膜結(jié)構(gòu)的應(yīng)用和施工

膜結(jié)構(gòu)的應(yīng)用和施工本文簡要介紹膜材料的主要類型、膜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基本原理、膜結(jié)構(gòu)的施工工藝，并探討防火設(shè)施和膜結(jié)構(gòu)配套使用之間的關(guān)系，以達(dá)到既能采用新穎建筑材料，又能滿足防火工作要求，順利通過消防驗(yàn)收的雙贏目的。1.前言史前的人類用帳篷和傘來擋風(fēng)遮雨，一般采用皮革或自然編織物制造，帳篷是人類歷史上最早出現(xiàn)的膜結(jié)構(gòu)建筑，帳篷和傘一樣都反映著膜結(jié)構(gòu)最原始的特點(diǎn)——即預(yù)加張力的薄層?！澳ぁ保∕embrane）這個(gè)詞最早源于拉丁文，其含義是“輕且有張力”。20世紀(jì)50年代以來，隨著高分子科學(xué)的發(fā)展，膜材的性能有很大的提高。帶高分子覆蓋的織物與塑料在膜結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的應(yīng)用已有30多年的歷史。美國拉文丁大學(xué)校園中心于1973年成為世界上首次使用PTFE膜材的膜結(jié)構(gòu)工程。如今，膜結(jié)構(gòu)在國外早已得到廣泛應(yīng)用；在國內(nèi)正在被人們逐步接受并用于體育場館、會展場館等建筑中。2.膜材料膜材的選用與膜在建筑結(jié)構(gòu)中的安裝的位置和所起作用有關(guān)。現(xiàn)代膜結(jié)構(gòu)使用的工程膜材主要有兩種類型：一是以聚脂纖維織物結(jié)構(gòu)為基材，五層復(fù)合聚氯乙烯樹脂類材料制成的工程膜材（PVC）；二是以玻璃纖維為基材，面層復(fù)合四氟聚脂類材料而成的永久性建筑膜材（PTFE）。2.1幾種常見的膜材。(1)PVC復(fù)合材料織物這種膜可抵抗惡劣氣候，并有紫外線隔離能力。用這種膜材制成的膜結(jié)構(gòu)容易安裝，且表面光滑又容易清潔。PVC類膜在防火類別是阻燃的，其透光率一般可達(dá)20%，平均使用壽命大約5--20年。(2)PTFE覆層式玻璃纖維織物這種屬于較高級的膜材，用于永久性的建筑結(jié)構(gòu)中。該膜材張力極高，可抵抗紫外線，防火類別為阻燃，光滑的表面有著較高的反射率和自潔率，由于受到膜材厚度的限制，其透光率一般在12%左右。平均使用壽命大于30年。(3)PVC類織物勻質(zhì)的PVC類織物可用于半透明或透明的內(nèi)結(jié)構(gòu)。該膜材有較強(qiáng)的散射能力，適用于背光的天花板以及投影屏幕，其透光率與PVC本身的性質(zhì)有關(guān)：半透明的PVC，透光率為70%；透明的的PVC，透光率可達(dá)96%。平均使用壽命10--15年。(4)PTFE織入式纖維織物可適用于各類防日光設(shè)計(jì)，由于此類膜材表面沒有覆層，防水性能差。該類膜材有較高的抗疲勞能力，可反復(fù)折疊，適用于折疊式或收縮式的膜結(jié)構(gòu)。PTFE不易粘灰、能隔離紫外線、阻燃、較高的反射率。透光率一般可達(dá)35%，使用壽命20年左右。2.2膜材的基本質(zhì)量要求和力學(xué)性能按照上海市工程建設(shè)規(guī)范《膜結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（DGJ—97—2002）的規(guī)定；表1常用基材與涂層的組合組合基材涂層1玻璃纖維聚四氟乙烯2玻璃纖維氟化樹脂3玻璃纖維聚氯乙烯4聚脂類纖維聚氯乙烯5聚乙烯醇類纖維聚氯乙烯6聚酰胺類纖維聚氯乙烯表2膜材的基本質(zhì)量要求組合基材（g/m2）涂層（g/m2）膜材質(zhì)量（g/m2）厚度（mm）1≥150400—1100≥550≥0.52、3≥150400—1100≥550≥0.54、5、6≥100400—1100≥500≥0.5表3膜材的抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值強(qiáng)度（標(biāo)準(zhǔn)值）正常潮濕高溫抗拉強(qiáng)度FK（N/cm）≥200≥160≥140注：1、潮濕是指把試件完全浸泡于水中72h后的抗拉強(qiáng)度；2、高溫是指環(huán)境溫度，即組合1≥1500C，組合2—6≥6000C。