李磊
(秦皇岛广瑞工程项目管理有限公司，河北 秦皇岛 066100)
1 工程概况
某市新建体育馆划分为三个区域，分别是训练馆、比赛馆、商服楼。其中，商服楼采用张拉索膜结构，该区域投影面积4520平方米，展开面积6307 平方米。包含6 根φ325×15 的主柱、18根φ273×12 的边柱，以及80 条预应力钢索。
2 张拉索膜结构设计要点
2.1 膜结构设计
设计膜结构的第一步是根据工程设计方案确定其形状。在设计时，以实用性为基础，通过受力分析设计出满足力学平衡的空间曲面，在此基础上还要兼顾外形，追求艺术性和观赏性。设计师综合运用几何分析法、计算机模型法等，确定膜结构的初始几何形状，然后运用动力松弛法、杆长修正法等，分析该形状下膜结构的预应力分布情况，避免某点应力过于集中而导致膜结构变形、褶皱等问题。完成上述两步设计后，基本上得到了符合建筑要求的膜结构框架，最后进行荷载态分析，设计师通过模拟荷载的情况，观察膜结构的抗破坏能力，例如在仿真环境下模拟风荷载、雪荷载等，观察膜材稳定性，为下一步膜结构施工提供参考。
2.2 抗拔锚固设计
抗拔锚固设计也是张拉索膜结构工程的重要部分。根据作用形式的不同，可供选择的锚固体系也有多种类型，设计方案也不尽相同。比较常用的是阻力锚固体系，具体又分为适用于浅层地面和深层地面的两种类型，前者没有剪切应力，后者存在垂直方向上的剪切应力。其受力模型如图1 所示。
图1 两种阻力锚固体系的受力模型
除此之外，还有抗拔桩锚固体系、锚杆锚固体系以及岩石锚固体系等类型，每一种体系使用到的构件、适用的环境，以及其受力形式等均存在较大差异。在设计阶段，应结合工程所在地区的地质条件和施工需要加以确定。
3 张拉索膜结构施工工艺
3.1 材料的加工制作
3.1.1 膜材
本次工程中所用膜片数量较多，控制其加工精度尤为重要。在制作膜材前，应做好以下准备事项：其一，加工环境的管理。加工区域要保证干燥、清洁，不得有高温热源，防止材料受到热辐射出现变性问题；其二，加工设备配备齐全，且工况良好。特别是热合设备、裁剪设备，对加工质量有直接影响；其三，熟悉相关规范，例如膜材加工前的检验事项、裁剪的方法、张拉伸长率的预调整等。
上述准备工作结束后，将准备好的膜材取出，经检查膜材无质量缺陷后，开始裁剪。本次工程中用量较大的膜材有150cm和200cm 两种类型。为了保证裁剪效率和膜片精度，使用专用设备代替人工进行裁剪。技术人员提前通过设备的控制板，输入平面几何坐标和进给速率，由设备自动完成进料、裁剪、下料。之后安排专人随机抽样，检查裁剪膜片的形状是否规则、精度是否达标、尺寸偏差不得超过±0.5%，否则应视为废料。
将裁剪完成且经过检查精度达标的膜片，按照设计图纸标记好序号，然后逐片粘结起来。常规的粘合方法有3 种，分别是缝纫粘合、热合粘合、机械粘合等。每种方法适用的条件也有差异，例如缝纫粘合的强度最大，适用于一些大跨度建筑，而热合粘合效率更高。结合本次工程的实际情况，选择了热合粘合的方式。在膜片的拼接缝处，采用热焊接的方式，让织物上层的涂层融化，然后施加外部压力，使相邻两块膜片紧密挤压，待冷却后获得较强的粘合力。完成粘合后，进行粘合强度检查。采用抽检的方式，运用双轴拉伸试验直观测定抗拉强度值，标准如表1所示。
表1 膜材连接处抗拉强度标准值
3.1.2 索和索具
