插件由不锈钢材料进行机械加工而成，主要在梁－梁、梁－柱连接节点处使用，作为梁－梁、梁－柱连接间的桥梁。由于不锈钢的各种力学性能均比铝合金的高、插件与铝合金构件连接时在连接处具备一定的连接长度，并且在梁柱等连接部位还用不锈钢盖板进行了加强，保证了连接节点的受力性能（图6、图7）。
（三）支撑布置
为保证展示厅结构的横、纵向水平刚度及空间整体性，在柱与柱之间（除结构一侧出入口处）设置了柱间支撑，并在两侧山墙处斜梁之间、跨中斜梁之间设置了撑杆。
柱间支撑属柔性支撑，由两条铝板交叉布置，每道撑杆由两条分别固定在斜梁两侧的铝板构成，铝板间布置适量垫块并用螺栓夹紧，使两块铝板协同工作。
各种支撑的布置加上作为围护结构的铝合金栏杆的辅助作用，使结构各向刚度增大，保证了整体稳定性。
（四）受力分析
结构主要受结构自重、枕式结构膜面对周围铝合金构件的拉力两类力的作用，其中前者因铝合金和ETFE膜材自身轻质的特点相比后者对结构的作用可忽略不计；由于铝合金材料的弹性模量较低，仅为钢材弹性模量的1/3，作用在梁上的外力易造成较大的挠度，不利于结构承载并可使ETFE膜面产生褶皱，应予避免，故膜面产生的拉力是结构设计需应主要考虑的作用力。
膜面产生的拉力作用在枕式结构四周的铝合金构件上，其中屋脊和位于两块枕式结构间的斜梁均同时受到两侧膜面拉力作用，因此只需验算山墙处斜梁和各水平梁的最大挠度。山墙处斜梁和水平梁的截面及梁长一样、所受作用力亦相同，梁端节点均有不锈钢插件连接的约束，可视为半刚性连接。ETFE枕式结构中，膜材厚度为0.2mm，上、下共两层膜，计算变形时假设膜面应力为10MPa，则作用在铝合金构件上的均布拉力为4kN/m。假定梁端铰接，计算得到梁跨中挠度为7.189mm（L/270），符合规范（4）要求。
四、双层ETFE气枕设计
（一）结构原理
气枕结构是充气膜的一种，由双层或双层以上薄膜组成，通过在膜层之间充入一定内压的空气，使膜面张紧从而抵抗外载。与气承式充气膜结构一样，大型ETFE气枕结构的内压也分成正常工作内压、暴风时和降雪时内压等，并通过传感器、控制系统、送风系统对内压进行全天候监控。气枕结构是全封闭的，内压一般比气承式的高，但气枕结构漏气量少，充气能耗较低。
（二）膜面设计
膜面设计包含膜面的找形分析、应力分析、裁剪分析和连接设计。膜面的裁剪分析方法与一般膜结构是一样的，这里不再赘述。
充气膜的找形分析是寻找内压与膜面预张力的平衡曲面。给定正常工作内压，膜面预张力,通过有限元计算得到平衡曲面，比较平衡曲面与设计要求曲面（例如矢跨比），调整膜面预张力直至平衡曲面满足设计要求。若调整后的正常内压下的预张力过小或过大，则需综合分析，修正正常工作内压或设计方案。本论文利用自行开发的程序进行气枕的找形和应力分析(5)。本双层ETFE气枕找形分析时正常工作内压取400Pa，膜面预张力取3MPa，得到矢跨比为1/10的膜面形状（图8）。
本论文对ETFE薄膜进行单向拉伸试验，测得ETFE薄膜的屈服强度、弹性模量和泊松比。应力分析时考虑ETFE薄膜为各向同性材料，弹性模量为750MPa，泊松比为0.45，屈服强度为15.3MPa。本实验展示厅为临时设施，只进行了简单的应力计算，设定全膜面一致的风荷载700N/m2（风吸）和雪荷载100N/m2，风荷载和雪荷载仅作用于上层膜面，且假定风荷载和雪荷载下气枕内压仍然为400Pa。计算结果显示风荷载下膜面最大应力为8.43MPa，膜面不会积雪。
