜片過程中，需要釋放膜面預(yù)張力。膜面預(yù)張力的

釋放是通過取應(yīng)變補(bǔ)償值來實(shí)現(xiàn)的。施工過程中首先把膜片在地面拼裝好，然后套在浮動(dòng)環(huán)上，整體吊裝。由于此處張拉膜材比較困難，為了保證膜片能套在浮動(dòng)環(huán)上，此處的應(yīng)變補(bǔ)償值比其它部分取得要小些，這樣就導(dǎo)致浮動(dòng)環(huán)處膜材的預(yù)張力變小，從而容易產(chǎn)生褶皺。

1.3裁剪分析中近似程度較大

裁剪分析中往往采用找形和荷載分析階段的模型，這樣會(huì)造成裁剪下料時(shí)較

大的誤差。在找形和荷載分析階段，對(duì)于結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)做法和邊界做法一般是不會(huì)考慮的，為提高計(jì)算速度，膜、索、桿、梁計(jì)算單元的劃分不會(huì)很細(xì)，能滿足內(nèi)力分析即可。但是，在裁剪階段，這樣的模型不夠精確，經(jīng)裁剪分析得到的平面膜片誤差大，導(dǎo)致褶皺產(chǎn)生。

1.4膜材焊縫布置方向的影響

按平面投影形狀劃分，膜材焊縫的布置分為放射狀、環(huán)形和與邊界平行三種

布置方式。放射狀的布置方式更美觀，是建筑師們青睞的布置方式。對(duì)于后兩種布置方式，因?yàn)楹缚p比較分散，集中在浮動(dòng)環(huán)處的焊縫較少，所以焊接應(yīng)力相對(duì)小些。而對(duì)于放射狀的布置方式，因?yàn)樗械暮缚p都集中于浮動(dòng)環(huán)處，所以局部焊接應(yīng)力較大，應(yīng)力分布不均勻，容易產(chǎn)生褶皺。

1.5 施工工藝的影響

在施工過程中，膜面預(yù)應(yīng)力應(yīng)逐步均勻的導(dǎo)入，以保證膜面應(yīng)力能均勻有效

的傳遞給索和邊界。但是，施工過程中由于人為因素，導(dǎo)入的預(yù)應(yīng)力不均勻或達(dá)不到設(shè)計(jì)需要的預(yù)應(yīng)力，就會(huì)出現(xiàn)褶皺。

2、降低褶皺發(fā)生的措施

2.1 裁剪分析重新建模

在結(jié)構(gòu)找形和荷載分析階段的膜結(jié)構(gòu)模型中，索膜分離部分只有一個(gè)膜單元，

在裁剪分析階段這樣的模型精度不夠，建議把索膜分離部分膜單元的網(wǎng)格加密，重新建模，更好地模擬出失去索支撐的膜單元的內(nèi)力重分布情況，由裁剪分析得到的裁剪條元精度更高。本在裁剪分析的模型中，把索膜分離部分膜單元的網(wǎng)格加密，同時(shí)加密為兩個(gè)網(wǎng)格即可滿足精度要求。

2.2 優(yōu)化設(shè)計(jì)方案

建筑師在進(jìn)行膜結(jié)構(gòu)造型設(shè)計(jì)時(shí)，盡量設(shè)計(jì)直徑大于50cm的構(gòu)件式浮動(dòng)環(huán)。這類浮動(dòng)環(huán)因?yàn)橹睆捷^大，應(yīng)力分布相對(duì)較均勻，膜片較易連接，在施工中一般可以避免較大褶皺的出現(xiàn)。

2.3優(yōu)化浮動(dòng)環(huán)節(jié)點(diǎn)做法

由于褶皺產(chǎn)生的直接原因是索頭存在的尺度空間導(dǎo)致脊索在索頭處無法給膜片提供環(huán)向張力，造成索膜分離。若在浮動(dòng)環(huán)的施工做法中，把節(jié)點(diǎn)板向外延伸后再繃膜，減少索膜分離的距離，降低褶皺出現(xiàn)的可能。同時(shí)為了減少繃膜后膜對(duì)懸挑板的剪切力，該做法中增加一個(gè)環(huán)板來抵抗剪切力。

2.4 強(qiáng)化施工安裝階段的監(jiān)測(cè)

傘型膜結(jié)構(gòu)在施工時(shí)，需要用千斤頂頂升支撐桿，初始頂升時(shí)可以適當(dāng)快一些，在接近設(shè)計(jì)標(biāo)高時(shí)，要注意減慢頂升速度，并隨時(shí)觀測(cè)膜面情況，確保膜面?zhèn)髁鶆?。在頂升過程中，要密切注意膜面形狀的變化，遇到膜面受壓時(shí)要停止頂升。同時(shí)在整個(gè)頂升過程中采用位移控制為主，應(yīng)力控制為輔的控制方法，可以保證結(jié)構(gòu)體系最終幾何、應(yīng)力狀態(tài)的正確性。

結(jié)語：

本文對(duì)傘型膜結(jié)構(gòu)浮動(dòng)環(huán)處褶皺產(chǎn)生的原因進(jìn)行了探討總結(jié)并提出降低褶皺產(chǎn)生的措施，以期對(duì)膜結(jié)構(gòu)的施工有一定的參考意義。