现场制作钢索，保证捻制均匀，以紧密无波浪为佳。检查钢丝有无交错、磨蚀、断裂等质量问题，如果有不得使用。所有加工好的钢索，在正式使用前必须进行预张拉，其目的是防止发生非弹性变形。预张拉的强度为极限强度的50%，持续约30min，之后进行第二次张拉。完成预张拉后，先安装索头，施工人员根据施工图纸确定索头的位置，然后将索的末端插入预留孔内，并采用冷浇树脂的方式，将索和索具连接起来。最后，检查索的强度，以实测强度达到设计强度95%为宜。在钢索和索头的外表面，均匀涂刷一层油脂，起到防腐效果。
3.2 膜体的安装
3.2.1 施工准备
挂膜前的准备事项中，执行严格的质量检验，例如膜体表面无破损、褶皱或油垢；膜体拼缝粘结牢固，无空隙、分离；索、锚具均做好防腐处理，且本身无锈蚀问题。除了对基本材料的检查外，还要关注天气状况，在风、雨天气下不宜开展高空膜材安装作业；还有就是在膜材与钢构架连接等特殊部位，应提前安装拉紧器、夹板。
3.2.2 铺展和穿索
在施工现场靠近主体工程处，准备一宽敞、平整空地，搭设临时平台，用于展开膜片。完全展开之后，按照设计方案，分别将边索、脊索穿过膜片的边缘卡口。在穿索时，应检查U 型卡口与膜片是否紧紧连接，且卡口边缘不得有毛刺或缺裂。还有就是为了防止不锈钢材质的U 型卡口划伤膜片，需要在两者之间增加橡胶垫片，结构如图2 所示。
图2 穿索结构示意图
3.2.3 挂膜
膜片的吊装是整个工程的关键点。在现场穿索作业结束，并且经过检查确定钢索与各个卡口均牢固连接后，利用手拉葫芦连接膜片的各个连接点，在保证膜片受力均衡的情况下，缓缓将其提起，直到高空作业平台。在平台施工人员的辅助下，将膜片按照顺序固定到相应位置，保证精度。挂膜施工中要关注的技术要点有：其一，吊升时做好风速监测，在风速超过4 级的情况下不得作业，防止摇晃发生碰撞、导致膜片受损。其二，对吊升速度进行严格控制。初升时保持慢速，观察是否平衡，这一阶段可以进行调整，并慢慢提速。中间部分匀速上升，最后距离顶部作业平面2m 左右时，放慢速度，实现平移。
3.2.4 张拉及验收
膜结构本身没有太大的刚度，特别是对于大跨度的场馆建筑来说，必须通过预应力张拉的方式，提高其抗弯能力和结构刚度。张拉作为本次工程中施工关键点，对张拉力的控制十分重要。张拉强度不足，预应力值偏小，就容易出现膜结构褶皱，无法提供相应的荷载；相反，张拉强度过高，预应力值偏大，膜结构容易出现拉裂。除此之外，像张拉的强度、维持时间等，也都是施工人员需要关注的问题。在张拉方式上，本次工程选择的是顶升支撑杆法。在固定周围节点后，使用液压千斤顶提供升力，推动支撑杆往上移动直到设计标高，从膜内形成与张力。其结构如图3 所示。在张拉结束后，安排专业人士对张拉索膜结构的各项性能指标进行检测，并对照施工标准及相关规范，确定符合要求后完成验收。
图3 顶升支撑杆法结构示意图
4 结论
在现场大跨度场馆建筑中，张拉索膜结构因为具有承重效果好、节能环保、外形美观等一系列特点，有着较为广泛的使用。在应用这一结构时，一方面要结合工程特点，做好受力分析和结构设计，保证膜结构的稳定和安全；另一方面，还要从膜与索的加工制作，膜的裁剪与粘合，索的安装和固定，以及膜体的铺展、穿索和张拉等环节，采取严格的技术管控措施，才能切实保障建筑膜结构的施工效果，在实用性和美观性上达到统筹兼顾。