表4膜材連接部位的抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值強(qiáng)度（標(biāo)準(zhǔn)值）正常潮濕高溫機(jī)械縫連接其他連接方法抗拉強(qiáng)度FCK（N/cm）≥140≥160≥120≥90注：1、潮濕是指把試件完全浸泡于水中72h后的抗拉強(qiáng)度；2、高溫是指環(huán)境溫度，即組合1≥1500C，組合2—6≥6000C。3.膜結(jié)構(gòu)由膜面和支撐結(jié)構(gòu)共同組成的屬于建筑物或構(gòu)筑物的一部分或整個(gè)結(jié)構(gòu)稱為膜結(jié)構(gòu)。3.1膜結(jié)構(gòu)體系的類型膜結(jié)構(gòu)按其結(jié)構(gòu)體系可分為：張拉式、充氣式、骨架式。這里主要簡述施工比較簡單的骨架式膜結(jié)構(gòu)。3.2膜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本原理(1)設(shè)計(jì)荷載組合設(shè)計(jì)荷載的組合應(yīng)包括結(jié)構(gòu)內(nèi)部所有自重和預(yù)應(yīng)力，可作為每種荷載組合的切入點(diǎn)；荷載組合⒈預(yù)應(yīng)力+自重荷載荷載組合⒉預(yù)應(yīng)力+自重荷載+風(fēng)荷載荷載組合⒊預(yù)應(yīng)力+自重荷載+雪荷載(2)設(shè)計(jì)基本原理膜結(jié)構(gòu)是通過施加預(yù)應(yīng)力用最小曲面法確定其初始狀態(tài)，即為膜的找形。然后分別加以自重、風(fēng)與雪的荷載進(jìn)行膜、索及鋼構(gòu)的整體計(jì)算，從而評價(jià)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性。張拉膜曲面的穩(wěn)定性是依靠經(jīng)向和緯向兩個(gè)主軸方向反向的曲率來保障的：即其中一個(gè)方向的曲率如果是下凹的，另一個(gè)方向就是上凸的，并且膜材纖維的排列與這兩個(gè)主軸方向是一致的。張拉曲面中兩個(gè)主軸方向的內(nèi)力可以抵抗垂直曲面的外荷載，其平衡條件可以如下形式表示：P=（fw/Rw）—（ff/Rf）式中P——單位面積上的外力fw、ff——經(jīng)、緯向單位長度的內(nèi)力Rw、Rf——經(jīng)、緯向的曲率半徑隨著外加荷載的增加，膜面形狀變化，其中一個(gè)主軸方向的內(nèi)應(yīng)力將抵抗外荷載，另外一個(gè)主軸方向的內(nèi)應(yīng)力將對曲面起到平衡作用。在膜結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，應(yīng)認(rèn)為膜材是各向異性的，并適用于虎克定律。作用在三角形膜單元表面上的外部荷載由節(jié)點(diǎn)力表示，三角形膜單元所屬面積由其周邊的單元來決定。按照節(jié)點(diǎn)荷載進(jìn)行分析變形后的三角形膜單元的雙向應(yīng)力；σtx=(Etxεx)/(1-νxνy)+νyEtyεy/(1-νxνy)σty=(Etyεy)/(1-νxνy)+νxEtxεx/(1-νxνy)τtxy=Gtγxy式中σtx——X方向膜應(yīng)力σty——Y方向膜應(yīng)力τtxy——剪應(yīng)力Etx——X方向彈性模量Ety——Y方向彈性模量νx——X方向泊松比νy——Y方向泊松比Gt——剪切模量γxy——XY面內(nèi)剪應(yīng)變由此可見，在膜結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，膜材的雙軸拉伸特性、彈性模量、泊松比等參數(shù)是至關(guān)重要的。