張拉索膜結(jié)構(gòu)設(shè)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(qū)域，分別是訓(xùn)練館、比賽館、商服樓。其中，商服樓采用張拉索膜結(jié)構(gòu)，該區(qū)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(yù)應(yīng)力鋼索。

2 張拉索膜結(jié)構(gòu)設(shè)計要點

2.1 膜結(jié)構(gòu)設(shè)計

設(shè)計膜結(jié)構(gòu)的第一步是根據(jù)工程設(shè)計方案確定其形狀。在設(shè)計時，以實用性為基礎(chǔ)，通過受力分析設(shè)計出滿足力學(xué)平衡的空間曲面，在此基礎(chǔ)上還要兼顧外形，追求藝術(shù)性和觀賞性。設(shè)計師綜合運用幾何分析法、計算機(jī)模型法等，確定膜結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的預(yù)應(yīng)力分布情況，避免某點應(yīng)力過于集中而導(dǎo)致膜結(jié)構(gòu)變形、褶皺等問題。完成上述兩步設(shè)計后，基本上得到了符合建筑要求的膜結(jié)構(gòu)框架，最后進(jìn)行荷載態(tài)分析，設(shè)計師通過模擬荷載的情況，觀察膜結(jié)構(gòu)的抗破壞能力，例如在仿真環(huán)境下模擬風(fēng)荷載、雪荷載等，觀察膜材穩(wěn)定性，為下一步膜結(jié)構(gòu)施工提供參考。

2.2 抗拔錨固設(shè)計

抗拔錨固設(shè)計也是張拉索膜結(jié)構(gòu)工程的重要部分。根據(jù)作用形式的不同，可供選擇的錨固體系也有多種類型，設(shè)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(yīng)力，后者存在垂直方向上的剪切應(yīng)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(gòu)件、適用的環(huán)境，以及其受力形式等均存在較大差異。在設(shè)計階段，應(yīng)結(jié)合工程所在地區(qū)的地質(zhì)條件和施工需要加以確定。

3 張拉索膜結(jié)構(gòu)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(shù)量較多，控制其加工精度尤為重要。在制作膜材前，應(yīng)做好以下準(zhǔn)備事項：其一，加工環(huán)境的管理。加工區(qū)域要保證干燥、清潔，不得有高溫?zé)嵩?，防止材料受到熱輻射出現(xiàn)變性問題；其二，加工設(shè)備配備齊全，且工況良好。特別是熱合設(shè)備、裁剪設(shè)備，對加工質(zhì)量有直接影響；其三，熟悉相關(guān)規(guī)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(yù)調(diào)整等。

上述準(zhǔn)備工作結(jié)束后，將準(zhǔn)備好的膜材取出，經(jīng)檢查膜材無質(zhì)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(shè)備代替人工進(jìn)行裁剪。技術(shù)人員提前通過設(shè)備的控制板，輸入平面幾何坐標(biāo)和進(jìn)給速率，由設(shè)備自動完成進(jìn)料、裁剪、下料。之后安排專人隨機(jī)抽樣，檢查裁剪膜片的形狀是否規(guī)則、精度是否達(dá)標(biāo)、尺寸偏差不得超過±0.5%，否則應(yīng)視為廢料。

將裁剪完成且經(jīng)過檢查精度達(dá)標(biāo)的膜片，按照設(shè)計圖紙標(biāo)記好序號，然后逐片粘結(jié)起來。常規(guī)的粘合方法有3 種，分別是縫紉粘合、熱合粘合、機(jī)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(qiáng)度最大，適用于一些大跨度建筑，而熱合粘合效率更高。結(jié)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(qiáng)的粘合力。完成粘合后，進(jìn)行粘合強(qiáng)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(qiáng)度值，標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。

