膜结构又称膜结构修建，也叫索膜结构，由支撑体系与高强度柔性薄膜资料相结合构成的一个安稳定型曲面，可以承受必定外加荷载的新式空间结构方式。因其外型轻盈而柔美、又自在多变，充满创意感和力气感，且具有装置方便、制造简便、阻燃耐热、节能环保、防辐射、运用安全等长处。恰是基于上述众多长处，这一修建方式在全世界都得到了广泛应用，并且发展迅速。

索膜结构是一种发展非常迅速的新型空间结构，是一种效率极高的张力集成体系，充分的发挥了钢索的强度与张拉整体结构的空间作用。这种结构以造型新颖、美感丰富、质轻透光、创意十足等优点在全球得到了推广应用，主要应用在体育建筑、商业设施、会展中心、娱乐中心、交通站场等屋盖。

到目前为止，国内外对索膜结构的设计理论、设计方法与施工技术开展了相对系统的研究和工程实践，我国也制定了《索膜结构设计规程》，但尚缺相应的施工技术规范，尤其是在索膜结构的安全使用与维护方面研究甚少。

在索膜结构的设计、建造过程中，从造型设计、 材料选用、构件设计、细部构造、裁剪设计到加工制作、安装张拉以及建成后的使用维护等过程中，任何步骤的错误或疏忽都有可能影响到工程的质量，甚至酿成工程事故。

本文将基于索膜结构的受力特点、设计要素及破坏特征分析，以实际工程安全使用为目标，形成实用有效的索膜结构安全使用维护策略。

1索膜结构的受力特点及设计要素

1.1受力特点

索膜材料均不具有抗弯能力，其上所有的点在分析模型中只具有3个自由度。这一特点实际可将索膜体系简化为长度任意改变的空间链杆体系，或将膜简化为可自由拉伸和转动的三节点或更多节点有限元组成的空间网格。

要使索、膜材料具有抵抗外荷载的能力，必须预先对其施加张拉力，以增加刚度，减小变形。由于索膜结构内的张拉力呈较为复杂的空间分布，因此，所施加张拉力大小一般需要通过计算机找形来确定。

在对索膜体系进行设计分析时，首先要给定结构的边界条件。而结构预张拉后在空间上确定的几何形状还未可知，如何确定在给定边界条件下索膜结构的空间几何形状及与之相应的预张力分布就是找形所要解决的问题。

索膜体系的找形问题中并没有一个确定的、处于平衡状态的初始形状，需要从假定的几何形状和预张力分布出发来寻找这个可用于荷载分析的初始形状。

所得结果一要满足边界条件，二要满足其预张力分布处于平衡。膜面的初始形状一般应有向上和向下两个方向的曲率，避免过分平坦，以抵抗风压力和风吸力。这应是检验和调整找形结果的一个基本原则。

索膜材料只可受拉，不能受压。受压或拉力为0将在实际上导致膜材出现故障，而索将屈曲变形，同时推动承载能力;风荷对作用于索膜结构所引起的水平力和上拔力对支架结构及其基础的设计有很大影响。为抵抗水平力和上拨力，斜拉稳定索成为支架结构中的常用构件，基础采用抗拔锚锭。

1.2 设计要素

索膜结构的设计由于其自身的受力特点不同于一般传统结构形式，技术上必须经过如下步骤：

1)初始形态分析 膜结构的初始形态分析应满足边界条件和合理预张力的要求，并满足建筑造型和使用功能的要求。膜结构中索膜构件的预张力值应根据膜材类型、膜面荷载可能产生的变形以及施工等因素确定。预张力值必须保证在第一类荷载效应组合下，所有索、膜构件均处于受拉状态。此过程与方案设计过程密不可分，往往需反复调整方可既满足建筑形状的要求又保证结构的经济合理及安全可靠。在初始形态分析的研究过程中先后提出过非线性有限元法、动力松弛法(Barnes，1974年)和力密度法(Schek，1974年)等。目前普遍采用的是以固体力学大位移理论为基础的非线性有限元法，在此方法中，为了使预应力值保持不变，需令结构发生大位移和大变形时并不引起内力变化，即本构关系失效。

