膜結(jié)構(gòu)又稱膜結(jié)構(gòu)修建，也叫索膜結(jié)構(gòu)，由支撐體系與高強度柔性薄膜資料相結(jié)合構(gòu)成的一個安穩(wěn)定型曲面，可以承受必定外加荷載的新式空間結(jié)構(gòu)方式。因其外型輕盈而柔美、又自在多變，充滿創(chuàng)意感和力氣感，且具有裝置方便、制造簡便、阻燃耐熱、節(jié)能環(huán)保、防輻射、運用安全等長處。恰是基于上述眾多長處，這一修建方式在全世界都得到了廣泛應用，并且發(fā)展迅速。

索膜結(jié)構(gòu)是一種發(fā)展非常迅速的新型空間結(jié)構(gòu)，是一種效率極高的張力集成體系，充分的發(fā)揮了鋼索的強度與張拉整體結(jié)構(gòu)的空間作用。這種結(jié)構(gòu)以造型新穎、美感豐富、質(zhì)輕透光、創(chuàng)意十足等優(yōu)點在全球得到了推廣應用，主要應用在體育建筑、商業(yè)設(shè)施、會展中心、娛樂中心、交通站場等屋蓋。

到目前為止，國內(nèi)外對索膜結(jié)構(gòu)的設(shè)計理論、設(shè)計方法與施工技術(shù)開展了相對系統(tǒng)的研究和工程實踐，我國也制定了《索膜結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)程》，但尚缺相應的施工技術(shù)規(guī)范，尤其是在索膜結(jié)構(gòu)的安全使用與維護方面研究甚少。

在索膜結(jié)構(gòu)的設(shè)計、建造過程中，從造型設(shè)計、 材料選用、構(gòu)件設(shè)計、細部構(gòu)造、裁剪設(shè)計到加工制作、安裝張拉以及建成后的使用維護等過程中，任何步驟的錯誤或疏忽都有可能影響到工程的質(zhì)量，甚至釀成工程事故。

本文將基于索膜結(jié)構(gòu)的受力特點、設(shè)計要素及破壞特征分析，以實際工程安全使用為目標，形成實用有效的索膜結(jié)構(gòu)安全使用維護策略。

1索膜結(jié)構(gòu)的受力特點及設(shè)計要素

1.1受力特點

索膜材料均不具有抗彎能力，其上所有的點在分析模型中只具有3個自由度。這一特點實際可將索膜體系簡化為長度任意改變的空間鏈桿體系，或?qū)⒛ず喕癁榭勺杂衫�伸和轉(zhuǎn)動的三節(jié)點或更多節(jié)點有限元組成的空間網(wǎng)格。

要使索、膜材料具有抵抗外荷載的能力，必須預先對其施加張拉力，以增加剛度，減小變形。由于索膜結(jié)構(gòu)內(nèi)的張拉力呈較為復雜的空間分布，因此，所施加張拉力大小一般需要通過計算機找形來確定。

在對索膜體系進行設(shè)計分析時，首先要給定結(jié)構(gòu)的邊界條件。而結(jié)構(gòu)預張拉后在空間上確定的幾何形狀還未可知，如何確定在給定邊界條件下索膜結(jié)構(gòu)的空間幾何形狀及與之相應的預張力分布就是找形所要解決的問題。

索膜體系的找形問題中并沒有一個確定的、處于平衡狀態(tài)的初始形狀，需要從假定的幾何形狀和預張力分布出發(fā)來尋找這個可用于荷載分析的初始形狀。

所得結(jié)果一要滿足邊界條件，二要滿足其預張力分布處于平衡。膜面的初始形狀一般應有向上和向下兩個方向的曲率，避免過分平坦，以抵抗風壓力和風吸力。這應是檢驗和調(diào)整找形結(jié)果的一個基本原則。

索膜材料只可受拉，不能受壓。受壓或拉力為0將在實際上導致膜材出現(xiàn)故障，而索將屈曲變形，同時推動承載能力;風荷對作用于索膜結(jié)構(gòu)所引起的水平力和上拔力對支架結(jié)構(gòu)及其基礎(chǔ)的設(shè)計有很大影響。為抵抗水平力和上撥力，斜拉穩(wěn)定索成為支架結(jié)構(gòu)中的常用構(gòu)件，基礎(chǔ)采用抗拔錨錠。

1.2 設(shè)計要素

索膜結(jié)構(gòu)的設(shè)計由于其自身的受力特點不同于一般傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式，技術(shù)上必須經(jīng)過如下步驟：

1)初始形態(tài)分析 膜結(jié)構(gòu)的初始形態(tài)分析應滿足邊界條件和合理預張力的要求，并滿足建筑造型和使用功能的要求。膜結(jié)構(gòu)中索膜構(gòu)件的預張力值應根據(jù)膜材類型、膜面荷載可能產(chǎn)生的變形以及施工等因素確定。預張力值必須保證在第一類荷載效應組合下，所有索、膜構(gòu)件均處于受拉狀態(tài)。此過程與方案設(shè)計過程密不可分，往往需反復調(diào)整方可既滿足建筑形狀的要求又保證結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟合理及安全可靠。在初始形態(tài)分析的研究過程中先后提出過非線性有限元法、動力松弛法(Barnes，1974年)和力密度法(Schek，1974年)等。目前普遍采用的是以固體力學大位移理論為基礎(chǔ)的非線性有限元法，在此方法中，為了使預應力值保持不變，需令結(jié)構(gòu)發(fā)生大位移和大變形時并不引起內(nèi)力變化，即本構(gòu)關(guān)系失效。

