1、張拉膜結構概念設計研究 一、從結構方式上大致可分為骨架式、張拉式、充氣式膜結構3種形式?？诤Ｑ笫澜缛肟谀そY構 1.骨架式膜結構(FrameSupportedStructure) 以鋼構或是集成材構成的屋頂骨架后,在其上方張拉膜材的構造形式,下部支撐結構安定性高,因屋頂造型比較單純,開口部不易受限制,且經(jīng)濟效益高等特點,廣泛適用于任何大,小規(guī)模的空間。 青島音樂廣場 2.張拉式膜結構(TensionSuspensionStructure) 以膜材、鋼索及支柱構成,利用鋼索與支柱在膜材中導入張力以達安定的形式。除了可實踐具創(chuàng)意,創(chuàng)新且美觀的造型外,也是最能呈現(xiàn)膜結構精神的構造形式。近年來,大型跨距

2、空間也多采用以鋼索與壓縮材構成鋼索網(wǎng)來支撐上部膜材的形式。因施工精度要求高,結構性能強,且具豐盛的表現(xiàn)力,所以造價略高于骨架式膜結構。 3.充氣式膜結構(PneumaticStructure) 充氣式膜結構是將膜材固定于屋頂結構周邊,利用送風系統(tǒng)讓室內(nèi)氣壓升高到一定壓力后,使屋頂內(nèi)外產(chǎn)生壓力差,以抵擋外力,因利用氣壓來支撐,及鋼索作為輔助材,無需任何梁,柱支撐,可得更大的空間,施工快捷,經(jīng)濟效益高,但需維持舉行24小時送風機運轉,在持續(xù)運行及機器維護費用的成本上較高。 二、膜材料用于膜結構建造中的膜材是一種具有強度,柔韌性好的薄膜材料,是由纖維編織成織物基材,在其基材兩面以樹脂為涂層材所加工固

3、定而成的材料,中心的織物基材分為聚酯纖維及玻璃纖維,而作為涂層材使用的樹脂有聚氯乙烯樹脂(PVC),硅酮(silicon)及聚四氟乙烯樹脂(PTFE),在力學上織物基材及涂層材分離具有影響下列的功能性質(zhì)。 織物基材抗拉強度,抗撕裂強度,耐熱性,耐久性,防火性。 涂層材耐候性,防污性,加工性,耐水性,耐品,透光性。 三、膜材的正確選定用于建造膜結構的膜材,依涂層材不同大致可分為PVC膜與PTEF膜,膜材的正確選定應考慮其建造的規(guī)模大小、用途、形式,使用年限及預算等綜合因素后確定。 PVC膜(PVC-CoatedPolyester) PVC膜材在材料及加工上都比PTFE膜廉價,且具有材質(zhì)松軟,易施

4、工的優(yōu)點。但在強度、耐用年限、防火性等性能上較PTFE膜差。PVC膜材是由聚脂纖維織物加上PVC涂層(聚氯乙烯)而成,一般建造用的膜材,是在PVC涂層材的表面處理上,涂以數(shù)micron厚的壓克力樹脂(acrylic),以改善防污性。但是,經(jīng)過數(shù)年之后就會變色、污損、劣化。一般PVC膜的耐用年限,依使用環(huán)境不同在58年。為了改善PVC膜材的耐侯性,近年來已研發(fā)出以氟素系樹脂于PVC涂層材的表面處理上做涂層,以改善其耐侯性及防污性的膜材。 PVDFPVDF是二氟化樹脂(PolyvinylideneFluoride)的略稱,在PVC膜表面處理上加以PVDF樹脂涂層的材料稱為PVDF膜。PVDF膜與一

5、般的PVC膜比較,耐用年限改善至710年左右。 PVFPVF是一氟化樹脂(PolyvinylFluoride)的略稱。PVF膜材是在PVC膜的表面處理上以PVF樹脂做薄膜狀薄片(laminate)加工,比PVDF膜的耐久性更佳,更具有防沾污的優(yōu)點。但由于加工性、施工性與防火性都不佳,所以使用用途受到限制。 PTFE膜(PTFECoatedFiberglass) PTFE膜是在超細玻璃纖維織物上,涂以聚四氟乙烯樹脂而成的材料。PTFE膜最大的特微就是耐久性、防火性與防污性高。但PTFE膜與PVC膜比較,材料費與加工費高,且松軟性低,在施工上為避開玻璃纖維被折斷,須有專用治工具與施工技術。 耐久性

