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膜结构介绍

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膜结构是一种建筑与结构完美结合的结构体系。它是用高强度柔性薄膜材料与支撑体系相结合形成具有一定刚度的稳定曲面,能承受一定外荷载的空间结构形式。其造型自由轻巧、阻燃、制作简易、安装快捷、节能、易于、使用安全等优点,因而使它在世界各地受到广泛应用。这种结构形式特别适用于大型体育场馆、人口廊道、小品、公众休闲娱乐广场、展览会场、购物中心等领域。 张拉膜结构(Tesioned Membrane Structure),是依靠膜自身的张拉应力与支撑杆和拉索共同构成机构体系。在阳光的照射下,由膜覆盖的建筑物内部充满自然漫射光,无强反差的着光面与阴影的区分,室内的空间视觉环境开阔和谐。夜晚,建筑物内的灯光透过屋盖的膜照亮夜空,建筑物的体型显现出梦幻般的效果。张拉膜结构特别适合用来建造城市标志性建筑的屋顶,如体育与娱乐性场馆,需有广告效应的商场、餐厅等。城市的交通枢纽是城市命脉的关键性建筑,使用功能要求建筑物各组成单元的标志明确。因而近来年,这类建筑越来越多采用膜结构。建筑膜材料的使用寿命为25年以上。在使用期间,在雪或风荷载作用下均能保持材料的力学形态稳定不变。建成于1973年的美国加州La Verne大学的学生活动中心是已有23年历史的张拉膜结构建筑.跟踪测试与材料的加载与加速气候变化的试验,证明它的膜材料的力学性能与化学稳定性指标下降了20%至30%,但仍可正常使用。膜的表层光滑,具有弹性,大气中的灰尘、化学物质的微粒极难附着与渗透,经雨水的冲刷建筑膜可恢复其原有的清洁面层与透光性。 
 
 
 
张拉式膜结构
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张拉整体结构(Tensegrity)是由一组连续的拉杆和连续的或不连续的压杆组合而成的自应力、自支撑的网状杆系结构,其中“不连续的压杆”的含义是压杆的端部互不接触,即一个节点上只连接一个压杆。 Tensegrity是美国建筑师 R.B.Fuller首先提出的一种结构思想,他认为宇宙的运行就是按照张拉整体的原理进行的,即万有引力是一个平衡的张力网,各个星球是这个网中的一个个 孤立点。这种结构体系中的索网就相当于宇宙中的万有引力,独立的受压杆件 相当于宇宙中的星球。
 
节点及构造
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用于膜结构建筑中的膜材是一种具有强度,柔韧性好的薄膜材料,是由纤维编织成织物基材,在其基材两面以树脂为涂层材所加工固定而成的材料,中心的织物基材分为聚酯纤维及玻璃纤维,而作为涂层材使用的树脂有聚氯乙烯树脂(PVC),硅酮(silicon)及聚四氟乙烯树脂(PTFE),在力学上织物基材及涂层材分别具有影响下列的功能性质。
 
       织物基材——抗拉强度,抗撕裂强度,耐热性,耐久性,防火性。 
       涂  层  材——耐候性,防污性,加工性,耐水性,耐品,透光性。        
       
 
 
膜结构设计
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用曲面有限单元建立的膜结构分析理论 膜结构的设计可分为三个步骤:(1)找出一个初始平衡形状;(2)各种荷载组合下的力学分析以保证安全;(3)裁剪制作。发达国家从六十年代起开始提出多种计算方法,到目前为止以有限元法为最先进、最普遍被采用的方法。而单元类型皆为三角形平面常应变单元,该方法是从刚性板壳大变形理论移植过来的。
 
从以下分析可以看到,膜结构作为只能抗拉的软壳体是不适宜采用这种平面单元的,因为对于刚性壳体来说,这种平板单元可以看成平面应力单元和平板弯曲单元的组合,其单元刚阵可以由这两种单元刚阵合并而成。而膜结构作为软壳体是不能抗弯的,只能靠薄膜曲面的曲率变化,从而引起膜表面中内力重分布来抵抗垂直于曲面的外荷载。如果还是采用这种只有平面内应力的板单元,则应变的线性部分将不反映平面外z方向位移的影响,这导致单元不包含z方向节点反力,就每个单元来说静力是不平衡的。所幸的是应变的非线性部分考虑了z向位移的影响,使得各单元合并起来的总的平衡方程通过不断迭代能近似达到平衡,缺点是需要过多的平面内位移来满足平衡的要求,而实际情况是只需要一定的平面外和平面内的位移及曲率变化就可以了。 
 
考虑到这些,我国膜结构技术人员在国际上首次采用曲面膜单元,应变的线性部分引入了z向位移及单元的曲率和扭率,非线性部分仍然保留z向位移的影响项。这样无论是每个单元还是各单元合并后的平衡方程都能很容易满足,迭代次数大为减少,而变形结果也更符合真实情况。而且由于单元内各点应力都不相同,据此判断皱折是否出现会更为精确。最后求出的每个单元的曲率和扭率对于判断初始找形的正误和优劣以及裁剪下料都能提供很多非常有用的信息。 
 
