膜结构技术规程的编制及主要内容.doc

膜结构技术规程的编制及主要内容蓝 天（中国建筑科学研究院结构所 北京100013）摘要本文介绍了膜结构技术规程的编制背景及主要内容。文中首先论述了膜结构的发展以及国外技术规程的编制情况，接着介绍了本规程的编制过程，并按基本规定、材料、结构计算、连接构造、制作与安装、维护和保养等介绍其主要内容。关键词膜结构 技术规程11 前言膜结构是建筑结构中最新发展起来的一种形式。自从二十世纪七十年代以来，膜结构以其造型新颖、质轻透光等优点在全世界范围内得到了推广应用，已成为体育建筑、会展中心、商业设施、交通站场等屋盖的主要选型。它是以性能优良的织物为材料，或是向膜内充气，通过空气压力来支承膜面，或是利用柔性拉索或刚性支承结构将膜面绷紧，从而形成具有一定刚度、能够覆盖较大空间的结构体系。作为一种真正的现代膜结构，一般都以1970年日本大阪博览会中的美国馆作为标志。这个拟椭圆形（140m83.5m）的展览馆是世界上第一个大跨度的空气支承膜结构。此后膜结构不胫而走，以美国庞提亚克的“银色穹顶”为代表的大型体育馆，在北美就建了九座。其结构形式都是扁平外形的钢索加强空气支承膜结构，覆盖材料采用了当时最先进的聚四氟乙烯（PTFE）涂层的玻璃纤维织物。作为空气支承的替代，出现了一种膜结构的新形式，即以膜材、索和少量杆件组合的“索穹顶”。它首先用在1988年韩国汉城奥运会的体操馆与击剑馆，（圆形，直径分别为120m和93m）。其后又在一些体育建筑中得到推广，例如1996年美国亚特兰大奥运会的“佐治亚穹顶”，拟椭圆形的尺寸达240m190m，成为世界上最大的室内体育馆。从面积来说，沙特阿拉伯吉大机场候机大厅的整体张拉式膜结构占地44万m2，由210个45m45m的伞形单元组成，堪称世界之极。2000年在英国伦敦建成了直径达320m的“千年穹顶”，它以12根穿出屋面高达100m的桅杆，悬吊面积8万m2的膜材屋盖。在新旧世纪交替之际，人们以膜结构来显示当代建筑技术与材料科学的发展水平。中国的膜结构与国外先进水平还有比较大的差距。其主要原因是长期以来在一般人的观念上都把膜结构看作是帐篷之类的临时性建筑，很少在实际工程中采用。加上膜结构技术没有普及，建筑织物在国内没有适用的产品，1996年之前膜结构在中国几乎是个空白。近几年来，由于受国外建筑的影响以及先进技术的引进，在膜结构的应用上呈现了活跃的趋势。以体育场为主，一批不同跨度、形式各异的膜结构已在全国各地建成，后计总面积已达到100万m2,并且以每年20%的速度增长。我国高等学校和科研单位对膜结构所进行的研究与开发，建立了一定的技术储备，一批自己的设计和施工企业已初具规模，这一切都为中国膜结构的飞跃发展打下了基础。2 国外技术规程要推广一种新型结构，一个重要的措施就是要制定相应的标准规范作为设计与施工的依据。目前世界上一些国家，如美国、法国、日本等都已经或正在编制有关膜结构标准规范的技术文件，有些则是以指南或建议的方式出现。早在1985年，国际薄壳及空间结构学会（IASS）曾出版了气承式结构建议。美国土木工程学会在1997年发布了气承式结构标准（ASCE17-96），这些都是围绕气承式空气膜结构（一般称充气结构）的规定。最近美国土木工程学会又出版了张拉织物结构，是针对膜结构的指南性读物。1997年法国公布了覆盖织物的永久性结构概念设计建议。在日本，所有建筑物的设计都应遵守建筑法规的规定，但其中对于膜结构没有具体的条文，膜结构长期以来被看作是临时性建筑，通过对膜结构标准规范所做的大量工作，1987年，日本膜结构协会颁发了特定膜结构技术标准，将膜结构的应用面积扩大到3000m2，超过此面积的膜结构，只要通过日本建筑中心膜结构评估委员会的鉴定，就可在工程中应用，这样就为膜结构进入永久性建筑打开了大门。2003年在建筑法规的基础上颁发了膜结构建筑物及膜材等技术标准。近年来膜结构在我国也开始逐渐推广。目前广大技术人员对膜结构还不熟悉，急需技术规程作为指导。同时有不少企业已经或准备进入膜结构的制作安装，技术规程将有助于保证其工程质量，并作为工程验收的依据。此外，管理部门、建设单位、监理单位等对此也都有迫切的要求。因此，对膜结构提供一本包括设计、制作、安装与维护的指导性文件是适时的、必要的，这必将使这种新型结构在建设中有章可循，得以健康发展。