膜结构实训总结昆明理工大学工程力学试验中心.docx

1、膜结构实训总结昆明理工大学工程力学试验中心索膜结构实训总结报告当前，一种新的空间结构体系张拉膜结构体系逐渐发展成熟起来。其无论在材料特性方面，还是受力特性等方面均与传统大空间覆盖结构体系均有明显区别。意大利著名的建筑师、工程师奈尔维曾经说过：“最带技术性的，最基本的结构特征稳定性通过应用各种建筑方法以保障其稳定性，也大大有助于取得确定的、理想的建筑艺术效果。”张拉膜结构体系也必然会遵循这一规律。对于建筑而言这是一种全新的结构，因此，正确地把握其结构体系的受力特征和构造体系是正确运用该结构体系，充分展示其结构美感的基础。为此，我们利用全国土木工程专业评估这个契机，向学校申请了制作一个小型张拉膜结

2、构模型，希望通过此次实训增加对张拉索膜结构的感性认识及锻炼自已动手能力。我们本科生很少有机会可以接触实训的机会，能够接触索膜结构这种先进的建筑结构更是很难得的机会，但由于我们还没有学过这种结构，所以设计这一块都是由研究生做，我们本科生主要是做施工。整个建筑模型的的建成主要包括：方案确定，结构设计；构件加工（主要由加工厂加工）；场地测量平整；木模板制作；放线定位；基础找平；挖基坑；混凝土浇筑；膜的裁剪，粘贴，缝制；膜节点加工；套索；整体安装；油漆。1. 张拉膜结构的材料特征和力学基本原理1.1 材料组成膜布是表面涂有涂层的化学纤维织物薄膜。它分为两部分，基层是化学纤维织物，它主要决定膜材力学性能

3、，提供材料的抗拉强度和抗剪强度等；外层为涂层，主要解决材料的物理性能，提供材料耐火、耐久性及防水自洁性。由此，可知膜布既是结构材料，也是围护材料，是一种能将自由曲线的造型和透明质感有机统一起来的新型建筑结构围护材料。其自重轻、抗拉性能好；更适合覆盖大空间结构建筑1.2强度、刚度、稳定性与基本形态图1 膜布受力成型示意膜布有径向和纬向相互正交的纤维织物组成，由于纤维织物是柔性材料，自身强度是靠拉力产生，刚度和稳定性的获得是通过预应力和曲度来达到静态的平衡。膜布在平衡状态下有两个弯曲方向，其曲率半径相反，一个凸出，一个是凹下，纤维股的方向一般与这两个方向平行。对应于这些方向的内压力产生反力，使体系

4、保持静态平衡。其主要方向（径向）将承担这种荷载，而垂直于该方向的纬向是另一曲面，将帮助系统维护稳定。这种受力方式使任何局部荷载均有整体结构来承担，充分发挥了纤维的抗拉性，因此，膜布是一种新型空间结构材料 （如图1所示）。力的平衡方程表示如下：式中，P为单元膜布所能承担的荷载；为方向1上的膜布拉应力;为方向2上的膜布拉应力；为方向1的膜布曲率半径； 为方向2的膜布曲率半径。由于膜受张拉,是空间受力状态，形体是空间的自由曲面形态。其形态在数学上定义为双曲抛物面。从而从根本上改变了传统建筑基于压力学原理上的空间、形态特征和拉力作用下的直线形态特征。2 张拉膜结构模型设计张拉膜结构体系是利用钢索或骨架

5、结构悬挂或支撑膜布形成的空间结构体系。其形式在不断发展。根据膜布张拉方式不同，一般分为三类：(1)悬挂式膜结构；(2)支撑式膜结构；(3)悬索穹顶膜结构。其强度、刚度及稳定性的特点决定界面的围合方式。我们所做的张拉索膜结构就是一般意义上的悬挂式膜结构马鞍形膜结构。利用结构设计软件3D3S中的膜结构设计模块进行设计，设计出来的马鞍形膜结构三维模型图（图2）如下所示图2 模型三维图主要技术参数如下：本文的空间张拉膜结构主要由膜布及膜布四根边索、膜布角点节点板如图6、结构的四根稳定索和两钢管柱四部分基本构件组成。具体布置如图5，7所示，整个模型占地面积 ：8000mm8000mm；膜布尺寸：轴方向膜

