插件由不銹鋼材料進行機械加工而成，主要在梁－梁、梁－柱連接節點處使用，作為梁－梁、梁－柱連接間的橋梁。由于不銹鋼的各種力學性能均比鋁合金的高、插件與鋁合金構件連接時在連接處具備一定的連接長度，并且在梁柱等連接部位還用不銹鋼蓋板進行了加強，保證了連接節點的受力性能（圖6、圖7）。
（三）支撐布置
為保證展示廳結構的橫、縱向水平剛度及空間整體性，在柱與柱之間（除結構一側出入口處）設置了柱間支撐，并在兩側山墻處斜梁之間、跨中斜梁之間設置了撐桿。
柱間支撐屬柔性支撐，由兩條鋁板交叉布置，每道撐桿由兩條分別固定在斜梁兩側的鋁板構成，鋁板間布置適量墊塊并用螺栓夾緊，使兩塊鋁板協同工作。
各種支撐的布置加上作為圍護結構的鋁合金欄桿的輔助作用，使結構各向剛度增大，保證了整體穩定性。
（四）受力分析
結構主要受結構自重、枕式結構膜面對周圍鋁合金構件的拉力兩類力的作用，其中前者因鋁合金和ETFE膜材自身輕質的特點相比后者對結構的作用可忽略不計；由于鋁合金材料的彈性模量較低，僅為鋼材彈性模量的1/3，作用在梁上的外力易造成較大的撓度，不利于結構承載并可使ETFE膜面產生褶皺，應予避免，故膜面產生的拉力是結構設計需應主要考慮的作用力。
膜面產生的拉力作用在枕式結構四周的鋁合金構件上，其中屋脊和位于兩塊枕式結構間的斜梁均同時受到兩側膜面拉力作用，因此只需驗算山墻處斜梁和各水平梁的最大撓度。山墻處斜梁和水平梁的截面及梁長一樣、所受作用力亦相同，梁端節點均有不銹鋼插件連接的約束，可視為半剛性連接。ETFE枕式結構中，膜材厚度為0.2mm，上、下共兩層膜，計算變形時假設膜面應力為10MPa，則作用在鋁合金構件上的均布拉力為4kN/m。假定梁端鉸接，計算得到梁跨中撓度為7.189mm（L/270），符合規范（4）要求。
四、雙層ETFE氣枕設計
（一）結構原理
氣枕結構是充氣膜的一種，由雙層或雙層以上薄膜組成，通過在膜層之間充入一定內壓的空氣，使膜面張緊從而抵抗外載。與氣承式充氣膜結構一樣，大型ETFE氣枕結構的內壓也分成正常工作內壓、暴風時和降雪時內壓等，并通過傳感器、控制系統、送風系統對內壓進行全天候監控。氣枕結構是全封閉的，內壓一般比氣承式的高，但氣枕結構漏氣量少，充氣能耗較低。
（二）膜面設計
膜面設計包含膜面的找形分析、應力分析、裁剪分析和連接設計。膜面的裁剪分析方法與一般膜結構是一樣的，這里不再贅述。
充氣膜的找形分析是尋找內壓與膜面預張力的平衡曲面。給定正常工作內壓，膜面預張力,通過有限元計算得到平衡曲面，比較平衡曲面與設計要求曲面（例如矢跨比），調整膜面預張力直至平衡曲面滿足設計要求。若調整后的正常內壓下的預張力過小或過大，則需綜合分析，修正正常工作內壓或設計方案。本論文利用自行開發的程序進行氣枕的找形和應力分析(5)。本雙層ETFE氣枕找形分析時正常工作內壓取400Pa，膜面預張力取3MPa，得到矢跨比為1/10的膜面形狀（圖8）。
本論文對ETFE薄膜進行單向拉伸試驗，測得ETFE薄膜的屈服強度、彈性模量和泊松比。應力分析時考慮ETFE薄膜為各向同性材料，彈性模量為750MPa，泊松比為0.45，屈服強度為15.3MPa。本實驗展示廳為臨時設施，只進行了簡單的應力計算，設定全膜面一致的風荷載700N/m2（風吸）和雪荷載100N/m2，風荷載和雪荷載僅作用于上層膜面，且假定風荷載和雪荷載下氣枕內壓仍然為400Pa。計算結果顯示風荷載下膜面最大應力為8.43MPa，膜面不會積雪。
ETFE薄膜在60℃以上時材料蠕變較大。ETFE薄膜透光性極高，不會因吸收太陽光產生高溫，但固定邊界等連接部通常為金屬材料，易產生高溫導致ETFE薄膜變形。因此連接設計在防止漏氣以外，還應防止連接處的ETFE薄膜溫度過高。本氣枕的邊界連接采用鋁合金材料，并用橡膠墊片進行絕熱（圖9）。
（三）充氣設備
實驗展示廳采用氣枕的體積小、數量少、氣密好，氣枕在正常工作氣壓下漏氣量少。一般的微型氣泵商品可以提供高氣壓（約2500Pa）、低流量（約15L/min）的氣流，體積微小，移動方便，既能滿足為氣枕充氣的需要又易于控制，可隨用隨充，按需補壓，是本展示廳的理想充氣設備。
五、彈簧支撐ETFE枕式結構設計
（一）結構原理