ETFE薄膜在60℃以上时材料蠕变较大。ETFE薄膜透光性极高，不会因吸收太阳光产生高温，但固定边界等连接部通常为金属材料，易产生高温导致ETFE薄膜变形。因此连接设计在防止漏气以外，还应防止连接处的ETFE薄膜温度过高。本气枕的边界连接采用铝合金材料，并用橡胶垫片进行绝热（图9）。
（三）充气设备
实验展示厅采用气枕的体积小、数量少、气密好，气枕在正常工作气压下漏气量少。一般的微型气泵商品可以提供高气压（约2500Pa）、低流量（约15L/min）的气流，体积微小，移动方便，既能满足为气枕充气的需要又易于控制，可随用随充，按需补压，是本展示厅的理想充气设备。
五、弹簧支撑ETFE枕式结构设计
（一）结构原理
图10为展示厅采用的弹簧支撑ETFE枕式结构原理图。上下两层ETFE薄膜周边固定于铝合金框架上，薄膜中央套筒和顶杆相连，压缩的弹簧安装于套筒中，通过顶杆将上下膜面张紧。弹簧的变形量可以通过调节螺栓调整，在膜面安装和日后膜面再张紧时进行。
受压的弹簧可以追随膜面可能发生的松弛和变形，从而使膜面保持张紧状态，同时膜面还可以通过调整螺栓进行再张紧。弹簧支撑ETFE枕式结构省略了气枕的充气系统，不存在漏气隐患，对薄膜结构的密封要求也大大降低。
（二）膜面设计
膜面周边的连接采用与气枕膜完全相同的方法，膜面与套筒和顶杆通过压板进行连接。
弹簧支撑ETFE枕式结构由柔性的膜面和弹簧以及刚性的边界、压板和套筒（顶杆）组成。结构分析时将膜面和弹簧作为柔性体、圆盘和套筒（顶杆）作为刚性体，将结构作为整体进行分析，利用自行开发的有限元程序进行找形分析和应力分析(5-7)。膜面找形分析时，按膜面矢高比为1/10、膜面初张力为5MPa为条件，确定弹簧的预压力为0.48kN，得到图11所示的膜面形状。
应力分析时，可根据荷载规范确定风荷载和雪荷载进行应力和变形计算，计算结果应保证膜面应力不超过ETFE薄膜强度设计值，膜面不易产生积雪。本实验展示厅为临时设施，与气枕相同，设定全膜面一致的风荷载700N/m2（风吸）和雪荷载100N/m2，风荷载和雪荷载仅作用于上层膜面。计算结果显示风荷载下膜面最大应力为12.82MPa，膜面不会积雪。
（三）弹簧设计
弹簧为膜面提供预张力，同时弹簧应具有合理刚度使膜面不会发生很大变形。弹簧的预压力由找形分析过程确定，为了使弹簧具有追随膜面松弛变形以及风荷载（风吸）变形的能力，弹簧在预压力下应具有足够的压缩量，即弹簧的刚度不应过大。但弹簧刚度太小会使上层膜面在雪载下产生很大变形，因此弹簧的刚度也不能过小。由此可确定弹簧刚度的合理范围，再根据弹簧的最大受力，确定弹簧的几何参数（8）。
展示厅的弹簧采用市贩规格品，弹性系数为58N/mm，初始压缩量为8.3mm，风吸时（700N/m2）弹簧的压缩量减小为3.5mm。
六、制作与安装
在各部件加工完成后，展示厅进行预拼装，以检验构件加工及结构安装的正确性。预拼装包括铝合金主体结构及部分ETFE薄膜屋面等的安装（图12、13）。
通过检查，实验展示厅各构件的制作基本达到了要求，结构安装简单、高效，整个结构轻巧、美观，基本达到了设计预想的目标。
七、结论
铝合金、ETFE薄膜是近几年发展起来并开始使用的新型建筑材料，相关规范也将相继颁布实施。本实验展示厅采用铝合金结构作为结构主体，通过设计合理的构件截面、插件进行连接；采用ETFE薄膜枕式结构作为屋面，其中的弹簧支撑枕式结构首次在结构设计中采用，也是对枕式膜结构设计的有益尝试。
本论文设计、制作的ETFE屋盖铝合金实验展示厅外形美观、受力合理、施工简便，作为易拆卸、可重复安装使用的临时性建筑的可选形式，具有良好的应用价值和前景。
参考文献
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