6、投影长度为3500mm,轴A方向膜投影长度为3358mm；设计荷载：参照膜结构设计规程，只考虑风荷载，查阅荷载规范取昆明地区风荷载基本风压0.3KN/m；拉索采用GB8918-96钢丝绳标准，类别为619，编号为结构稳定索，号索理论单根长度为3750mm，考虑索的强度，我们对每个编号索都采用双股钢丝绳，并考虑索卡长度，最终我们采用号索实际长度为7700mm,号索实际长度6000mm，索长度利用带正、反螺纹的花篮螺扣调节。编号为的边索仍采用单股长度均取为2465mm，具体长度利用带套筒的节点板的索端螺杆调节；立柱作为重要的支承构件，结构中的自平衡内力通过稳定索和膜布边索传至其上，截面承受很大压力

7、，必须使其具有足够的平面内、外刚度以满足结构与构件的稳定性要求，本结构采用1006的焊接钢管，柱底端采用铰接连接如图3，它通过四根稳定索及四根边所施加的预应力使整个结构产生自平衡内力从而达到整体静态平衡；基础采用强度C20混凝土，其中基础J-1 、J-3、 J-5、 J-6尺寸规格为500mm500mm600mm，J-2 、J-4尺寸规格为600mm600mm500mm 图3 柱脚连接 图4 膜角点与柱顶连接 图5 膜结构的立面图 图6 膜角节点连接3、场地测量平整阶段为了使我们的模型达到比较理想效果，使结构模型与环境协调，我们的模型建筑场地选在建筑工程学院实训基地一块草坪上，白色的膜布以及白

8、色的立柱与绿色的草坪相映使模型与环境达到完美结合，同时，也使其更加充分展示其结构美感创造了基础。这块地的形状接近梯形，通过对这块地进行丈量，考虑到建筑模型的大小、形状以及对整个场地的整体视觉效果，确定我们的建筑模型放置的位置为轴平行于学校主干道，即凹面方向平行于学校主干道，这个方向能让人从实训基地外路过的人一眼就可以看到我们马鞍形膜结构的双曲面美。为了达到我们实训的目的，我们尽量严格按照施工的要求进行操作施工：首先，我们对这片地进行粗略的勘测，然后，根据图纸要求进行定位放线。图7 膜结构边索及稳定索和基础平面布置图本工程共有6个基础(具体基础布置尺寸如图7所示）。以前以为定位放线只要知道了基础

9、应该在的位置就很好做，可是实际操作才发现要做的其实还很多。我们先找到张拉膜结构的平面布置中心所在，打入钢筋定位，然后再从中点向外根据中点到基础中心的长度1.750米引线，这样可以定出四个点，给这四个点分别打入钢筋进行初步定位。再根据设计资料可知这四个点所围成的形状应该是正方形，根据几何关系，两个边都应该垂直，再进行一次校核调整。这样也不能保证点的精确，正方形的四条边长度应该是相同的，我们再用这个长度（2.475米）来调整四边，让其四边相等并且闭合。这样得到的四边型的对角连线交点还应该在我们所定的中心钢筋之上。通过这些校核调整，将刚才粗步定位的钢筋调整到正确的位置，打进土里，我们的1，2，3，4

10、号基础的中心点就确定下来了。我们需要做六个基础，还有5号，6号两个基础它们是和3，4号基础在一条线上，我们顺着这条线从中心点引出2.25米 得到的两个点就是3，4号基础的中心点，打入钢筋，定位。这样我们就将六个基础的中心位置初步确定了下来。接下来我们利用水准仪确定基础标高，我们以J-1中心点作为基准点，然后计算各个基础中心位置的标高差以确定各个基坑挖深，这样我们就基本的完成了对场地的测量平整工作，接下来就是我们的重头戏了这块地以前都是荒置的，需要将场地粗略的整平。 这是同学们第一次到实训场所劳动，大家的干劲都很高，没多久就完成了，大家都很期待下一步的行动。4、施工阶段图纸、材料、放线、定位等前

11、期工作就绪以后，接下来就是具体的施工阶段了，施工阶段包括木模板的制作，基础找平，挖基坑及混凝土浇筑等几项。准备阶段过后我们开始到场地施工了，由于我们缺少经验老师带了很多研究生师哥师姐来指导帮助我们。4.1 挖基坑万丈高楼平地起，基础是一切高楼大厦的根基，所以，一切建筑都要从基础做起，当放完线定好位以后，我们就要开挖基坑了，由于场地不规整，各基础布置点的标高不同，因此，各基础的挖至深度不同，为了使建筑物各基础间不致产生过大高差，给结构造成不必要安全隐患，就需要知道要挖的深度，这就需要用水准仪进行基础找平，我们以J-1基础作为基准点，定出各基础标高，计算出它们之间高差，然后根据此标高差和基础要求埋

