摘要：本文就张拉膜结构裁剪分析中主要误差的产生进行了阐述，并采用非线性有限元法以初始找形后的状态为起始状态，以裁剪后的平面膜片单元与初始找形后空间膜单元之间的形状差引起的应力为初应力，求解出膜结构的实际应力，从而可以判断下料的准确度。 关键词： 张拉膜结构 裁剪分析 实际膜应力
1 引言
张拉膜结构是一种以柔性钢索或刚性支撑结构，将膜面绷紧从而形成具有一定刚度、能够承担外荷载、覆盖大跨度空间的结构体系。膜边界可以是柔性的索边界，也可以是刚性框架。索边界以钢索为主要形式，刚性框架可以是混凝土框架、木框架，钢框架等，钢框架是目前应用最广泛的刚性框架。本文将对膜结构中钢－膜节点连接进行初步探讨。
与钢结构类似，膜结构的节点设计是评价一个膜结构工程的重要指标之一，具有不可忽视的作用。由于膜材的抗拉极限强度较高，一般膜结构的初张力仅相当于其极限强度的5%，而在极限荷载作用下，膜材的最大应力控制在其极限强度的20%左右。因而大多数膜结构工程的破坏不是抗拉强度不足造成的，而是由于膜材撕裂引起的。
膜材撕裂主要有两个方面的原因：(1)膜材本身的缺陷。膜材的力学性能未能达到其设计强度指标，或由于膜材制作、运输、安装过程中不慎造成膜材基布纤维数根破断。这可以通过对膜材的管理、质量验收等解决。(2)由于节点连接不合理。节点连接不合理，一方面会导致节点本身的破坏而导致结构破坏，另一方面在反向风荷载的作用下，可能会发生节点损伤膜材而引起结构破坏的情况。
膜材具有一定的透光率，张拉后的膜曲面是柔和、光顺的曲面，因而膜节点通常清晰可见，十分突出。节点设计是否精致，将直接影响到整个膜结构的造型和美观。如图1所示。
2 节点设计的要求及影响因素
由上述知，由于膜结构是一种特殊的结构型式，节点设计亦较传统钢结构的节点设计有其自身的特点和要求，膜结构的节点设计满足：
(1) 结构上的要求：节点设计首先必须满足结构受力要求，即强度足够承受安装、使用过程中可能出现的最大外力，并有一定的安全富余。节点必须具有足够的稳定性，以保证节点和结构的安全。节点的柔性使节点具有可变形能力，使外力能够顺利的传递。此外，还要确保节点的超静定性，防止一个方向局部破坏而导致整个结构发生连锁式倒塌。
(2)施工上的要求：节点设计的精确与否直接影响到张拉膜结构的受力性能和施工质量。膜结构的膜材制作是在专用膜材料加工厂热合加工而成，通过现场组装预制构件(膜片、索等)而实现的。由于膜材的尺寸、及钢索的长度都是事先严格下料计算的，因此节点的尺寸及位置的偏差将导致膜片或钢索不能精确定位，从而会影响张拉体系的应力分布，使局部应力集中或有些地方出现应力松弛而产生褶皱，出现超张拉或张拉不足。这些都是应该极力避免的。为了保证张拉后的膜结构预应力分布达到所设计的应力分布状态，节点必须定位准确，传力途径明确合理。为了便于工人施工操作，要求节点须有一定的工作空间确保施工质量。
图2 节点的锈蚀
(3)使用要求：节点在使用过程中应具有良好的耐久性，如抗腐蚀性、抗锈蚀性、水密性等，确保节点能够有足够的承载能力而不引起节点的破坏。。对于有排水功能的节点设计，如膜谷处设置的排水沟，要求节点有良好的防漏水、防漏雪性能。当使用阶段出现节点局部损伤或轻微破坏时，应便于维护、加固。有些膜结构工程考虑膜材的徐变松弛，，则节点的设计应设置可调或可拆卸装置，便于进二次张拉行。
(4)美观：膜结构的一大特点就是造型优美、结构形式新颖飘逸。由于节点明显可见，对整个结构的外观影响至关重要。优秀的节点设计将对整个膜结构的外观起画龙点睛的作用。节点应力求精致、轻巧、简洁，节点各构件
间尺寸应符合比例协调，与整个结构及周边环境和谐统一。
(5)经济性：节点设计在考虑满足上述各要求的同时考虑其经济性，使节点设计趋于完善。设计节点时，应充分发挥各材料和构件的性能，避免节点繁冗、笨重。
膜结构节点设计则要综合考虑以下因素：膜结构建筑的结构型式及类型；所选用的膜材；连接类型(如膜边界、膜脊、膜谷、膜角点等)；荷载以及其他因素。
3 常见钢－膜节点类型及其特点
膜结构节点类型丰富，极具灵活性。对于一般的膜结构工程，通常要进行膜边界、膜角点、膜脊、膜谷的设计，锥形及其他最高点、最低点的设计。下面将分别介绍。
(1) 膜边界
膜面承受的荷载是通过膜边界传递到墙、基础、支座等部件的。根据膜外边缘连接构件的型式可将膜边界分为柔性和刚性边界。
柔性边界是指膜边缘与索或带连接。钢索作为膜边界与膜的连接主要有两种形式：膜套边界和带状边界。膜套边界是指将膜材边缘处翻折形成膜套，将边索套入的连接形式。如图5所示。这种边界连接适合于质地较柔软、拉伸性较好、易于翻折的膜材，如目前市场上广泛采用的PVC膜材适用于这种连接。其优点是施工方便，操作简单，膜索受力明确。膜面覆盖面积大，且索包裹在膜套中，不易锈蚀。缺点是索膜之间容易产生相对滑移，尤其在边界曲率较大的地方，膜套容易出现褶皱。膜索之间的距离不可调节，不能进行二次张拉。
带状边界中膜与索之间有一定的间距，且该间距可以进行调节，实现索和膜面的张紧和松弛。为了使边界拉力分布均匀，需要加大膜－索间距，从而减少了膜覆盖面积。带状边界适合于比较刚硬的膜材，如PTFE膜材，柔顺性较差，难以翻折。这种边界可以防止膜边界的褶皱，并能通过调节索－膜间距进行二次张拉 |