因此，利用非线性有限元法进行找形分析是一个假想的数学过程，而非真实的物理过程，但反映了物理的真实性。

2)荷载分析 膜结构的荷载效应分析，应在初始形态分析确定的几何形状和预张力的基础上，考虑各种可能的荷载组合情况对膜结构内力和变形的影响。当计算结果不能满足要求时，应重新确定初始形态。索、膜结构重量轻、刚度小、自振频率低，风荷载是结构设计中起决定性作用的外荷载，索、膜结构对风的动力作用十分敏感，在设计中必须予以考虑，计算索、膜的内力和位移时，应考虑风荷载的动力效应。对于形状较为简单的膜结构可采用乘以风振系数的方法考虑结构的风动力效应。

3)裁剪分析 裁剪分析是膜结构设计中的一个关键问题，裁剪下料图的准确与否直接关系到施工安装后的平整度，即形态分析所得的膜曲面与实际施工安装后的曲面形状是否相吻合，进而影响到荷载分析结果的准确性。考虑到平面膜材有一定幅宽限制及膜曲面的复杂多样，裁剪分析过程主要分为两个步骤：①将膜曲面剖分成空间膜片，称为裁剪线的确定;②将空间膜片展开为平面裁剪条元称为膜片展开。裁剪分析方法主要有：物理模型法、力学模型法和几何模型法等。

2 影响索膜结构安全使用的因素

在薄膜结构的发展过程中先后出现了充气式膜结构和张拉式膜结构两种基本形式，以下着重讨论影响张拉式索膜结构安全使用的因素。

2.1 风致索膜破坏 索膜结构风致破坏有两种形式，即膜材撕裂和拉索断裂。强风作用下膜材撕裂和拉索断裂的现象时有发生。造成膜材撕裂的原因大都与膜面松驰有关。如因膜面过于扁平，或预张力不足，或因膜材徐变导致松驰后没有及时进行二次张拉，致使膜面的整体刚度很低，在强风作用下出现大幅度的摆动， 导致膜材被撕裂或在摆动过程中撞击到其他物体而发生破坏。造成拉索断裂则多起因于强风使拉索产生抖振或颤振，最终引发共振或疲劳破坏。

2.2 膜面积雪、积水造成膜材撕裂 膜面积雪也会导致膜材撕裂。膜面的不均匀积雪相当于局部堆载，加之降雪后气温很低，膜材本身冷缩并变得脆硬，膜面适应应力重分布的能力降低，则易发生撕裂。膜结构的刚度是由其几何形状和所施加的预张力共同提供的。如果膜面过于扁平或施加的预张力不足，膜面就可能在降雨时产生积水。膜面积水越积越多，最终有可能导致膜面撕裂或支承结构破坏。

2.3 连接构件失效导致破坏 连接构件是膜面或索与其他构件相连接的重要构件。连接构件的破坏形式主要有构件断裂或锚固脱落等。连接构件的失效有可能造成结构整体失稳、膜面从空中坠落等严重后果。

2.4 吊装、张拉不当造成膜材撕裂 吊装时，在自重及风作用下，膜材极易因应力集中而被撕裂。张拉膜面时，若因施力点偏向一侧造成张拉不均匀，或加载速率过快，或张拉过度，膜面应力超过材料的抗拉强度，或因加载设备如手葫芦或因锚固构件意外失效导致膜面局部突然不均匀卸载等因素，都有可能造成膜材撕裂。

索膜构造作为一种新的修建方式于本世纪五十年代在国际上开始呈现，至今已有六十多年的前史，特别是到了七十年代今后，膜构造的运用得到了迅速发展。索膜构造的呈现为修建师们提供了超出传统修建形式以外的新挑选。索膜构造一改传统修建材料而运用膜材，其分量仅仅传统修建的三十分之一，并且膜构造能够从根本上战胜传统构造在大跨度(无支持)修建上实现时所遇到的艰难，能够发明无穷的无遮挡的可视空间。