3.3膜結(jié)構(gòu)施工技術(shù)要點(diǎn)(1)膜布的加工制作制作工藝流程：設(shè)計(jì)圖/裁剪圖/裁剪/熱熔合/成品檢驗(yàn)/捆包出廠/進(jìn)入施工現(xiàn)場1）裁剪：目前的膜材裁剪采用二種方法，一是按照裁剪圖用紙裁剪出實(shí)樣，然后在膜布上畫線裁剪，該方法落后且裁剪誤差較大。二是把裁剪圖輸入計(jì)算機(jī)連線控制鐳射自動裁剪機(jī)進(jìn)行畫線裁剪膜布，目前這種高精度的自動裁剪裝置在我國國內(nèi)的極少數(shù)膜結(jié)構(gòu)公司采用。2）熱熔合：是將裁剪好的膜布用熱熔合加工機(jī)進(jìn)行膜布與膜布之間的熔合連接。膜布與膜布之間夾鋪FEP膠卷并通過FEP膠卷粘貼機(jī)相結(jié)合后，然后進(jìn)入熱熔合加工機(jī)熔合連接。熔合質(zhì)量的控制要點(diǎn)是在于熱熔合溫度和張拉防止熱變形之管理。3）捆包：由于膜材特別是PTFE膜材在捆包時(shí)，必須做好防止膜材折痕、折紋等損傷，一般采用紙管為捆包基材。(2)產(chǎn)品成形過程檢驗(yàn)1）膜材的物理性檢驗(yàn)：主要檢驗(yàn)項(xiàng)目有重量、厚度、寬度、抗拉強(qiáng)度、線密度、撕裂強(qiáng)度等。2）膜材的外觀檢驗(yàn)：主要是把膜材鋪設(shè)在光桌上，利用透過光線目測檢驗(yàn)?zāi)げ际欠翊嬖谌毕莶糠帧?）膜材熔接品質(zhì)檢驗(yàn)：在膜材熔接前，先做試件熱熔合試驗(yàn)，得到熱熔合基準(zhǔn)值，然后確認(rèn)熔接設(shè)備是否可使熔接品質(zhì)保持在基準(zhǔn)值之內(nèi)完成加工之檢驗(yàn)。主要檢驗(yàn)項(xiàng)目有剝離強(qiáng)度和剝離狀態(tài)。(3)膜結(jié)構(gòu)現(xiàn)場安裝安裝施工工藝流程：搭設(shè)膜面擱置平臺/安裝網(wǎng)繩/膜面展開/短邊固定、長邊臨時(shí)固定/安裝隔跨膜面/長邊連接/膜面張拉/應(yīng)力測試/工序完成收尾工作1）網(wǎng)繩安裝：在膜面鋪設(shè)前，完成網(wǎng)繩安裝，對網(wǎng)繩應(yīng)施以足夠的預(yù)應(yīng)力，作為膜展開時(shí)的依托。2）膜面展開：是通過兩側(cè)拉動，逐步將膜布由中間向兩側(cè)展開至設(shè)計(jì)要求的位置，并同時(shí)安裝反網(wǎng)繩，防止風(fēng)的作用移動和對膜面的損傷。3）膜布邊的固定：用鋼絲繩緊繩機(jī)扣住膜布邊不銹鋼夾具逐步向安裝在鋼屋架上的膜結(jié)構(gòu)支架牽引，并用臨時(shí)張拉螺栓作臨時(shí)固定。4）膜面張拉：為補(bǔ)償膜面張拉過程中以及使用過程中的預(yù)應(yīng)力損失，膜面張拉的周期一般需經(jīng)過三次；第一天張拉至設(shè)計(jì)應(yīng)力的60%，第二天張拉至設(shè)計(jì)應(yīng)力的100%，第三天至第五天開始逐步張拉至設(shè)計(jì)應(yīng)力的110%，在今后的使用過程中膜面應(yīng)力將逐步下降而達(dá)到設(shè)計(jì)要求。4.膜結(jié)構(gòu)的限制使用范圍按照我國的《建筑內(nèi)部裝修設(shè)計(jì)防火規(guī)范》（GB50222—95）（2001年修訂版）第2.0.2條的規(guī)定：體育館不論是大于3000座位或是小于等于3000座位的建筑規(guī)?；驀壹墶⑹〖壍恼褂[館，其頂棚的裝修材料必須是A級防火材料。A級防火材料應(yīng)為：天然石料制品、水泥制品、粘土制品、金屬制品以及玻璃、瓷磚等。很顯然；膜材料不是A級防火材料。有試驗(yàn)資料證明膜材料的防火性能只能達(dá)到B1級，也就是說：膜材料既不能作為頂棚的裝修材料，更不能用作為屋蓋結(jié)構(gòu)。目前，在我國有幾個(gè)城市的體育館、展覽館采用了膜結(jié)構(gòu)屋面已經(jīng)引起消防方面的重視；由于膜材料防火性能為