用曲面有限单元建立的膜结构找形及内力计算方法极小曲面具有非常完美的表面形状和应力状态,是膜结构最合理的理想初始状态。所谓极小曲面是指在给定边界条件下面积最小的曲面。在这个曲面上任意一点的应力都相等。发达国家从六十年代起开始对膜结构找形提出多种计算方法,如物理模型法,力密度法,动力松驰法等,到目前为止以有限元法为最先进、最普遍采用的方法。不仅国内,迄今国外的计算理论也都是以平面膜单元作为膜结构的计算模型。该方法是从刚性板壳大变形理论移植过来的。膜结构作为只能抗拉的软壳体是不适宜采用这种平面单元的,其缺点是需要过多的平面内位移来满足平衡的要求,而实际情况是只需要一定的平面外和平面内的位移及曲率变化就可以了。其后果就是在后面要进行的内力计算时,代入真实材料常数后,由于前面找形得到的极小曲面与实际可能存在的膜结构形状的差距在视觉上可能不大,但对计算来说却是不能忽视的,因此计算很容易发散或出现皱折。这也是前面其他方法的共同缺点,他们往往把这一连贯的过程区分成理想化的找形和实际验算两个阶段,也就不能保证找出的形状都能用真实的膜材建成等应力极小曲面。
 
质量控制系统
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大跨度钢结构和索膜结构作为大型公共建筑的主要受力部分和新型屋面系统,其质量直接影响到建筑物的安全和使用功能。本文仅结合新西湖、杭州演绎广场、常州展览馆、中国国际服装城等工程的监理实践,对大跨度钢结构和索膜结构施工质量控制的几个主要方面进行一些讨论。 
 
   ⑴ 对桁架钢构件制作质量的控制 
 
  ①、对于钢构件制作的胎架划线和搭设尺寸、钢构件拼装时的基准线和定位方式等进行严格检查控制。 
 
  ②、钢构件拼装检查应在制作焊接完成后自由状态下进行。应按每榀构件拼装胎架中每一支点的三维空间位置验收结构尺寸。 
 
  ⑵ 钢结构焊接 
 
  ①、对于施工单位首次焊接的钢种,一定要进行焊接工艺评定,并制定相应的焊接工艺。
 
  ②、监理一定要抓住对焊工合格证的检查。检查内容应包括:母材及焊材种类、焊接位置、焊工合格证的有效期。 
 
  ③、严格把住接头装配质量关。接头的装配质量包括:坡口质量,根部间隙,对口错边量等几个方面。
 
  ④、 当焊接表面潮湿、有油污,焊接环境温度过大或焊接部位受风、雨、雪直接侵袭时,都无法保证焊出高质量的焊缝,特别是焊低氢焊条时更容易出现问题,施工单位应在工艺方案及对焊工进行施工交底时明确。
 
  ⑤、焊接过程中为减少焊接应力,防止产生焊接裂纹,应严格按照标准规定要求对焊接部位进行预热,在整个焊接过程中应随时加热以保证焊缝道间温度并一次焊完一条焊缝,在焊接完成后应及时按标准要求进行后热。 
 
  ⑥、对设计及国家规范要求探伤的焊缝,应对每条焊缝按比例要求进行无损探伤。检验位置及长度由质检人员指定并书面通知NDT人员。检验后NDT人员应出具探伤报告,探伤报告应标明探伤的具体部位。焊缝完成后质检人员及时按设计和GB50205等标准要求进行外观检查和无损检验,不合格部分及时通知焊工返修(返修焊缝工艺也必须是评定合格的)。
 
  ⑶ 钢结构安装质量控制 
 
  ①、安装前,施工单位应对构件的产品合格证、设计文件与预拼装记录进行检查,并复验记录构件的尺寸。钢结构的变形、缺陷超出允许偏差时,应进行处理。钢结构安装前,应编制详细的测量和矫正工艺,厚钢板的焊接应在焊接安装前进行模拟产品结构的工艺试验,编制相应的施工工艺。对拼装好的屋架应预设一定的起拱度。
 
  ②、钢结构吊装就位后,应对构件定位轴线、标高等设计要求控制点进行测量做好标记,对吊装对接接头质量进行焊前检查。安装好临时支撑及钢浪索以使钢屋架在施工过程中安全稳定。 
 
  ③、钢结构安装时,施工单位应提交每榀构件吊装后的标高尺寸、焊接、涂装等分别向监理提交验收。
 
  ⑷ 高强螺栓施工质量控制
 
  ①、对于通过高强螺栓进行连接的钢结构,制作时必须首先注意高强螺栓摩擦面的加工质量及安装前的保护,并应按标准要求对每两千吨、每种规格、每种加工工艺的高强螺栓摩擦面进行抗滑移系数试验。 
 
