张拉膜结构设计

张拉膜结构设计

【摘要】张拉膜结构建筑为广大的结构工程师提供了一个施展高科技设计技

术的全新空间。

【关键词】 找形预张拉应力剪裁设计高科技建筑

1.概况

近十几年来，张拉膜结构建筑以其造型独特的外观，梦幻般的内部空间，充

满了张力的曲线、变幻的膜体、标准化加工的结构构件，高度灵活的支承方式，

为广大的结构工程师提供了一个施展高科技设计技术的全新空间，因此也备受新

一代结构设计师的关注。

张拉膜结构设计时首先应考虑张拉膜结构体系的特殊性，即由于张拉膜、索

结构所使用的主要材料本身不具有基本刚度和形状，只有对膜材施加预张拉应力

才能获得结构承载所必须的刚度和形状，因此要通过调整改变膜材的预张力分布

来获得理想的结构造型，又或者通过改变膜或索的预张拉力比值来实现，从而得

到形态各异的结构。例如，保持索之中的预拉应力不变，增大膜的预张力与索的

预拉力的比值，即增加膜的预张力，所得结构的曲率增大；反之，减小膜的预张

力与索的预拉力的比值，即降低膜的预张力，所得结构的曲面及边界较平坦。在

张拉膜建筑设计过程当中，结构师始终起主要作用，只有这样才能使结构、功能

及审美三方面在设计之中有机结合，充分发挥结构形式所具有的特性。

2.结构选型

张拉膜结构的选型，应根据建筑造型需要和支撑条件等，通过综合分析确定。

通常可选用下列结构形式：整体张拉式、索系支承式、骨架支承式和空气支承式，

或以上形式组合成的结构形式。

3.结构设计

膜结构设计应采用以概率理论为基础的极限状态设计方法，以分项系数设计

表达式进行计算。结构重要性系数应根据结构的安全等级、设计使用年限确定。

根据使用过程在结构上可能同时出现的荷载，按承载能力极限状态和正常使用极

限状态分别进行荷载（效应）组合，并应取各自的最不利效应组合进行设计。膜

结构设计应考虑恒、活、风、雪、顶张力、气压力、温变和支座沉降等作用。膜

面的活载标准值可取0.3kN/㎡。

风载体型系数可按国家标准《建筑结构荷载规范》的规定采用。对于形状复

杂或重要的建筑物，应通过风洞试验或专门研究确定风载体型系数。有条件时也

可通过分析研究确定。

膜结构设计时，应在满足膜面应力平衡的条件下，使结构体系保持稳定。为

避免在风的吸、压力作用下产生变形而导致结构的整体张力体系失效，必须在膜

结构的谷部表面增加稳定压索；又或者为了避免膜结构的脊部应力过大，可以在

脊部紧贴底面增加脊索。稳定索和脊索必须参与相应工况下的整体受力和变形验

算。此外，还应考虑使用阶段部分膜片破坏或部分索退出工作，以及不同部位膜

单元进行第二次张拉或更换对整体结构的影响。

膜结构设计时，可采用下列方法合理施加预张力：在边缘直接张紧膜面【图

a】;l拉紧周围边索【图b】；拉紧稳定索【图c】；顶升中间支柱【图d】。

4.材料选择

膜结构应根据设计要求，选用不同类别和代号的膜材。当有足够的依据时，

膜材的经、纬向抗拉强度标准可采用生产企业提供的数据。拉索可采用热挤聚乙

烯高强钢丝拉索、钢绞线或钢丝绳，也可根据具体情况采用钢棒等。钢丝绳宜采

用无油镀锌钢芯钢丝绳。钢绞线、钢丝绳、热挤聚乙烯高强钢丝拉索及其锚具的

质量应符合我国相关规范和现行行业标准的规定。锚具与索连接的抗拉强度，浇

铸式不得小于索抗拉强度的95%；压接式不得小于索抗拉强度的90%。

5.结构计算

膜结构应进行初始形态分析(找形)、荷载效应分析、裁剪分析，必要时换应

进行施工过程验算。初始形态分析可采用非线性有限元法、动力松弛法和力密度

法等；荷载效应分析可采用非线性有限元法和动力松弛法。计算时应考虑结构的

几何非线性，可不考虑材料非线性。结构计算中可考虑膜材的各向异性。计算模

型的边界支承条件应与支承点的实际构造项符合，对于可能产生较大位移的支承

点，在计算中应考虑支座位移的影响，或与支承结构一起进行整体分析。