3 编制过程鉴于膜结构在我国的不断发展，2001年7月中国钢结构协会空间结构分会为酝酿编制一本膜结构的规程，在北京召开了筹备会议。会议对编制规程的必要性、主要内容和初步工作计划进行了讨论，并建议分会通过轻型钢结构标准技术委员会向中国工程建设标准化协会，以索膜轻型房屋结构技术规程的名称申请立项。随即协会复函同意先行开展编制工作，以后再正式列入计划。编制组于2001年9月正式成立，并在北京举行了第一次编制工作会议。本规程由空间结构分会委托中国建筑科学研究院为主编单位，参加编制工作的有：哈尔滨工业大学、浙江大学、北京工业大学、同济大学、上海现代建筑设计集团、北京纽曼帝莱蒙膜建筑技术公司、北京光翌膜结构建筑工程公司、上海豪普空间膜结构工程公司以及上海太阳膜结构公司北京分公司（后增补）等九个单位。2001年10月，中国工程建设标准化协会以（2001）建标协字第45号关于印发中国工程建设标准化协会2001年第二批标准制修项目计划的通知下达了本规程的制订计划。规程举行了四次编制工作会议，会议对规程的名称进行了讨论，认为本规程中的“膜结构”应给予更广泛的含意，一致同意定名为“膜结构技术规程”。每次会议都对规程的内容进行了认真的讨论，并数易其稿，其间还向全国各有关单位广泛征求意见，于2003年12月举行的规程审查会上通过了专家审查。其后编制组又按审查会议提出的意见，以及中国工程建设标准化协会对报批稿的审查意见进行了修改与完善，终于完成。规程已由中国工程建设标准化批准，编号为CECS 158：2004，并于2004年8月1日施行。4 主要内容4.1 基本规定首先需要将本规程中所称的“膜结构”予以定义，这是泛指所有采用膜材及其支承构件（如拉索、钢骨架等）所组成的建筑物和构筑物。因此规程中的“膜结构”，不单指结构，有时也指建筑物，例如3.2节的建筑设计以及10章的维护和保养。这种概念已在工程实践中被广泛接受。关于膜结构的选型牵涉到各种形式，在国内外文献中对膜结构的形式存在着多种不同的分类方法，如张力膜结构、悬挂膜结构、复合膜结构等等，不一而足。这次规程按膜材及其相关构件的受力方式分成以下四种形式，是一种比较科学的分类方法。（1）整体张拉式膜结构，可由桅杆等支承构件提供吊点，并在周边设置锚固点，通过预张拉而形成稳定的体系（图1）。这种膜结构主要由索和膜构成，两者共同起承重作用，通过支承点和锚固点形成整体。（2）骨架支承式膜结构，由钢构件或其它刚性构件（如拱、刚架）作为承重骨架，在骨架上布置按设计要求张紧的膜材，后者主要起围护作用。（图2）（3）索系支承式膜结构由空间索系作为主要承重结构，在索系上布置按设计要求张紧的膜材（图3）。这种膜结构主要由索、杆和膜构成，三者共同起承重作用。在通常所称的张拉整体（tensegrity）结构中，如采用膜材，即属于索系支承膜结构。另外，比较流行的索穹顶结构也属于此类。（4）空气支承膜结构，具有密闭的充气空间，并设置维持内压的充气装置，借助内压保持膜材的张力，形成设计要求的曲面（图4）。 图1 整体张拉式膜结构图2 骨架支承式膜结构图3 索系支承式膜结构图4 空气支承膜结构按照国家标准建筑结构可靠度设计统一标准GB 50068的规定，所有结构设计都应采用以概率理论为基础的极限状态设计方法。由于膜结构的特点，有一些问题和传统结构是不一样的。首先是结构重要性系数，这是根据结构的安全等级和设计使用年限来确定的。对于一般工业与民用建筑膜结构，其安全等级多为二级，其设计使用年限多为50年，因此其结构重要性系数不应小于1.0；对于设计使用年限为15-25年的易于更换膜材的膜结构，其结构重要性系数可适当降低，取为不小于0.95；对于设计使用年限为5年的临时性的膜结构，其结构重要性系数可取不小于0.9。应该指出，膜结构下部的钢或钢筋混凝土承重结构，其设计使用年限仍可采用50年，当膜结构达到设计使用年限时，可以更换膜材，从而达到与下部结构同样的设计使用年限。其次是荷载效应的组合，当今我国的膜结构设计都参照国外的设计规范进行，荷载组合采用长期与短期两种情况（日本规范称为持久与临时荷载），并分别规定了不同的安全系数。由于膜结构受力具有较强的几何非线性，其各项荷载效应不能进行线性组合，因此规程规定采用如表1的两种组合类别，其中，第一类组合相当于长期（持久）荷载组合，第二类组合相当于短期（临时）荷载组合，并以抗力分项系数进行调节。