膜结构是以性能良好的织物为材料, 用柔性拉索或刚性骨架将膜面通过预张力绷紧, 也可向膜内充气, 通过空气压力来支撑膜面, 从而形成具有一定刚度并能覆盖较大空间的体系。20世纪70年代以来, 膜结构在国外已逐渐推广应用于各类空间结构中, 近年来, 在我国也得到了较快的发展。

(1) 整体张拉式膜结构:由桅杆或立杆等支撑构件提供吊点, 并在周围设置锚固点, 通过张拉而形成稳定的体系。

(2) 骨架支撑式膜结构:由钢构件或其它刚性构件作为承重骨架, 在骨架上布置按设计要求张紧的膜材。

(3) 索系支撑式膜结构:由空间索系作主要承重骨架, 在索系上布设按设计要求张紧的膜材。

(4) 空气支撑膜结构:应具有密闭的充气空间, 并应设置维持内压的充气装置, 借助内压保持膜材的张力, 形成设计曲面。

(5) 组合膜结构:由以上形式组合而成的膜结构。

由于膜材自身的特点, 使膜结构建筑物、构筑物具有很强优势、突出特点。

膜材具有一定的透光性, 白天可减少照明强度和时间、节省能源, 夜间通过各色灯光投射形成漂亮的夜景。膜材屋面重量仅达常规钢结构屋面的三十分之一, 故降低了其承重骨架及基础的造价。膜结构独特的造型和绚丽的夜景形成标志性, 达到很好的广告效应和商业效果。

膜材重量只有0.01k N/m2, 很轻, 因此, 可实现很大的抽柱大空间, 使得建、构筑物内部空间开敞、舒适。

膜结构自重较小, 地震对结构的影响也很小, 故设计时可不考虑地震作用, 但地震对其支撑结构的影响虽不是很大, 也应考虑, 因而其安全性也相当高。发生灾难时, 其宽敞明亮的大空间可作为临时的避难场所、急救中心、抗震救灾指挥部等。

膜结构所有裁剪加工和制作均在工厂内完成, 现场仅安装、张拉, 大大减少现场施工时间, 避免施工交叉, 极大地缩短工期。

膜结构设计时首先要理清需考虑哪些荷载。恒荷载:膜面的活载标准值可取0.3k N/m2;在风荷载作用下极易产生变形和风振现象, 使膜材撕裂破坏, 因此, 风荷载是膜结构的主要荷载。膜结构自重较小, 柔度大, 自振频率很低, 因此, 其地震作用较小, 可不考虑, 但地震对其支撑结构的影响应考虑;雪荷载, 作为屋面的膜结构多为负高斯曲率曲面, 结构上所受的雪荷载多为非均匀分布, 因此应根据不同的曲面形状、曲率变化调整荷载分布系数;还有就是对膜材施加的由膜材类型、膜面荷载、可能发生的变形和施工因素等决定的预张力。

按承载力极限状态设计膜结构时, 应该考虑荷载效应的基本组合, 采用荷载设计值和强度设计值进行计算, 分两种荷载效应组合:第一类组合是在恒载、活荷载与雪载的较大值、初始预张力三者作用下的组合;第二类组合是在恒载、风荷载、活荷载与雪载的较大值、初始预张力作用下的组合或在恒载、风荷载、初始预张力作用下的组合或在恒载、风荷载、温度作用、支座不均匀沉降或施工荷载等作用下的组合。按正常实用极限状态设计膜结构时, 应该考虑荷载效应的标准组合, 采用荷载标准值、组合值和变形限值进行计算。

初始形态分析, 是膜结构设计的重点和难点, 需要根据造型需求和膜材特点找出最合理的空间形体, 实际上是确定结构中预张力大小和分布的过程。设置预张力时应保证在正常使用状态下膜材不会因为荷载、温度、徐变等作用而产生松弛现象, 并且要保证膜材在极端气候条件下设计应力不得大于最大应力, 同时还要考虑膜结构施工 (安装及张拉) 时的方便性及易实现性。膜结构在初始平衡曲面内预张力是自相平衡的。初始形态分析宜首先寻找应力均匀分布的最小曲面 (即为等应力曲面) , 找不出最小曲面时再寻找应力不均匀曲面 (即为非等应力曲面) 。常用的初始形态分析方法为:力密度法、动力松弛法和非线性有限元法。

膜结构的受力分析通常是应用非线性有限元法计算在自重、雪载、活载、风载、预张力温度作用、支座不均匀沉降或施工荷载等组合作用下的效应。在外荷载的作用下, 薄膜中一个方向的应力增加, 而另一个方向的应力减少, 这就要求所施加的顶张应力, 一方面要在第一类荷载组合作用下膜中应力不能减少到维持膜结构曲面形状所需的最小应力值 (一般取25%的初始预张力) , 即膜面不得出现松弛, 在第二类荷载组合作用下膜面由于松弛而引起的皱褶面积不得大于膜面面积的10%;另一方面在最不利荷载作用下, 也不能让膜材中应力过大而使膜材强度储备过小甚至让膜材的最大主应力超过其抗拉强度设计值。因此, 初始预应力的确定要通过荷载计算来完成, 当然还要同时考虑施工过程中产生的附加应力。

