索膜結構檢測方法與工程應用

摘? ? 要：索膜結構體系的起源，可以上溯至遠古時代。那時人類主要居住在以繩索和獸皮搭建而成的帳篷中。18世紀末，熱氣球和飛艇技術的出現為推動膜材料技術的發展奠定了基礎。20世紀50年代，德國建筑師在張拉膜結構領域進行了開創性工作，大大推動了膜結構的發展。如今，索膜結構體系的建筑在城市中早已不再罕見，無論是博覽會還是體育場，索膜結構都有了它的一席之地。但是索膜結構的結構性損傷問題，對于建筑質量的影響不容小覷，因此其檢測方法就需要大力推廣，從而保障索膜結構的正常使用。

關鍵詞：索膜結構;檢測方法;工程應用

1? 前言

索膜結構的實質是一個穩定曲面在一定范圍內承受外部荷載的空間結構形式，其主要是由高強度柔性薄膜材料經受其他材料的拉壓作用形成的。索膜結構具有眾多優勢，首先造型外觀相對自由、柔美、輕巧、舒展，能給人迸發力量的感覺。在其他性能方面，膜材阻燃性較好，燃燒時也不會產生滴落物，由于膜材重量很小，即使發生火災膜面坍塌也不會造成危害性結果。而且膜材具有較好節能性與自潔性，安裝也較為簡易，這些優勢都使得膜結構工程在世界各地的應用范圍逐漸廣泛。但是相較于索膜建筑的興起，索膜結構的檢測和維護卻一直十分落后，當索膜結構在遭遇強風、強雨雪等惡劣自然天氣后容易出現膜面撕裂等事故，同時隨著結構使用年限的增加，材質的老化也將帶來一系列隱患，因此為了明確該結構是否能滿足設計和正常使用要求，相關從業者一定要重視索膜結構的檢測，攻克檢測方法的技術難題，進而大力發展索膜結構在工程中的應用程度[1]。

2? 索膜結構發展淺談

索膜結構的興起與發展，讓建筑師們可以在建筑設計和選擇上，擺脫傳統建筑模式的桎梏，進而有更多的選擇。膜結構在建筑材料的選擇上有了新的革新，大范圍使用膜材，因而建筑重量被大大減輕，只有不到傳統建筑同等體量規模的三十分之一。膜結構的關鍵優勢在于，可以攻克傳統建筑結構在大跨度或無支撐建筑上實現的技術性難題，可以讓可視空間的邊界被大范圍拓寬。值得一提的是，遇到陽光正好的天氣，由于膜結構對光的漫反射效應，會讓建筑物內部都充滿自然漫反射光，不像傳統建筑有強烈的光面和陰影面的區分，大幅提升了室內空間的視覺開闊程度與和諧程度。同樣的效果在夜晚也會有所呈現，昏暗的夜空會被建筑物內部環境的燈光照亮，為建筑物上空的夜空和建筑物自身增添夢幻般的光影效果。因此這種索膜結構的用武之地，通常也都是公共娛樂場所，或者大型體育場、購物中心等建筑。在世界范圍內，包括日本東京市內棒球管（東京巨蛋）、英國泰晤士河畔的千年穹頂，還有美國亞特蘭大奧運會主體育館，都采用了索膜結構。隨著21世紀可持續發展的理念不斷深入人心，索膜結構因其自身的優勢還會不斷深入發展[2]。

3? 既有索膜結構損傷評估情況

膜和鋼是索膜結構的主要應用材料，其中膜主要包括G類、P類、E類膜材三種。鋼主要有鋼結構與拉索。隨著索膜結構應用年限的逐漸增長，超過十年以上的索膜結構都會在外觀上出現不同類型、不同程度的損傷，這就凸顯了檢測和評估既有膜結構工作的重要性。既有索膜結構的結構損傷類型，主要包含膜面局部損傷、鋼索結構生銹腐蝕、索膜結構松弛以及抗拔基礎損傷情況等等。視安全危害性情況而定，嚴重的結構損傷有膜面裂縫、邊界撕裂、拉索彎曲等。一般的結構損傷有膜面污染、護套損傷;情況尚不嚴重但應引起足夠警惕的有，松弛積水、鋼結構生銹腐蝕以及基礎開裂現象。檢測人員需要充分認清索膜結構損傷類型和受損程度，有的放矢的進行檢測[3]。

