膜結構施工和實際應用中存在問題的研究

張競予

摘要:本文首先介紹了膜結構工程應用狀況以及發展,接著闡述了膜結構施工和應用問題研究的意義,最后通過對膜結構在施工和實際應用中存在問題的分析研究,為膜結構施工應用等問題的進一步研究提供了借鑒。

關鍵詞:膜結構實際應用施工問題

中圖分類號:TU996 文獻標識碼:A 文章編號:1672-3791(2012)04(c)-0149-01

1膜結構應用及發展

在倡導發展低碳節能和綠色智能建筑的今天,集力學、精細化工等為一體,建筑與結構完美結合的結構體系—— 膜結構,已發展成為本世紀最具代表性的建筑結構形式。它是從20世紀中期逐步發展起來的,而最早的膜結構則是1967年在加拿大蒙特利爾展覽會上的德國館[1]。20世紀末,歐洲將膜材用作建筑屋面材料,被應用于植物園、動物園及游泳館等建筑中。膜結構建筑的開發與應用,可以擺脫對鋼材、木材、混凝土等傳統材料的依賴,為建筑帶來一場新的革命[2]。由于它具有高透光性,和處于含氯消毒劑、溫暖潮濕、強紫外線照射等諸多惡劣環境下的良好的耐久性能的表現,已被應用于工業、商業等建筑領域里。此外配合LED燈的組合照明設計的運用,可營造出建筑極其豐富的光環境外觀形態,達到很好的視覺效果,也是其他建筑材料所很難實現的。

2膜結構施工和應用問題研究的意義

膜結構主要的研究方面有膜單元的制作和加工,膜材的性能及對結構作用的分析,膜結構的動力特性研究,膜結構褶皺處理和安裝施工方法及預應力的施加等。對于一個成功的建筑而言,除了前期建造成本需進行控制之外,更為重要的在后期使用運行費用成本。鑒于此點,在施工快捷、節能等方面有諸多優點膜結構的優勢便不言而喻。膜材具有多方面良好的熱工性能,決定了它多被應用在建筑的外圍護結構部分,為建筑提供符合要求的室內衛生環境[3],同時再配以良好的建筑運行管理措施,便可降低建筑的使用運行成本。膜材還能夠直接與鋼結構等結構組合運用為承重結構,這就為大跨度、大空間綠色建筑的成熟運用起到了不可忽視的推動作用。在倡導綠色環保、節能低碳生活的今天,膜結構在這方面的作用及未來的發展無疑將處于舉足輕重的地位。

3膜結構施工和實際應用中的問題

3.1 膜材的徐變和應力松弛

膜材在張拉成形后的一段時間內,會產生徐變和松弛效應。膜材型號、荷載水平、荷載歷史以及邊界支撐方式將對徐變與松弛產生影響,一般膜結構預應力水平在2～10kN/m,要求其最低值不能使膜面在基本荷載組合(風壓,雪荷載)下出現局部松弛[4],在膜結構設計時需要仔細考慮。通過模型和現場試驗表明,在一定荷載水平下,其在荷載初期徐變發展快,此后徐變逐漸減小。膜材徐變快速發展期一般認為在1h～9h,然后基本停止。

3.2 膜結構正常使用及維護技術要求高

雖然薄膜本身有很高的抗拉強度,但如果用尖銳的物體刻劃很容易被破壞。一旦膜被破壞,需要及時進行補救。通常用專用的膠帶貼補,如破損過大,則需重新安裝,并且需要做好維修和養護工作。對于氣枕結構來說,內壓對整個氣枕的影響是非常關鍵的,溫度對氣壓的影響又是非常的明顯。所以在遇到溫度驟降,天氣惡劣的情況下充氣膜結構的承載能力會急劇下降。如加拿大氣承式的膜結構B.C.大型運動場,它上部的ETFE薄膜的厚度為1/30英寸[5],在遭受近一個月的冷空氣、強風和大冰雹的襲擊后于整個屋頂坍塌。

3.3 膜結構初裝制約因素較多

膜單元在加工場粘接完成,成品需要進行折疊,然后再運送到施工現場,安裝之前應清掃地面,保證膜材展開地面清潔干凈、無尖銳物體。膜結構開始施工時只是先將部分節點固定在約束端,而其它的節點是張拉端,這種初始懸掛的幾乎無預應力的膜受力情況復雜,在此階段中膜結構處在雖吊裝到位但尚未永久固定,未被張拉的相對松弛狀態,施工中極易被風鼓起甚至吹走。同時還未張來緊的膜在風作用下產生抖振效應,使膜材產生疲勞損傷,加大了風壞效應產生的概率,最終大大降低其使用壽命。

3.4 膜結構對連接邊界要求高

為保證膜材與連接主體的邊界能夠很好的結合,特別是與膜單元連接的邊界,如剛性邊界鋼結構的安裝精度對膜面和拉索施工質量影響大,膜材與剛性邊緣構件連接時,夾具應連續、可靠地夾住膜材邊緣,夾具與膜材間應設置襯墊,其有棱角時,須先倒角,使膜材光滑過渡,避免劃傷膜材影響其耐久性。若鋼結構安裝精度不到位,會導致膜面應力不均勻和出現褶皺等,直接影響膜面的成形。所以在膜材下料加工制作之前,應對膜材與主體結構連接部位的尺寸進行復測,了解膜結構施工各環節的具體要求,從而保證和提高制作精度質量。

3.5 膜結構對現場施工技術因素要求高

薄膜結構施工時由于膜材料不是彈性材料,較大的殘余變形和徐變都會導致張力損失,所以要分段進行初期張力的施加,利用調節系統定期及時的補充張力損失。如果所施加的初期張力達不到設計要求,膜面得支撐剛度不足以抵抗外荷載,膜面會產生皺折和松馳現象,從而影響膜結構的正常使用,因此應全面考慮張力分布的各種影響因素。安裝時的張拉順序、預張力的施加方式及量級等等都會影響到曲面的最終形狀、影響到結構的剛度和穩定性。此外膜材特性也會加大施工難度,如PTFE膜材,其材質強度大、禁折壓,而且膜單元安裝通常需要在高空展開,其穩定性的控制難度大；而且其補償值極小,索膜連接接點定位要求高。

4結語

總之,膜結構除了施工安裝工藝經驗不足,企業經營運作方面缺乏經驗之外,在設計、加工與安裝等各施工控制環節,還有很多問題值得去進一步研究。這就需要高校及科研院所同膜結構施工企業等多方進行交流和合作,加強膜結構的施工方法的研究,以及理論研究和實踐探討。

參考文獻

[1] 張國,范偉立,向陽.山西晉城體育場膜結構工程的設計與施工[J].空間結構,2009,2:78～81.

[2] 徐彥,關富玲,川口健一.充氣薄膜結構的懸垂和充氣展開過程[J].浙江大學學報,2011,1:75～80.

[3] 徐慶偉.PTFE膜結構工程的施工工藝及應注意的問題[J].工程施工技術,2009,5:106～108.

[4] 中國鋼結構協會空間結構分會,等.膜結構技術規程[M],2004.北京:中國計劃出版社.

[5] 徐文毅.水立方多面體空間鋼架結構與ETFE膜結構探討[J].武警學院學報,2009,8:86～89.