因此，利用非線性有限元法進行找形分析是一個假想的數(shù)學過程，而非真實的物理過程，但反映了物理的真實性。

2)荷載分析 膜結(jié)構(gòu)的荷載效應分析，應在初始形態(tài)分析確定的幾何形狀和預張力的基礎(chǔ)上，考慮各種可能的荷載組合情況對膜結(jié)構(gòu)內(nèi)力和變形的影響。當計算結(jié)果不能滿足要求時，應重新確定初始形態(tài)。索、膜結(jié)構(gòu)重量輕、剛度小、自振頻率低，風荷載是結(jié)構(gòu)設(shè)計中起決定性作用的外荷載，索、膜結(jié)構(gòu)對風的動力作用十分敏感，在設(shè)計中必須予以考慮，計算索、膜的內(nèi)力和位移時，應考慮風荷載的動力效應。對于形狀較為簡單的膜結(jié)構(gòu)可采用乘以風振系數(shù)的方法考慮結(jié)構(gòu)的風動力效應。

3)裁剪分析 裁剪分析是膜結(jié)構(gòu)設(shè)計中的一個關(guān)鍵問題，裁剪下料圖的準確與否直接關(guān)系到施工安裝后的平整度，即形態(tài)分析所得的膜曲面與實際施工安裝后的曲面形狀是否相吻合，進而影響到荷載分析結(jié)果的準確性。考慮到平面膜材有一定幅寬限制及膜曲面的復雜多樣，裁剪分析過程主要分為兩個步驟：①將膜曲面剖分成空間膜片，稱為裁剪線的確定;②將空間膜片展開為平面裁剪條元稱為膜片展開。裁剪分析方法主要有：物理模型法、力學模型法和幾何模型法等。

2 影響索膜結(jié)構(gòu)安全使用的因素

在薄膜結(jié)構(gòu)的發(fā)展過程中先后出現(xiàn)了充氣式膜結(jié)構(gòu)和張拉式膜結(jié)構(gòu)兩種基本形式，以下著重討論影響張拉式索膜結(jié)構(gòu)安全使用的因素。

2.1 風致索膜破壞 索膜結(jié)構(gòu)風致破壞有兩種形式，即膜材撕裂和拉索斷裂。強風作用下膜材撕裂和拉索斷裂的現(xiàn)象時有發(fā)生。造成膜材撕裂的原因大都與膜面松馳有關(guān)。如因膜面過于扁平，或預張力不足，或因膜材徐變導致松馳后沒有及時進行二次張拉，致使膜面的整體剛度很低，在強風作用下出現(xiàn)大幅度的擺動， 導致膜材被撕裂或在擺動過程中撞擊到其他物體而發(fā)生破壞。造成拉索斷裂則多起因于強風使拉索產(chǎn)生抖振或顫振，最終引發(fā)共振或疲勞破壞。

2.2 膜面積雪、積水造成膜材撕裂 膜面積雪也會導致膜材撕裂。膜面的不均勻積雪相當于局部堆載，加之降雪后氣溫很低，膜材本身冷縮并變得脆硬，膜面適應應力重分布的能力降低，則易發(fā)生撕裂。膜結(jié)構(gòu)的剛度是由其幾何形狀和所施加的預張力共同提供的。如果膜面過于扁平或施加的預張力不足，膜面就可能在降雨時產(chǎn)生積水。膜面積水越積越多，最終有可能導致膜面撕裂或支承結(jié)構(gòu)破壞。

2.3 連接構(gòu)件失效導致破壞 連接構(gòu)件是膜面或索與其他構(gòu)件相連接的重要構(gòu)件。連接構(gòu)件的破壞形式主要有構(gòu)件斷裂或錨固脫落等。連接構(gòu)件的失效有可能造成結(jié)構(gòu)整體失穩(wěn)、膜面從空中墜落等嚴重后果。

2.4 吊裝、張拉不當造成膜材撕裂 吊裝時，在自重及風作用下，膜材極易因應力集中而被撕裂。張拉膜面時，若因施力點偏向一側(cè)造成張拉不均勻，或加載速率過快，或張拉過度，膜面應力超過材料的抗拉強度，或因加載設(shè)備如手葫蘆或因錨固構(gòu)件意外失效導致膜面局部突然不均勻卸載等因素，都有可能造成膜材撕裂。

索膜構(gòu)造作為一種新的修建方式于本世紀五十年代在國際上開始呈現(xiàn)，至今已有六十多年的前史，特別是到了七十年代今后，膜構(gòu)造的運用得到了迅速發(fā)展。索膜構(gòu)造的呈現(xiàn)為修建師們提供了超出傳統(tǒng)修建形式以外的新挑選。索膜構(gòu)造一改傳統(tǒng)修建材料而運用膜材，其分量僅僅傳統(tǒng)修建的三十分之一，并且膜構(gòu)造能夠從根本上戰(zhàn)勝傳統(tǒng)構(gòu)造在大跨度(無支持)修建上實現(xiàn)時所遇到的艱難，能夠發(fā)明無窮的無遮擋的可視空間。