4? 索膜結構檢測項目及所需設備

4.1? 索膜結構檢測內容

索膜結構的損傷情況，是通過外觀普查發現的，進而根據不同的外觀損傷情況，進行索膜結構力學性能檢測評估工作，應包含以下方面內容：第一是控制點位置檢測;第二是膜結構，主要應包括膜面及破損位置的應力情況、膜面材料強度以及節點承載力;第三是索結構，需要重點檢測索拉力和節點的生銹腐蝕情況;第四是鋼結構，對于鋼結構的腐蝕情況，尤其是焊縫位置要做細致檢查;第五是抗拔基礎，重點是混凝土和鋼筋的強度問題檢查;最后就是整個結構的圖紙復核工作，索和膜的松弛均會造成結構輕微變形，所以一定要復合測量控制點的位置與原圖紙位置， 復算現結構內力與原結構內力， 以評估索和膜應力變化的情況。

另外膜材的主要性能為各向異性，如果較長時間經受載荷，很容易使材料性能老化，產生松弛現象，因此需要進行膜面應力檢測工作，對處于長期荷載作用下的膜面力學性能變化情況做科學評估，從而驗證使用需求。若膜材處在建筑的冗余位置，同樣需要進行基本的力學性能測試，從而判斷長期使用狀態下膜材的能力。膜結構的邊界應力相對更集中，對于該位置的應力變化情況，要尤其注意。如果一旦出現外觀破損的情況，在對此位置進行檢修時，也要重新測定該位置的承載力[4]。

建筑工程中通常使用的鋼索形式，有鋼絞線和鋼絲繩兩種，主要是將高強度鋼絲扭絞成型，鋼絲徐變和松弛的實際效應比較明顯。想要評估鋼索性能要求，就要檢測在長期荷載下的索力。另外鋼材防腐工作，也是索膜結構日常養護所必須進行的工作。根據一些工程的實際情況顯示，很多養護效果較好的索膜結構，往往經受嚴重生銹腐蝕的都是錨具，因此相比錨具銹蝕之后進行探傷檢測，做好日常的養護與防腐工作就顯的尤為重要，既能降低日常運營成本，同時也能增強結構質量。此外，索膜結構的基礎承受拉應力，常由控制組合承擔。鑒于其大范圍受拉的實際工作情況，和混凝土相對較差的抗拉性能，時常會發生抗拔基礎帶裂紋工作的情況，因此一定要對該工況下，鋼筋的受力性能做重點關注。檢測工作需要同結構計算相比較，保證檢測結果具有合理性。

4.2? 索膜結構檢測方法及設備

（1）變形檢測。變形檢測主要需要用到全站儀，激光掃描檢測技術也可酌情應用。可以依據索膜結構控制點幾何位置的測量結果，構建出索膜結構的計算幾何模型[5]。

（2）膜面力學性能檢測。該項檢測主要有膜結構能力檢測和膜結構性能要求兩個方面，前者主要針對膜材力學性能與連接節點承載力性能進行檢測，后者主要針對膜面應力進行檢測。對于既有索膜結構而言，如果檢測時利用的是原膜材，就可以進行相關的性能測試，從而在膜面經受長期荷載作用下，驗證耐久性和剩余強度。如果膜材需要進行修復工作，就需要先針對修復節點試驗其承載力，若達到設計要求，才能繼續修復。

（3）索力檢測。索力檢測主要有EM測量方法和振動檢測方法兩種，兩種檢測方法適用范圍各不相同。其中EM測量方法對于索力的長、短期監測效果顯著，也是索力長期健康監測方案的最優解。如果是針對既有索膜結構進行檢測，EM線圈的繞制工作往往需要在現場進行，這也為該項檢測工作帶來了較大的成本投入，因此最好在既有結構長期監測系統的建立工作上選用 [6]。而振動檢測法是對既有索膜結構拉索提供外加激勵的前提下，利用拾振器來拾取振動信號，經過分析來確定拉索的自振頻率，再根據自振頻率和索力的關系來確定最終索力。在索膜結構中，索邊界一般為彈性連接邊界，因此需要多次測量來修正結果。

