探析多跨连续预应张拉索膜的施工安装技术

建筑结构

探析多跨连续预应张拉索膜的施工安装技术

摘要：张拉膜结构这种新型的建筑结构形式具有节能环保、形态新颖而倍受建筑师们的青睐。在２００８年奥运会场馆“鸟巢”及

２０１０￣７上海世博会中膜结构得到了广泛的应用，从而对我国的膜结构行业产生了深远的影响，使得膜结构的前景非常广阔。从上世

纪９Ｏ年代开始国内只少量的骨架式膜结构，直到今天，随着技术的进步，膜结构建筑变得越来越复杂，尤其是多跨连续预应力张拉膜

结构被应用到实际Ｘ－程中，这就对多跨连续预应力张拉膜结构的安装提出了较高的要求。本文以台州学院风雨操场屋顶索膜结构

工程（以下简称“风雨操场”）为例，探讨预应力索膜结构的施工安装技术，希望本文能够给同行提供一点借鉴。

关键词：索膜结构；预应力；索网结构

１．工程概况

索、膜边索、膜内索组成索网，并安装到主、次桅杆顶端相应连接板上。安装过

程中辅以临时支撑结构确保结构稳定。

风雨操场位于浙江省台州市台州学院椒江校区，为张拉膜结构，脊谷形。

第二步：调整主、次桅杆后的张拉拉索内力（通过计算机有限元软件模拟

采用张拉索网和桅杆作为主要承载受力体系，整体长１７２ｍ，宽５６ｍ，膜体面积 分析得出主、次桅杆后的拉索内力），使得索网内的应力逐渐增加至膜面应力

９７６１平方米，具体见下图１。

趋近于零的状态。此时可拆除临时支撑结构，因整个索网已施加了部分应力，

已有自身刚度，能够保持整体稳定。

第三步：对称安装膜体，由中间向二边对称安装的顺序进行，膜体采用专

用张拉工具张拉，安装到索网上。

第四步：调整主、次桅杆后的拉索张力，逐步增加索网应力，最终达到设

计应力。此步骤需多次重复。因整个索网单元是以柔性连接，张力是连续传递

图１：结构三维轴测图及立面图

的，故相邻单元之间的影响较大，而同时进行张拉所投人设备无法满足，故只

本工程按材料不同，整个结构可分为钢结构桅杆、张拉索、张拉膜三部分：

能循序渐进，多次重复调整。在本工程中预应力施加分三次重复：３０％、６０％、

钢结构：主桅杆ｌ８根，采用０５５０ｘ２５ｍｍ（端部３０ｍｍ），次桅杆２４根，采用０

１０５％ ＣＯｎ，自中间向两边，对主桅杆循环张拉。

２７３ｘ１０ｍｍ。张拉索：材质为锌一５％一混合稀土合金镀层钢丝、钢绞线，钢丝强度

为１５７０ＭＰａ级，防腐为Ｂ级。主要有脊索ｓ１、谷索ＭＳ１、后拉索￥２／￥３／￥４，边界索

５．材料Ｊｊ￣－ｒ对预应力控制的影响

ＭＳ２／ＭＳ４／ＭＳ５等，拉索按其是否可调及作用分为主受力拉索及辅助受力索。

５．１．张拉索加工制作控制及索网空间形态控制对预应力的影响

其中主受力索为脊索、谷索及后拉索，均不可调节。其它均为辅助受力索，可 （１）钢索加工制作的精度对前期预应力的控制起到至关重要的作用，前

调节。膜体：整个项目为分ｌ８个单元膜体，中间ｌ６个单元规格为９＂５６ｍ，边跨 期索网内的应力分布主要靠控制索长，所以钢索制作前需对钢丝绳进行预张

单元为１４＂５６ｍ，材质为进口乳白色ＰＶＣ膜材。

拉，下料长度根据应力作用下的钢索伸长量确定，制作完成后对整个索体进

２．施工难点分析

行超张拉，确保应力状态下索长与设计相符。拉索长度为销轴中心到销轴中

心的距离，但需考虑如下因素并对拉索长度进行调整：拉索调整长度＝制作偏

风雨操场的结构受力体系不同于传统的钢结构。传统钢结构形式以钢

差＋零应力调整值＋温度调整值＋设计孔径调整，正值调增，负值调减。