  ②、钢构件角度偏差将严重影响构件组装时的高强螺栓穿孔率。构件的扭曲会影响连接面间的间隙。因此在钢结构制作时应准备一定的胎架模具以控制其变形,并在构件运输时采取切实可行的固定措施以保证其尺寸稳定性。 
 
  ③、钢结构安装单位在安装高强螺栓摩擦面前,必须将摩擦面保护好,防止污染、锈蚀。并在安装前进行高强螺栓摩擦面的抗滑移系数试验、检查高强螺栓出厂证明、批号,对不同批号的高强螺栓定期抽做轴力试验。
 
  ④、对高强螺栓安装工艺、包括操作顺序、安装方法、紧固顺序、初拧、终拧进行严格控制检查,拧螺栓的扭力扳手应进行标定等。
 
  ⑸ 钢结构的涂装工程:
 
  ①、表面预处理的清洁度和粗糙度、涂装环境温度和湿度、两次涂装的时间间隔、涂层的厚度等。其中清洁度和粗糙度可按照标准图谱进行检查,涂层的厚度通过测厚仪测得。 
 
  ②、涂层表面不得误涂、漏涂,无脱皮和返锈,对涂层表面质量进行观察检查,干漆膜厚度的检验方法和验收标准应符合设计及GB50205等国家规范的有关规定。 
 
  ③、防火涂料涂装工程应由经消防部位批准的施工单位负责施工。防火涂料的选择应是施工地消防部门认可的产品,并经国家权威防火产品检测机构检测符合设计对厚度和时间的要求。质检人员应随时检查涂装的基层质量。防火涂料不得漏涂、误涂,涂层应无脱层和空鼓。涂层厚度应按CECS24—90要求检查,并符合设计要求。质检人员对防火涂料的外观及表面质量按设计要求及有关国标进行认真检查,并填写记录表。 
 
  ⑹ 膜面屋盖工程
 
  ①、膜面材料质量:工程膜面采用的主要有是聚四氟乙烯涂面PVC聚酯纤维类薄膜和玻纤特富隆薄膜,该材料国际上仅有少数几家公司生产。材料主要指标应包括单位重量、厚度、力学性能、光学性能、防火性能及耐久性等。 
 
  ②、膜面的制作质量:包括
 
  ◆ 几何尺寸:膜面的几何尺寸检查必须在拼接厂完成,拼接厂完工后按安装要求对膜面进行折叠、装箱,运到现场后直到吊装到安装位置才能展开。因此,在施工现场是无法对膜面尺寸进行测量的。
 
  ◆ 膜面和接缝质量:安装过程中监理必须检查膜面上是否有划伤或破洞。如发现问题,应分清责任,要求膜面供货单位或膜面安装单位进行赔偿或修补。 
 
  ③、膜结构支架制作安装:
 
  ◆ 膜结构支架制作质量与钢结构类似,其最大的要求是所有钢构件的表面必须打磨光滑,不得有尖角毛刺,以防划伤膜面。
 
  ◆ 膜结构支架安装质量主要是几何尺寸和焊缝表面质量。为防止膜面安装后起皱,并保证设计所需的张力,要求膜结构的安装尺寸误差尽可能的小,特别是要控制支架的平行度、对角线等相关尺寸的误差。安装焊缝必须打磨平整,以防划破膜面。
 
  ④、膜面安装:
 
  ● 特别要安排好和主体钢结构安装单位的关系,协调相互间的进度。
 
  ● 膜面安装施工时应注意天气预报,保证在整个安装过程中无四级以上大风和大雨。
 
  ● 当膜面安装过程当中发生膜面破损,必须立即进行修补。膜面张拉应力控制;膜面应力张拉不可一次到位,以防主体钢结构侧向失稳。应分块逐步张拉到位。
 
  ● 膜面张拉到位后,监理将会同安装单位质检人员对膜面张力按照膜结构设计提供的膜面应力值、测试部位和测试工具对膜面应力进行全面检查验收。同时检查压板螺栓有无漏装漏拧。
 
  ● 防水密封:在膜面与天沟、膜面与膜结构的结合部位较易发生漏水,应及时检查发现泄露点,配合设计对泄露部位提出整改方案,督促施工单位进行防水施工。 
 
  ⑺ 钢结构预应力索或预应力拉杆的施工质量 
 
  ①、拉索或拉杆的质量:钢丝或拉杆的材质控制、锚头的质量控制、锚头浇铸敦头、典型拉杆或拉索的一比一张拉试验、拉索或拉杆长度。
 
  ②、拉索或拉杆张拉力的控制。 拉索或拉杆张拉对主体钢结构的影响。索张力或主体钢结构尺寸的控制关系。 大跨度钢结构和索膜结构作为大型公共建筑的主要受力部分和新型屋面系统,其质量直接影响到建筑物的安全和使用功能。本文仅结合上海体育场、浦东国际机场、虹口足球场、上海新国际博览中心等工程的监理实践,对大跨度钢结构和索膜结构施工质量控制的几个主要方面进行一些讨论。 
 
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