5? 索膜結構的工程應用分析

5.1? 蕪湖奧體中心體育場

蕪湖奧林匹克體育中心，其主體育場在奧林匹克公園的中心區，體育場平面主要部分為三段圓弧，長軸的長度為254m，短軸長度為225m，膜面水平投影面積超過2萬㎡，主體為脊谷式張拉整體式膜結構，整體造型為高低錯落的馬鞍形，由高低均勻變化的40個錐形膜單元組成。主看臺上弧梁最高點為69m，內環索最高點為29m，最大跨度為39m。針對該體育場的主要檢測工作主要包含鋼結構檢測和索膜檢測兩個方面。其中結構軸線復核、構件尺寸復核、構件表面涂層、結構變形檢測、焊縫探傷等工作歸屬于鋼結構檢測的范疇;而膜材料性能、索力檢測與膜面應力歸屬于索膜結構的范疇[7]。

進行膜面檢測工作，需要對測點布置進行選取。每個膜片的中間部位應當布置一個測點，針對測點上兩個方向的正交應力進行檢測，檢測測點數量總共為160個。選取東西兩個方向的看臺，各兩個單體膜，對各個角點的位置要詳細檢測，測點總共數量為56個。索力測點的布置形似橄欖球，需要選擇膜外拉索，無論是環索、斜拉索、外拉索與邊拉索等等，都要進行索力的檢測。此外，還有老化膜材的檢測，因為膜材數量是有限的，所以對膜材單向抗拉強度和膜材連接強度試驗，需要進行雙向拉伸試驗，從而確定材料彈性模量和泊松比[8]。

5.2? 上海世博會世博軸

世博軸為上海世博會場地的主入口和主軸，屋面是半敞開結構體系，主要用的是鋼索膜結構，長度約為1000m，寬度約為80m，是世博會建筑群中最大的單體場館。其鋼結構是單層鋼網殼陽光谷，69個巨型膜單元構成索膜屋面，厚度僅1.2mm，總面積將近7平方米。

世博軸屋面膜材的應力初始狀態的測試，應采用兩種方法，其一是借助真空泵膜面應力測試儀支持，其二是通過膜邊界螺桿拉力進行換算。對于單層膜角部而言，產生破壞現象的最大膜面應力為92.4KN/m，大概是膜材強度的65%。對于雙層膜角部而言，相應的應力為370KN/m，可以和膜材抗拉強度持平。但是計算結果顯示，在單層與雙層膜角部破壞的情況下，膜面堆砂的總重量是108t和180t，遠遠沒有達到數值分析結果，這就為判斷膜邊界的破壞提供了依據。相關研究顯示，膜面角部承載力試驗值低于數值計算結果時主要有兩個原因，一是實際膜面一直是承受雙軸受力，另外是膜材實際彈性模量一直在隨應力不斷改變[9]。

6? 結束語

索膜結構建筑如今正在不斷發展，相關單位一定要重視索膜結構的損傷檢測，優化檢測方法，更新相關設備，以便在工程中實現更好的應用效果，提升工程質量。

參考文獻：

[1] 張麗，陳務軍，董石麟.PVDF/PES建筑織物膜力學性能單雙軸拉伸試驗[J].空間結構，2012（3）：4148.

[2] 陳建穩，陳務軍，趙兵.浮空器膜材循環拉伸力學性能及彈性常數研究[J].湖南大學學報：自然科學版，2013（6）：4046.

[3] 陳建穩，陳務軍，張大旭.PVDF/PES涂層織物循環拉伸力學性能及彈性模量[J].華南理工大學學報：自然科學版，2013（6）：6976.

[4] 陳建穩，王明洋，陳務軍，張寧，周涵，趙兵.層壓織物類膜材拉伸應變在應力空間上響應特征[J].浙江大學學報：工學版，2016（11）：21502157.

[5] 陳建穩，周涵，陳務軍，趙兵，王明洋.飛艇用層壓織物膜材料在雙向應力作用下的彈性參數分析[J].上海交通大學學報，2017（3）：344352.

[6] 許本東..既有建筑物結構檢測鑒定技術及加固措施研究[D].西南交通大學，2005.

[7] 宋守民.建筑結構檢測技術[J].江西建材，2011（2）：294296.

[8] 馮維忠，楊昊.回彈法檢測普通粘土磚抗壓強度試驗研究[J].工程質量，2013（1）：3536.

[9] 王峰.建筑工程結構檢測技術的應用[J].科技信息：科學教研，2007（17）：373+496.

作者簡介：

張淼（1982—）女，漢，天津，中級工程師，碩士研究生。主要研究方向：建筑工程。