圖10為展示廳采用的彈簧支撐ETFE枕式結構原理圖。上下兩層ETFE薄膜周邊固定于鋁合金框架上，薄膜中央套筒和頂桿相連，壓縮的彈簧安裝于套筒中，通過頂桿將上下膜面張緊。彈簧的變形量可以通過調節螺栓調整，在膜面安裝和日后膜面再張緊時進行。
受壓的彈簧可以追隨膜面可能發生的松弛和變形，從而使膜面保持張緊狀態，同時膜面還可以通過調整螺栓進行再張緊。彈簧支撐ETFE枕式結構省略了氣枕的充氣系統，不存在漏氣隱患，對薄膜結構的密封要求也大大降低。
（二）膜面設計
膜面周邊的連接采用與氣枕膜完全相同的方法，膜面與套筒和頂桿通過壓板進行連接。
彈簧支撐ETFE枕式結構由柔性的膜面和彈簧以及剛性的邊界、壓板和套筒（頂桿）組成。結構分析時將膜面和彈簧作為柔性體、圓盤和套筒（頂桿）作為剛性體，將結構作為整體進行分析，利用自行開發的有限元程序進行找形分析和應力分析(5-7)。膜面找形分析時，按膜面矢高比為1/10、膜面初張力為5MPa為條件，確定彈簧的預壓力為0.48kN，得到圖11所示的膜面形狀。
應力分析時，可根據荷載規范確定風荷載和雪荷載進行應力和變形計算，計算結果應保證膜面應力不超過ETFE薄膜強度設計值，膜面不易產生積雪。本實驗展示廳為臨時設施，與氣枕相同，設定全膜面一致的風荷載700N/m2（風吸）和雪荷載100N/m2，風荷載和雪荷載僅作用于上層膜面。計算結果顯示風荷載下膜面最大應力為12.82MPa，膜面不會積雪。
（三）彈簧設計
彈簧為膜面提供預張力，同時彈簧應具有合理剛度使膜面不會發生很大變形。彈簧的預壓力由找形分析過程確定，為了使彈簧具有追隨膜面松弛變形以及風荷載（風吸）變形的能力，彈簧在預壓力下應具有足夠的壓縮量，即彈簧的剛度不應過大。但彈簧剛度太小會使上層膜面在雪載下產生很大變形，因此彈簧的剛度也不能過小。由此可確定彈簧剛度的合理范圍，再根據彈簧的最大受力，確定彈簧的幾何參數（8）。
展示廳的彈簧采用市販規格品，彈性系數為58N/mm，初始壓縮量為8.3mm，風吸時（700N/m2）彈簧的壓縮量減小為3.5mm。
六、制作與安裝
在各部件加工完成后，展示廳進行預拼裝，以檢驗構件加工及結構安裝的正確性。預拼裝包括鋁合金主體結構及部分ETFE薄膜屋面等的安裝（圖12、13）。
通過檢查，實驗展示廳各構件的制作基本達到了要求，結構安裝簡單、高效，整個結構輕巧、美觀，基本達到了設計預想的目標。
七、結論
鋁合金、ETFE薄膜是近幾年發展起來并開始使用的新型建筑材料，相關規范也將相繼頒布實施。本實驗展示廳采用鋁合金結構作為結構主體，通過設計合理的構件截面、插件進行連接；采用ETFE薄膜枕式結構作為屋面，其中的彈簧支撐枕式結構首次在結構設計中采用，也是對枕式膜結構設計的有益嘗試。
本論文設計、制作的ETFE屋蓋鋁合金實驗展示廳外形美觀、受力合理、施工簡便，作為易拆卸、可重復安裝使用的臨時性建筑的可選形式，具有良好的應用價值和前景。
參考文獻
（1）石永久，程明，王元清．鋁合金在建筑結構中的應用與研究．建筑科學[J]，2005，Vol．21（6）：7－11．
（2）上海市工程建設規范，膜結構檢測技術規程（報批稿），2007
（3）吳明兒．改進的雙層枕式膜結構．國家發明專利，申請號200610148740.5，2006
（4）國家標準，鋁合金結構設計規范（報批稿），2007
（5）J Liu, M Wu, Q Zhang. Structural analysis for double-layer ETFE cushion. Proc. IASS-APCS 2006, Beijing.
（6）Y Hangai, M Wu. Analytical method of structural behaviours of a hybrid structure consisting of cables and rigid structures. Engineering Structures, 21, 1999: 726-736.
（7）呉明児，大森博司．ケーブル·膜及び剛體構造による複合張力構造の解析法に関する研究．日本建築學會構造系論文集，No.540，2001：87－94.
（8）吳宗澤．機械設計實用手冊．北京：化學工業出版社，2003【完】
上一頁12下一頁