表1 荷载效应的组合组合类别参与组合的荷载第一类组合G，Q，P(p)第二类组合G，W，P(p)G，W，Q，P(p)其它荷载效应组合注：1）表中，G为恒荷载，W为风荷载，Q为活荷载与雪荷载中的较大者，P为初始预张力，p为空气支承膜结构中的气压力。2）荷载分项系和荷载组合值系数的取值，应符合建筑结构荷载规范GB50009的规定：P、p的荷载分项系数和荷载组合值系数可取1.0。3）“其它荷载效应组合”是指根据工程具体情况，温度作用、支座不均匀沉降或施工荷载等亦参与组合。另外还应考虑膜结构的整体设计，除了在满足膜面应力平衡条件下保证结构体系的整体稳定外，还应保证在局部膜片破坏或局部索退出工作时不致引起结构整体失效。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年后需要进行第二次张拉，结构设计时应考虑二次张拉对结构整体的影响。此外由于材料自身存在老化问题，各类膜材均有一定的使用年限。对于永久性建筑，当膜材达到使用年限或部分膜片在使用期间出现破损时，需要进行更换，这一点在结构整体设计时宜予以考虑。4.2 材料膜结构所用的建筑织物是一种以基材和外敷涂层、面层组成的复合材料。基材为膜材提供抗拉与抗撕裂的强度，而涂层、面层则是对外界的天气、紫外线以及火等起防护作用。目前常用的膜材有二种：（1）基材采用聚酯，以聚氯乙烯（PVC）为涂层，它具有较高的强度，但弹性模量较低、材料尺寸稳定性也略差。这种膜材的优点是价格便宜、加工制作容易，如果不要求透光，有多种颜色可供选择，但耐久性较差，使用年限一般为5-10年，可用于中小跨度的临时性或半临时性建筑。聚氯乙烯涂层的织物在大气尘埃和紫外线作用下容易变色、显得污浊、透光率降低而影响膜材的使用年限。为了改进其性能可再加一层面层，常用的有聚偏氟乙烯（PVF）与聚偏二氟乙烯（PVDF）。这样可将其使用年限提高到15年，在永久性建筑中也可使用。（2）基材采用玻璃纤维，以聚四氟乙烯（PTFE，商品名Teflon）为涂层。玻璃纤维织物的强度高，在高应力和温度变化条件下不易伸长或松弛，具有良好的材料尺寸稳定性。它属于不燃材料，对防火有利，经过测试和实践经验证明，耐久性也很好，使用年限可在25年以上。此外，良好的自洁性使膜材始终保持亮白的色彩和较高的透光率。这种膜材适用于大跨度永久性建筑，不足之处是价格昂贵，对加工制作有较高的要求。这二种膜材的性能对比列如表2规程将常用膜材按其基材分为G类（玻璃纤维）和P类（聚酯纤维）两大类，再按其不同的涂层与面层分别给予代号。根据当前国内外生产厂所提供的膜材品种，按其抗拉强度以及相应的重量与厚度加以分级，设计时应根据结构承载力选用不用级别的膜材。规程中专门列表分别给出G类和P类各级膜材的抗拉强度值，在设计中可作为抗拉强度标准值采用。本规程采用以概率理论为基础的极限状态设计方法进行设计，但由于对膜材的强度尚无条件进行数理统计，因此表中的数值还不是经过统计而得的保证率为95%的抗拉强度标准值。当生产厂有条件对其膜材产品提供具有95%保证率的抗拉强度统计数据时，在设计中允许采用高于表中的数值作为抗拉强度标准值。7膜材类别质量保证期（年）预计使用年限（年）反射率（%）透光率（%）自洁性耐火性价格比基材涂层面层聚酯PVCPVF10-1515-2075-856-13良良100PVDF10-1215-2075-856-13较好良100玻纤PTFE-10-152570-808-18优优300-400表2 常用膜材性能对比注：反射率及透光率均指白色的聚酯纤维膜材4.3 结构计算膜结构应进行初始形态分析、荷载效应分析、裁剪分析，必要时还应进行施工过程验算。初始形态分析主要是确定满足一定初始应力分布的膜结构在自平衡状态下的几何形状。荷载效应分析主要是计算在荷载作用下满足静力平衡条件的结构内力和位移。裁剪分析主要是将空间膜曲面适当剖分并展开为平面，计算确定预张力和影响下膜材的裁剪下料图。初始形态分析和裁剪分析都是膜结构计算所特有的。膜结构的计算分析方法很多，目前得到公认并被广泛应用的主要有三种：非线性有限元法、动力松弛法和力密度法。