12、深进行施工。这样我们就可以使各基础上表面标高处于同一水平面上。4.2 制作模板与此同时进行的是木模板的制作。此次的基础规格为500mm500mm400mm和600mm600mm400mm两种型号，因为我们的模板只作为地下基础模板，并且基础形状不需要那么精确，所以地面以下的模板我们只做了一套可反复利用的活动模板，即四块600mm500mm的木板，木板横竖放置可以得到不同尺寸的柱体，在混凝土浇筑的时候根据基础的大小确定放置木板的方向。而对于高出标高零点100mm那部分我们做了六个固定模板，在使用的时候不再重复使用。4.2 混凝土浇筑基坑挖好以后就开始了混凝土浇筑。老师把同学分成了三组，一组根据计算

13、的混凝土配合比搬运配制混凝土的材料，一组专门进行混凝土拌制，另一组专门负责浇筑混凝土，三个组轮流作业，让同学们都不至于太累。混凝土浇筑分两个阶段进行，首先进行标高零点以下浇筑，浇筑混凝土的时候先根据尺寸大小需要把模板放入基坑支好，因为模板为活动的，因此，每次我们都需要在把模板支好以后在外围加土石让其固定，再向内浇入混凝土。由于我们的索膜结构的稳定索需要有锚杆锚住，所以在浇混凝土的时候就需要将锚杆正确的放入基础中。虽然我们在前面放线定位时已将各基础间标高差考虑进去，然后进行的挖掘，但由于具体操作难免产生误差，为了使基础锚杆标高处于同一个水平面上，故在混凝土的浇注过程中，我们不断的利用水准仪进行校

14、核调整，以使其浇注完成后的基础上表面处在同一个水平面内。浇筑好一个基础后，等混凝土稍微成型后就将模板拆走，拆的时候，边拆边填土使其不致产生较大侧向变形，将拆下的模板冲洗，以备下一个基础浇注的使用。等基础标高零点下部分浇注好了之后才开始上面部分的浇注，此时我们只要把做好的模板套上，然后浇入混凝土。在这个过程中，我们仍要不断对标高进行校核调整，以使我们最终的地基表面及锚杆处在同一个平面内。我们这个建筑模型的立柱是理想铰接的柱，在浇筑过程中就需要将连接铰支座的锚杆浇入混凝土中，因为安放的柱的位置要求较高，必须准确，所以锚杆的位置要利用测量工具进行校核调整，并将底座套在锚杆上确定四根锚杆的位置，以确保

15、锚杆的位置准确及以后施工顺利。大家从上午9点开始，一直到下午6点才做完，中午没有休息，只是匆匆的吃了点快餐，黄老师自己都是在施工现场吃的饭。施工的过程，我们尝到辛苦的滋味，特别是对于我们这些整天拿笔杆子的学生来说，现在真实体会到了体力劳动的累。这一切让我们不仅仅懂得了很多施工中注意事项，同时对我们的学习态度也有很大的改变，真正让我们体会到实践的重要性。我们知道混凝土需要一段时间的洒水养护，此后的三天都有同学早上和晚上各去浇水养护。5、膜材的加工膜材裁剪主要分为两个步骤：1.裁剪线确定即将膜曲面剖分为空间膜片，我们是利用测地线法确定的膜片的标注；2.膜片展开即将空间膜片展开为平面裁剪条元，空间膜

16、片的平面的展开主要考虑其计算精度和效率。膜材裁剪片号及坐标标注如下图8所示。图8 裁剪片编号及标注膜材需要裁剪和粘结，只有裁剪和粘接好了最后张拉起来的膜面结构才会平滑。我们的膜材被裁剪为四块，裁剪的时候是按照图纸上标注，先在膜面上描出各个坐标点，然后将各点用平滑的曲线连接，画出膜的边界曲线形状（如图9）。 图9 画膜边界曲线 图10 进行膜粘结然后用裁纸刀沿曲线轮廓裁下来。裁剪的时候，边上预留一定的40mm宽度以备搭接粘结。膜的粘结（如图10）这一块最费时间，因为以前没有接触过，所以都是新尝试。我们是先裁剪下一块膜材进行试粘结，用人的手拉力对膜材粘结进行试拉，以确保粘结抗拉强，再到正式的膜上做

17、。即便这样，在粘接的时候我们仍然不能很好的控制，有的时候胶水会用少了，粘接不牢，有的时候胶水用多了导致膜面起皱，我们经过多次的尝试，修改，最终才把膜粘好了。为了使膜边界加边界索后不致产生应力集中以及使边界看上去圆润饱满。我们对边界做了包边处理如图12，在边界上包裹PVC线管作为套管，然后将钢索串入套管中。这样既保护了膜材，又使膜边界看上去更加美观。 图11 膜布粘结完成后在试张拉 图12 膜布边界进行包边我们的膜节点板也是经过自己修改加工过的，为了能让它和膜很好的粘结并避免节点板上的棱角划破膜材，我们还把它们用砂纸和砂轮打磨了一遍，除去上面的棱角和浮锈如图13，学生正在打磨。节点板。 图13