6、:涂層材的PTFE對酸、鹼等化學物質(zhì)及紫外線十分安定,不易發(fā)生變色或破碎。玻璃纖維在經(jīng)長期使用后,不會引起強度劣化或張力減低。膜材色彩一般為白色、透光率高,耐久性在25年以上。 防污性:因涂層材為聚四氟乙烯樹脂,表面摩擦系數(shù)低,所以不易污染,可藉由雨水洗凈。 四、工程應用體育設施體育場館、健身中心等交通設施機場、火車站、公交車站、高速大路收費站、加油站等文化設施展覽/會議中心、劇場、博物館、動物園、水族館等景觀設施建造入口、泳池小品、小區(qū)長廊、戶外廣場、公園小品、標識性建造等商業(yè)設施購物中心、餐廳、步行街等工業(yè)設施工廠、倉庫、污水處理中心、物流中心、溫室等張拉膜結構的概念設計惟獨正確表達結構規(guī)

7、律的建造才有強大的說服力與表現(xiàn)力“這句話揭示了張拉膜結構的精髓。對于張拉膜結構,任何附加的支撐和修飾都是多余的,其結構本身就是造型;換句話說,不符合結構的造型是不行能的,由于那樣的薄膜不是飄動的就是缺乏穩(wěn)定性的。張拉膜結構的美就在于其”力“與”形“的完善結合。 張拉膜結構的基本組成單元通常有:膜材、索與支承結構(桅桿、拱或其他剛性構件)。 膜材一種新興的建造材料,已被公認為是繼磚、石、混凝土、鋼和木材之后的“第六種建造材料”。膜材本身不能受壓也不能抗彎,所以要使膜結構正常工作就務必引入適當?shù)念A張力。此外,要保證膜結構正常工作的另一個重要條件就是要形成互反曲面。傳統(tǒng)結構為了減小結構的變形就務必增

8、強結構的抗力;而膜結構是通過轉變樣子來凝聚荷載,從而獲得最小內(nèi)力增長的。當膜結構在平衡位置附近消失變形時,可產(chǎn)生兩種回復力:一個是由幾何變形引起的;另一個是由材料應變引起的。通常幾何剛度要比彈性剛度大得多,所以要使每一個膜片具有良好的剛度,就應盡量形成負高斯曲面,即沿對角方向分離形成“高點”和“低點”。“高點”通常是由桅桿來供應的,大概是因為這個緣由,有些文獻上也把張拉膜結構叫做懸掛膜結構(suspensionmembrane)。 索作為膜材的彈性邊界,將膜材劃分為一系列膜片,從而減小了膜材的自由支承長度,使薄膜表面更易形成較大的曲率。有文獻指出,膜材的自由支承長度不宜超過15米,且單片膜的掩

9、蓋面積不宜大于500平米。此外,索的另一個重要作用就是對桅桿等支承結構供應附加支撐,從而保證不會因膜材的破損而造成支承結構的崩塌。 膜結構設計主要包括以下內(nèi)容: 1,初始態(tài)分析:確保生成樣子穩(wěn)定、應力分布勻稱的三維平衡曲面,并能夠抵擋各種可能的荷載工況;這是一個反復修正的過程。 2,荷載態(tài)分析:張拉膜結構自身分量很輕,僅為鋼結構的1/5,混凝土結構的1/40;因此膜結構對地震力有良好的適應性,而對風的作用較為敏感。此外還要考慮雪荷載和活荷載的作用。因為目前觀測資料尚少,故對膜結構的設計通常采用平安系數(shù)法。3,主要結構構件尺寸確實定,及對支承結構的有限元分析。當支承結構的設計方法與膜結構不同時,應留意不同設計方法間的系數(shù)轉換。4,銜接設計:包括螺栓、焊縫和次要構件尺寸。5,剪裁設計:這一過程應具備須要的實驗數(shù)據(jù),包括所選用膜材的楊氏模量和剪裁補償值(應通過雙軸拉伸實驗決定)。 膜結構在方案階段需要考慮的問題有: 1,預張力的大小及張拉方式; 2,按照控制荷載來決定膜片的大小和索的布置方式;3,考慮膜面及其固定件的樣子以避開積水(雪);4,關鍵節(jié)點的設計,以避開應力集中;5,考慮膜材的運送和吊裝;6,耐久性與防火考慮。 在膜結構設計階段所要考慮的要點有: 1,保證膜面有足夠的曲率,以獲得較大的剛度和美學效果; 2,細化支承結構,以充分表達