对膜结构中的索、膜构件，可不考虑地震作用的影响；支承结构的抗震设计，

应按照国家有关标准的规定执行。初始形态分析应满足边界条件和合理预张力的

要求，并满足建筑造型和使用功能的要求。

索、膜构件的预张力值应根据膜材类型、膜面荷载、可能产生的变形以及施

工等因素确定。预张力值必须保证在第一类荷载效应组合下，所有索、膜构件均

处于受拉状态。

膜结构的荷载效应分析，应在初始形态分析确定的几何形状和预张力的基础

上，考虑各种可能的荷载组合情况对膜结构内力和变形的影响。当计算结果不能

满足要求时，应重新确定初始形态。

计算膜、索的内力和位移时，应考虑风荷载的动力效应。对于形状较为简单

的膜结构，可采用乘以风振系数的方法考虑结构的风动力效应。对骨架支承式膜

结构，风振系数可取1.2～1.5；对整体张拉式伞形、鞍形膜结构，风振系数可取

1.5～2.0。

对于跨度较大、风荷载影响较大的或重要的膜结构，应通过动力分析或气弹

性模型风洞试验确定风荷载的动力效应。

在各种荷载组合下，膜面各点的最大主应力应满足下列要求：

式中 —在各种荷载组合作用下的最大主应力值；

—膜材抗拉强度标准值；

—强度折减系数；对处于一般部位的膜材 =1.0；对处于连接点处和边缘部

位的膜材 =0.75；

—膜材抗力分项系数，对第一类荷载效应组合 =5.0；对第二类组合 =2.5。

6.剪裁设计

膜结构的裁剪分析应在初始平衡曲面的基础上，在空间曲面上确定膜片间的

裁剪线，然后获得与空间膜片最接近的平面展开膜面。确定膜结构的裁剪线，可

采用测地线法和平面相交法等。确定裁剪线时应考虑下列因素：裁剪线布置的美

观性；根据膜材幅宽，尽量有效利用材料；适应膜材正交异性的特点，使膜材的

纤维方向与计算的主受力方向一致。膜结构的裁剪分析中必须考虑初始预张力和

膜材徐变特点的影响。应根据所用膜材的材性，合理确定各膜片的收缩量，并对

膜片的裁剪尺寸进行调整。当采用搭接方式时，设计的裁剪片应预留搭接宽度。

7.空气支承膜结构设计要点

空气支承膜结构的内部压力，应保证在各种荷载作用下满足结构的强度和稳

定性要求。设计时应合理确定膜结构的最大、最小工作内压和正常工作内压。最

大工作内压应保证在最不利的外界环境条件下，结构不会出现过大的变形。最小

工作内压应保证在正常气候条件和正常使用条件下结构的稳定，并应保持室内环

境的舒适度，其值不应小于200Pa。

8.连接构造

拉索的锚锭系统可根据具体情况采用重力锚、盘形锚、蘑菇锚、摩擦桩、拉

力桩、阻力墙等类型。拉索锚锭的抗拔承载力应根据锚锭形式、地基条件等，经

现场勘查和土质定。

9.实例

右图为广东金融学院膜结构工程，膜面采用双弧形钢结构骨架的支承形式，

整体为钢索+L型截面构件组成的钢膜结构。膜面的整体找形由双弧形钢梁进行

约束固定，为免风吸力作用下失去整体张力而造成结构失效，膜面增加一道由双

钢索组成的压索。由于膜材普遍具有徐变效应，以及张拉后产生弹性变形的特点，

因此建模计算时需考虑预张拉状态下膜材的短期和长期徐变的预伸长率，而这个

预伸长率的取值又对膜结构的张拉应力和剪裁成形产生非常大的影响，因此根据

具体膜材的特性而合理取值。本工程采用的是不产生张拉变形的双向预张拉PVC

膜材，预张力的取值只与荷载作用下的结构变形程度以及膜材的抗拉强度有关。

采用力密度法计算各工况下膜面压索的张拉力和膜边节点在X、Y、Z方向作用

力，并将其导入钢结构计算设计软件进行计算机辅助设计。本工程以膜材、组合

钢梁、钢索为主要受力构件，其结构造型和受力形式非常合理，因此在实现大跨

度、大空间和双弧线等建筑效果的同时，大大节省了结构的钢材用量，比其他形

式的结构，无论在建设周期、造价、环保等方面均具有全方位的优越胜。

注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。