表1 膜材連接處抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值

3.1.2 索和索具

現(xiàn)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(zhì)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(jìn)行預(yù)張拉，其目的是防止發(fā)生非彈性變形。預(yù)張拉的強(qiáng)度為極限強(qiáng)度的50%，持續(xù)約30min，之后進(jìn)行第二次張拉。完成預(yù)張拉后，先安裝索頭，施工人員根據(jù)施工圖紙確定索頭的位置，然后將索的末端插入預(yù)留孔內(nèi)，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(qiáng)度，以實測強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計強(qiáng)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(zhǔn)備

掛膜前的準(zhǔn)備事項中，執(zhí)行嚴(yán)格的質(zhì)量檢驗，例如膜體表面無破損、褶皺或油垢；膜體拼縫粘結(jié)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(guān)注天氣狀況，在風(fēng)、雨天氣下不宜開展高空膜材安裝作業(yè)；還有就是在膜材與鋼構(gòu)架連接等特殊部位，應(yīng)提前安裝拉緊器、夾板。

3.2.2 鋪展和穿索

在施工現(xiàn)場靠近主體工程處，準(zhǔn)備一寬敞、平整空地，搭設(shè)臨時平臺，用于展開膜片。完全展開之后，按照設(shè)計方案，分別將邊索、脊索穿過膜片的邊緣卡口。在穿索時，應(yīng)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(zhì)的U 型卡口劃傷膜片，需要在兩者之間增加橡膠墊片，結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 穿索結(jié)構(gòu)示意圖

3.2.3 掛膜

膜片的吊裝是整個工程的關(guān)鍵點。在現(xiàn)場穿索作業(yè)結(jié)束，并且經(jīng)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(yè)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(yīng)位置，保證精度。掛膜施工中要關(guān)注的技術(shù)要點有：其一，吊升時做好風(fēng)速監(jiān)測，在風(fēng)速超過4 級的情況下不得作業(yè)，防止搖晃發(fā)生碰撞、導(dǎo)致膜片受損。其二，對吊升速度進(jìn)行嚴(yán)格控制。初升時保持慢速，觀察是否平衡，這一階段可以進(jìn)行調(diào)整，并慢慢提速。中間部分勻速上升，最后距離頂部作業(yè)平面2m 左右時，放慢速度，實現(xiàn)平移。

3.2.4 張拉及驗收

膜結(jié)構(gòu)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(yù)應(yīng)力張拉的方式，提高其抗彎能力和結(jié)構(gòu)剛度。張拉作為本次工程中施工關(guān)鍵點，對張拉力的控制十分重要。張拉強(qiáng)度不足，預(yù)應(yīng)力值偏小，就容易出現(xiàn)膜結(jié)構(gòu)褶皺，無法提供相應(yīng)的荷載；相反，張拉強(qiáng)度過高，預(yù)應(yīng)力值偏大，膜結(jié)構(gòu)容易出現(xiàn)拉裂。除此之外，像張拉的強(qiáng)度、維持時間等，也都是施工人員需要關(guān)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(jié)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(shè)計標(biāo)高，從膜內(nèi)形成與張力。其結(jié)構(gòu)如圖3 所示。在張拉結(jié)束后，安排專業(yè)人士對張拉索膜結(jié)構(gòu)的各項性能指標(biāo)進(jìn)行檢測，并對照施工標(biāo)準(zhǔn)及相關(guān)規(guī)范，確定符合要求后完成驗收。

圖3 頂升支撐桿法結(jié)構(gòu)示意圖

4 結(jié)論

在現(xiàn)場大跨度場館建筑中，張拉索膜結(jié)構(gòu)因為具有承重效果好、節(jié)能環(huán)保、外形美觀等一系列特點，有著較為廣泛的使用。在應(yīng)用這一結(jié)構(gòu)時，一方面要結(jié)合工程特點，做好受力分析和結(jié)構(gòu)設(shè)計，保證膜結(jié)構(gòu)的穩(wěn)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(huán)節(jié)，采取嚴(yán)格的技術(shù)管控措施，才能切實保障建筑膜結(jié)構(gòu)的施工效果，在實用性和美觀性上達(dá)到統(tǒng)籌兼顧。