膜结构设计中, 除了保证结构体系的整体稳定外, 还应保证在局部膜材破坏或局部索退出工作时不致引发结构整体失效。索是膜结构中很重要的受力构件, 必须保证索在第一类荷载效应组合作用下始终处于受拉状态, 同时在第二类荷载效应组合作用下索若因进入受压状态而退出工作, 结构也不应失效而变为机动体。由于膜材在拉应力作用下存在松弛、徐变等问题, 张拉式膜结构在正常使用1~2年后常进行第二次张拉, 结构设计时应考虑二次张拉对结构整体的影响。

造型膜曲面是先将满足要求幅宽的膜材裁剪成膜片, 然后将膜片相互连结、张拉形成曲面。膜片间的连接线为裁剪线。确定平面裁剪膜片的关键是如何将已知的空间膜面尽可能精确地展开成平面要裁剪的膜片, 而且还必须同时考虑预张力释放后的几何尺寸改变。裁剪分析的原则是:平面膜片拼接为曲面时, 浪费的膜材最少, 拼后形成的曲面同初始形态分析时初始曲面吻合, 而且预应力的偏差也要最小。裁剪线处易产生应力集中, 所以应尽量保证裁剪线和膜材纤维正交, 使主应力方向和膜纤维方向一致, 裁剪线避免受剪。

膜结构的初始形态分析、荷载效应分析和裁剪设计 (此外还有初始预张力、施工工艺等) 是一种相互影响和牵制的过程, 需反复调试。现在常用的膜结构设计软件有:上海同济大学的3D3S、上海交通大学的SMCAD。

山西省太原市长风西收费站收费棚索系支撑式膜结构工程, 钢结构设计使用年限为50年, 膜结构材料为10年以上的保质期。在整个设计年限未满之前, 如果膜材破坏, 允许更换膜材。安全等级为二级。基本风压:0.40k N/m2, 基本雪压:0.35k N/m2。抗震设防烈度为8度 (0.20g) 。分析设计软件:上海交通大学SMCAD。设计于2009年。

本膜结构是由多组固定于八根立柱上的、张拉紧的脊索谷索交替组成有规律的连续负高斯曲面, 并在膜棚两端分别用四根固定于柱上的张紧的斜索拉住悬挑端。

2009年11月10~12日的一场连下三日的大雪造成太原环城高速收费站膜结构收费棚 (小店北收费棚、滨河收费棚、向阳店收费棚、长风收费棚) 部分破坏和结构安全隐患。造成破坏的原因主要是雪载达到荷载设计规范50年一遇的0.35k N/m2的1.65倍, 另一个原因:膜结构初始形态分析的曲面特点, 形成曲面拱起, 陡坡区域积雪曲面低洼、平缓区域集中, 因此膜面容易形成布袋效应和应力集中, 而布袋效应和应力集中是造成膜结构破坏的主要破坏形式。其中小店北收费棚膜结构破坏最严重, 由于布袋效应的不均匀导致一个膜包的小立杆失稳倒下, 进而引发其中的一个索节点板撕裂, 最后由于骨牌效应引起整个膜面都坍落下来, 但主骨架基本未受影响。向阳店收费棚两侧人字飞柱两面膜材也因布袋效应撕裂较重, 长风和滨河收费棚单帽较高较大, 膜面陡, 雪载堆积不太大, 但膜和索松弛严重, 局部调整即可。

以上事件的发生提醒我们在以后的设计、施工、维护和保养方面应特别注意以下问题:

(1) 现在极端气候比较多, 我们在以后设计膜结构时能否将雪载、风载加大考虑?当然应事先与建设方沟通好, 以免被抱怨太浪费。

(2) 顶膜包的立杆尽量不要支撑在刚性桁架或柔性索上, 尤其是支撑在柔性索上, 受力稍有不平衡, 很容易失稳破坏。如无法避免, 应以各种不利情况去复核其稳定性, 采取加强稳定措施。

(3) 施工时务必按设计要求购料、实施, 确保材料质量和施工质量, 小到一个节点板、一个栓钉都不能疏忽。很多情况就是因为一个不引人注意的、小小的节点板或栓钉的破坏引发整个结构的破坏甚至是倒塌。

(4) 按《膜结构技术规程》CECS158:2004要求进行维护和保养。张拉式膜结构在正常使用1~2年后需进行第二次张拉。

(5) 到目前为止, 我们仍无合适的融雪、除雪设备, 运营方也未能在暴雪后积极、及时地组织人员人工除雪。若能做到了及时除雪, 也就免于上述事故。

膜结构工程近年来在我国得到迅猛的发展, 其中不乏失败的案例, 我们应从成功中总结经验、从失败中吸取教训, 对膜结构做深入、细致、广泛的研究, 笔者相信膜结构技术定会日臻完善, 以满足我国迅速发展的大空间的功能需求。