柱、钢梁形成多次超静定的空间稳定框架，施工过程中所有构件以零应力状

制作偏差：根据设计图纸及相关规范要求，拉索长度不同，允许偏差也不

态组装成静定或超静定结构，自成稳定体系。而风雨操场是以张拉索网及钢

相同，为此需复核制作与设计偏差。

结构桅杆作为主要承载受力体系，张拉索网在无应力状态时则无刚度。钢结

制作偏差：拉索设计长度—拉索实测长度。

构桅杆的根部采用纯铰接连接，其本身也是可变体系。只有当张拉索网内施

零应力调整值：根据虎克定律公式口＝Ｅ￡及￡＝△Ｌ／Ｌ＝（Ｌ１一ＬＤ），Ｌ得Ｌ０＝

加一定的预应力后，与钢结构桅杆协同受力才能具有刚度，从而形成稳定体

ＩＪ１一 口／Ｅ，计算出零应力状态下拉索长度。

系。施加预应力是整个施工过程中的难点，下面从预应力施加方案比选、预应

温度调整值：结构安装温度不一定是标准的２０℃，根据线膨胀系数公式

力的施加步骤、材料加工对预应力施加的影响及计算机数值模拟在工程的应

ｄ：ＡＬ／（Ｌ＊Ａ ，钢材线膨胀系数１２＂１０—６ｆＣ，得出在温度变化１０℃时，温度

用四个面进行阐述。

调整值△Ｌ＝ｄ・Ｌ。

３．预应力施加方案比选

孔径调整：桅杆连接耳板与索具销轴直径之差为３．５～４．５ｍａ，因此安装

时，必须考虑，设计长度需扣减３．５～４．５ｍｍ。

结构预应力施加包括索网预应力施加和膜面预应力施加两个过程。两个

（２）由于整个索网施工阶段其空间形态变化很大，而索网形态直接影响

预应施加过程可同步施加，即索、膜一次性安装，共同张拉施加预应力；也可

索网内力分布，所以控制索网的空间形态显得尤为重要，目测往往偏差太大。

分步施加，即先将索网张拉至膜面应力趋近于零的状态，再将膜体安装到索

经过分析决定设置一个完整的测量控制网，测量整个索网在空间上形态。但

网上，再次张拉索网，调整预应力的大小至设计值。经过深入的研究分析，发

由于整个索网在风力作用下抖动较大，测量非常困难。经过数学模型分析，只

现索膜应力同步施加存以下风险：

要索网长度值一定，索网的空间形态是由支撑点的空间坐标决定的，最终决

第一：膜单元面积较大，如果利用膜和索网来共同传递张力，在整个长度

定选择桅杆顶作为控制观测点，采用全站仪全程跟踪测点空间位置，与设计

方向上张力是连续传递的，传递路径太长，很容易造成膜面应力不均，在脊索

值进行比较，以确保所有控制均在相应的设计位置，才能保证整个索网体系

与副脊索交接处等膜体角部会产生超张拉，从而使膜体损坏。

内力达到预设要求。待索网张拉、膜体安装初步成形后，再通过仪器测量索网

第二：在整体张拉前膜体须全部安装在索网上，此刻索网及钢结构桅杆

的内力，与设计内力进行比较，以精确控制索网实际内力。

均处于零应力状态，整个结构采用临时支撑确保结构处于稳定状态，如果此

５．２．膜体裁剪及张拉控制对预应力的影响

时恰逢大风、暴雨天气，对整个膜体来说将是毁灭性的灾难。

（１）膜片裁剪补偿：由于膜体边界均为固定边界，且与整个索网成一整

经过仔细分析利弊，最终确定采用分步施加预应力的方案。

体，膜体预应力的施加主要依靠膜片裁剪补偿，即缩小膜片，通过索网的张力

４．预应力施加步骤

来使膜体张紧至设计位置。需考虑膜片裁剪补偿及焊接收缩变形，焊接后膜

体边界尺寸小于其设计长度，精确测定膜材的弹性模量、选取合理的裁剪补

第一步：首先将所有钢索长度调整到零应力态下的设计索长，将脊索、谷

偿值是保证膜体预应力的关键。