18、打磨节点板 图14 将节点板粘结到膜布上 图15 节点板与膜布用螺杆连接 图16 膜角节点与柱顶连接安装索在套进管的时候就需要把索和节点板连接起来，我们用锁卡把索的两端卡住，再回套到管里就看不到钢索的头了，利用螺杆来调节边界索的长度及施加预应力。最后再把膜和节点板粘结起来。整个膜的制作就完成了。6、整体安装 整体安装是在五一之后进行的。我们先把理想铰接的支座装上如图17， 图17 安装底座 图18底座边界处理 图19 安装钢管柱底部 图20 安装钢管柱再把柱与底座连接起来，由于柱是理想铰接在膜还没有完全撑起来的时候是个不稳定体系，它可以两边倒，所以在还没有拉起索的时候必须要人撑起来如图20。

19、图21 膜角节点与柱顶连接安装 图22 利用花篮螺扣调节给膜施加预应力这个时候我们需要先把膜角节点板和柱顶用螺栓连接起来，再把四根稳定索与各节点用花篮螺扣连接起来，我们利用确定的钢索长度，用尺子确定号钢索重合端长度为600mm，并将规格的花篮螺扣（花篮螺扣最长为500mm，可调节度为250mm）套入钢索并调节到最大状态，然后，用索卡卡住索的端头，这样我们就初步确定了每根稳定索确切长度：号索初步拉接长度为3550mm+花篮螺扣长500mm；号索初步拉接长度为2700mm+花篮螺扣长500mm。挂钩的一头连钢索，钢索的另一头挂在基础预埋的锚钩上，这样结构的基本形状就出来了。但是膜面应该有的双曲面的

20、形状仍然还没有成型，此时，我们就需要通过给结构施加预应力来使结构成型。这一步我们通过调节具有正、反螺纹的花篮螺扣即可达到目的（如图22）。我们经过反复调试校核，最终将索基本调至设计长度。现在我们的结构成型，工程基本完工如图23。图23 所有参与工程人员合影余下的工程就只剩下油漆了。为了避免结构被锈蚀，我们将裸露在空气中的钢构件进行了油漆，包括柱，节点板，底座等。我们选择的是白色的油漆，和膜的颜色相近，希望可以得到整体和草坪白绿相间的效果。我们分两次油漆的，两次间隔一天，同学都没有做过油漆，但是大家根据自己试出来的经验尽量的把漆面涂得光滑平整。整个建筑模型到现在就彻底完工了，经过将近一个月的努力

21、，看到我们自己做出来的工程大家都露出了欣慰的笑容。7、体会同学们都是第一次接触到实际的工程，尽管只是一次实训大家都把它当成自己人生中的第一个工程来对待，大家都很努力的去做。膜面的制作很费时间，有很多细小的问题需要很耐心的去处理，有的问题甚至需要反复的处理，同学们也都很细心的去做。最后一次施工的时候还下起了雨，但是同学们都没有想休息，我们冒雨完成了最后的安装，虽然大家的衣服都湿透了但是没有一个人抱怨，大家都沉浸在完工的喜悦中。这次实训让我们学到了很多课本上不能学到的东西，将很多的理论用到了实践中，也碰到了很多实际操作才可能遇到的问题，有了老师和师兄师姐的帮助和指导我们才能很好的解决，这让我们受益

22、匪浅。同时我们还体会到我们作为一个团体，团队精神很重要，只有我们大家都团结起来，齐心协力才有可能将事情做好，这次的合作大家都很愉快，这也教会了我们在以后的工作中该怎么做。经过这次实训我们学到的东西都将是以后用得上的 ，这也就是为我们以后的工作打下了一定了基础。谢谢学校和老师给了我们这次机会。参考文献1蓝天，当代膜结构发展概述，世界建筑，2000（9）：17-24.2周绥平，钢结构，武汉理工大学出版社，2003年01月.3建筑结构荷载规范（GB50009）.4李晋，汤黎明.大空间张拉膜结构体系的受力特征和构造，建筑技术，2006（8）：611-612.5蔺军，冯庆兴，董石麟，王晓波.大跨度空间索桁张力结构的模型试验研究，建筑结构学报，2006（8）：37-43.