大跨度空间张拉膜结构低温施工技术

冬季施工由于施工环境较为恶劣，是建筑施工工程质量事故多发时期，而且如果不做好冬季施工的准备和采取正确的方法和措施，冬季施工往往还会影响整个工程的质量。

对于大跨度空间张拉膜结构工程来说，冬季施工过程中会面临以下难题：

1) PTFE膜材在温度4 ℃以下拉伸时应力无法传递； 2)膜成品在运输途中保温难度大； 3)膜成品在现场二次搬运、附件组装过程中操作难度大，施工工效低； 4)冬季施工高空作业安全可控难度大，防护成本高； 5)膜成品地面组装、空中展膜、移位，防止膜面局部折损难度大。

空中滑移技术及可调节螺杆的应用解决了PTFE膜材在4 ℃以下的环境中无法进行张拉这一问题，以某大型体育场为例，施工时间为11月至次年3月，巨大的冬季施工工程量创造了首例国内大跨度膜结构冬季施工技术。

该体育场工程共计含有144片膜片，膜片最大面积约400m2，最小面积为240m2，总工程量为25040m2。索膜结构平面、三维如下图所示：

 

 

1.PTFE膜片张拉

由于PTFE膜片无法在4 ℃以下的环境中进行张拉，故需要在室内对膜片进行预张拉，以满足安装尺寸基本要求。根据膜材生产商提供的膜应力-应变曲线，对纬向进行预张拉分析，根据设计所需要的膜面应力值，确定预张拉量，指导预张拉，如图所示：

 

 

膜片预张拉补偿值

膜单元预张拉补偿量：最大膜单元纬向补偿量约为1 400 mm，径向补偿量约为60 mm；最小膜单元纬向补偿量约为1200 mm，径向补偿量约为50～80 mm。受地面条件的限制，纬向补偿量张拉在地面进行；径向补偿量采用加长U形可调节螺杆中张拉螺杆的长度进行临时安装，待吊装、安装完毕温度允许时，进行二次张拉后截短，如图所示：

 

 

2.膜单元组装

采用膜单元形式安装膜片，与以往膜结构单独安装膜片相比，效率提升约1倍，且大量空中作业可在地面预先完成，减少了高空作业带来的安全隐患,顺应冬季施工需要。膜单元通过一条脊索及该脊索相邻的两片膜片组成，索与膜片连接方式为：脊索边界连接为不可调节，谷索边界为可调连接。后期二次张拉通过可调节边界实现。

 

 

3.膜单元吊装

膜单元组装完毕后，开始膜单元的吊装工作。由于膜最长长度在42 m左右，如用吊车起吊后，在空中扭转就位十分困难，甚至会因为操作不当对膜单元造成破坏。针对现场场地条件，通过对大型卷扬机的组合使用，研发出一种安全高效、操作简便的提升系统：空中滑移提升。该方法亦为本工法中的创新之处，操作时共采用2台50 kN卷扬机，1台30 kN卷扬机，提升点分别位于脊索后端索头位置、脊索前端索夹位置、环索方向距脊索前端索夹长度位置。

提升工作开始时，同时启动脊索前端的50 kN卷扬机与脊索后端的30 kN卷扬机，将已组装好的膜片整体提升至合适的高度；此时膜单元与环索方向平行；启动钢结构脊索耳板处的50 kN卷扬机向上提升，同时连接脊索后端的30 kN卷扬机向下降落，使膜片空中转向，提升到安装位置,如图所示：

 

 

4.膜单元安装

单元膜片提升到位后，首先，拉动脊索前端的2个倒链，将索头张拉到位，穿入索销；然后，拉动脊索后端的2个倒链，将索头张拉到位，穿入索销。将前边索的两端分别与脊索索夹、谷索索夹的相应耳板连接；然后，将自然下垂的2个膜片向相邻的谷索上拉升，并通过可调节连接件进行定位连接，如图所示：

 

 

5.膜面二次张拉

预应力对于膜面施加次序：保证膜单元体在施加预应力时，先角部后中部；先短边后长边依次进行，并保持对称性张拉。膜单元张拉顺序和膜组单元张拉顺序示意如图所示：

 

控制方法。位移的控制量：首次位移量应为设计值的50%，二次位移量是设计值的30%，三次位移量为设计值的20%，最大位移偏差为±10%。

施加间隔。每次预应力的施加间隔为24 h：当依次施加第二次和第三次预应力时，各控制点人员时刻观察膜面的张紧程度，若发现有应力集中现象时应立即调整，防止破坏膜面。视膜面张紧程度，可调节谷索长度，进行个别膜面预应力的调整。

膜面张拉基本完成后，方可交后续施工单位进行马道及维修走道的安装，以免交叉施工造成膜面损伤或破坏。马道安装完成后，进行膜单元张拉调整。视膜面张紧程度，调节谷索长度，进行膜面预应力的调整。

6.质量控制措施

使用标定位移法对膜应力进行控制，必要时辅助以膜材预张力测量仪进行膜应力测量；对已安装完成的膜片, 在没有张拉前, 应定期检查, 防止因风振动使螺栓松动, 直至工程竣工。 

水平张拉力张拉原则：每一边自中部开始向两侧顺序张拉。 

通过两侧对称调节张拉螺栓给膜施加预张力，每次张拉位移不超过2 cm，每隔10 h调节一次，随时观察膜应力变化情况，遇有膜片应力集中的情况应及时调整，避免膜片破坏。分3～4次进行张拉，达到设计位移量的±5%，张拉完成。

为避免膜片张拉对钢结构的影响，膜片每一步施加张力前应保证上一步所有膜片已按要求施加张力完成，不得将膜的预张力一次施加到位。

对有代表性的施力点还应进行张力值抽查，张力值允许偏差为±10%，如下图：

 

 

该体育场工程顺利完成了膜结构的冬季施工任务，预张力施力点位移偏差在允许范围±10%以内；内环索上的点最大平面偏差不超过±60 mm，最大高度偏差不超过±210 mm；膜结构张拉完成后，整体观感质量满足设计要求。大跨度膜结构低温施工技术的应用，成功解决了索膜结构冬季施工难题，同时又做到了工程高效、保质，对同类工程具有一定的借鉴意义。