计算时需要考虑以下几个问题：一是膜结构中的索、膜构件只能承受拉力，对外荷载的抵抗主要通过变形来实现，因而膜结构在外荷载作用下变形较大，计算时应考虑结构的几何非线性。二是膜材的应力应变呈高度非线性，计算分析理应考虑，但通常设计所采用的强度设计值要比破坏强度小得多，在此范围内其应力应变关系基本上还是线性的，因此在实用上可以不考虑材料的非线性。三是膜材在经向和纬向的性能各不同，结构计算中可考虑膜材的各向异性。由于膜结构的计算分析比较复杂、工作量大，一般都要用计算机来完成，目前国内外都已有膜结构的专用程序可供利用。在各种荷载组合作用下，膜面各点的最大主应力均应小于膜材的抗拉强度设计值该值由下式确定： （1）式中 膜材抗拉强度标准值； 强度折减系数；对于一般部位的膜材料=1.0；对处于连接节点处和连缘部位的膜材=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。迄今，我国膜结构设计都参照国外规范采用单一安全系数的设计方法。而本规程是采用概率极限状态设计方法，目前尚没有足够的统计数据，因此上述膜材抗力分项系数只有通过二种设计方法的关系换算求得。按安全系数的设计表达式为： （2）式中 K规范采用的安全系数； 永久荷载效应标准值； 可变荷载效应标准值； 结构抗力各国对安全系数K的取值不尽相同，大多数国家都按短期荷载和长期荷载取值，其值分别在3-4和6-8的范围内。我国近年来在工程设计中分别采用4与8。计算结构抗力时所采用的材料强度值则与膜材强度平均值较为接近。本规程根据国家标准建筑结构可靠度设计统一标准GB50068的要求给出的膜材强度标准值比过去采用的强度平均值降低约15%。因此，如果把上式中的理解为结构抗力的标准值，则式中的安全系数K也应作相应调整：短期荷下取3.5，长期荷载下取7。这基本上相当于本规程所规定的第二类和第一类荷载效应组合。根据我国荷载规范，永久荷载效应设计值可将其标准值乘以永久荷载分项系数（取1.2）求得，可变荷载效应设计值也可将其标准值乘以可变荷载分项系数（取1.4）求得。按极限状态设计的抗力分项系数可利用下式，根据现行的安全系数换算求得。 （3）如取膜结构自重为20N/ m2，根据不同的K值和之比，可求得相应的值。例如第一类组合情况下，K=7，取雪荷载标准值为450N/ m2，可得=5。第二类组合情况下，K=3.5，取风荷载标准值为550N/ m2，可得=2.5。在按正常使用极限状态设计时，还应验算膜结构的变形不得超过规定的限值。对于整体张拉式和索系支承式膜结构，其最大整体位移在第一类荷载效应组合下不应大于跨度的1/250或悬挑长度的1/125；在第二类荷载效应组合下不宜大于跨度的1/200或悬挑长度的1/100。对于体育场看台挑篷一类的整体张拉式膜结构，其整体位移可定义为内环的最大位移；对于索系支承式膜结构，其整体位移可定义为跨中最大位移。对于桅杆顶点，在第二类荷载效应组合下，其侧向位移值不宜大于桅杆长度的1/250。对于骨架支承式膜结构，其最大位移应符合有关骨架结构设计标准的规定。此外，结构中各膜单元内膜面的相对法向位移，不应大于单元名义尺寸的1/15。这时膜单元是指由柔性索边界或刚性边界围起的一片膜。膜单元名义尺寸，对于三角形膜单元可定义为最小边长的2/3；对于四边形膜单元可定义为通过最大位移点的边界间的最小跨度。膜结构计算还要注意松弛问题，因为出现松弛将降低膜结构的刚度，在风荷载作用下易发生剧烈振动，甚至导致膜材撕裂，此外松弛还将影响结构的美观和排水性能。因此规程要求膜面在正常使用状态（第一类荷载效应组合）下不得出现松驰，即在各种荷载组合作用下的最小主应力值应大于维持膜结构曲面形状所需的最小应力值，可取初始预张力值的25%。此外还要求在第二类荷载效应组合下，膜面由于松驰而引起的褶皱面积不得大于膜面面积的10%膜结构属风敏感结构，在风荷载作用下易产生较大的变形和振动，因此在膜结构设计时，对风振问题必须予以足够的重视。目前对膜结构风振过种的研究尚处于起步阶段，可借鉴的资料较少。膜结构形态各异，很难用统一的风振动力系数来描述，因此对形状态复杂、跨度较大或重要的建筑物，情须进行风振动力分析或气弹性模型风洞试验，以确定风荷载的动力效应。对于形状较为简单的膜结构，规程中采用风振系数来考虑结构在风荷载作用下可能的最大响应与平均风响应之比，便