膜結(jié)構(gòu)主要材料

膜結(jié)構(gòu)主要材料膜結(jié)構(gòu)是由多種材料組成的復合結(jié)構(gòu)，從材料組成來看，膜結(jié)構(gòu)一般由建筑陶膜、材和鋼材等所組成?，F(xiàn)代建筑膜材均為復合材料，一般由中間的纖維紡織布基層和外涂的樹脂涂層組成，稱為涂層織物（CoatedFabrric）。應用于結(jié)構(gòu)中的膜材，其基層是受力構(gòu)件，起到承受和傳遞荷載的作用；而樹脂涂層除起到密實、保護基層的作用外，還具備防火、防潮、透光、隔熱等性能［9。（1）膜材涂層：目前已生產(chǎn)出多種樹脂涂層材料，如聚氯乙烯（PVC）、聚四氟乙烯（PTFE，杜邦公司商品名為Teflon）、硅酮、聚氨酯膜材涂層等。其中前三者為建筑膜材常用的樹脂涂層材料。聚氯乙烯（PVC）應用最早，有多種顏色可供選用，柔韌性能較好，可卷折，使用方便，易與其他構(gòu)件連接；但其抗紫外線性能較差，在太陽光的長期照射下，易發(fā)生化學變化，造成灰塵、油漬的附著，且不易清洗、自潔性差，進而降低透光率。因此，外涂聚氯乙烯的膜材一般應用于臨時性建筑。為克服上述缺點，可在PVC涂層外敷化學穩(wěn)定性更好的附加面層如聚二氟乙烯（PVDF）、聚偏氟乙烯（PVF）等，這樣會使膜材的自潔性得到較大提高。目前，涂覆了PVDF的PVC膜材已應用于永久性及半永久性結(jié)構(gòu)。Teflon（聚四氟乙烯）是美國杜邦公司于20世紀70年代開發(fā)的專利性產(chǎn)品。它為惰性材料，抗紫外線性能力強，透光性能和自潔性好，壽命長（25~30年），具有可焊性，是永久性結(jié)構(gòu)的良好選材。但是剛度較大，運輸及施工中的卷、折會使膜材基層纖維的強度降低，故施工方便性能較差，而且在其變形過程中易產(chǎn)生微細裂縫，使水侵蝕基層纖維，降低基層纖維的強度和使用壽命。因此一般在基層和Teflon面層間加涂硅酮防水層。硅酮是晚些時候開發(fā)出來的新型涂層材料，柔韌性、透光性、防水性均好，施工安裝方便，但自潔性比Teflon差，可焊性不良，拼接較困難。最近有些生產(chǎn)廠商聲稱其硅酮產(chǎn)品在上述兩個方面的性能已得到改進，如果這種說法被實驗及工程實踐所證實，硅酮將可能成為另一種優(yōu)良的永久性膜材涂層材料。（2） 膜材基層：可供選擇的基層纖維品種已是很多，如碳纖維、Kevlar（芳綸）纖維、聚酯纖維、玻璃纖維等。根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)使用強度的要求，建筑膜材的基層纖維一般選用玻璃纖維或聚酯纖維。玻璃纖維一般由石英、鈣、硼、鐵、氧化鉛等成分組成，彈性模量和強度均較高，徐變小，屬脆性破壞材料；濕、熱環(huán)境對其力學性能具有一定的影響，但這種影響會通過涂層的覆蓋而減弱。聚酯纖維在拉力和紫外線的長期作用下會有較大的徐變，容易造成膜面皺褶，進而使灰塵、異物在皺褶處聚集，影響感觀效果及透光率。（3） 膜材產(chǎn)品：將各種纖維基層與樹脂涂層相結(jié)合可得到多種建筑膜材，常用的有外涂聚四氟乙烯的玻璃纖維膜（一般稱為PTFE膜材）、外涂聚氯乙烯的聚酯纖維膜（一般稱為PVC膜材）和外涂硅酮玻璃纖維膜。膜材厚度一般為0.6~2mm左右，自重約為1kg/m2左右。PTFE膜材一般用于永久性建筑，PVC膜材一般應用于臨時性建筑。由于PTFE膜材對加工及施工工藝方面的要求較高，在我國尚未得到廣泛應用。目前國內(nèi)應用較多的是含PVDF面層的PVC膜材，一般認為PVDF可顯著改善PVC膜材的抗紫外線能力，提高自潔性，使用壽命可達15年以上。同時國內(nèi)有關(guān)單位也正積極對PTFE膜材進行開發(fā)。隨著膜材科學技術(shù)的不斷發(fā)展，各類新型膜材不斷涌現(xiàn)，目前已得到一定范圍應用的有ETFE、THV等。膜材產(chǎn)品的抗紫外線能力、透光性、自潔性、保溫性和隔音性是選用時需考察的主要建筑物理指標。建筑結(jié)構(gòu)必然長期暴露在陽光下，故膜材涂層應具有較強的抗紫外線能力。膜材均具有一定的透光性，但不同產(chǎn)品差異較大。膜材自身隔音性能并不良好，采用有空氣夾層的雙層膜可使其性能得到改善。自潔性是指膜面在雨水沖刷下的自我清潔能力，因此膜材涂層一般采用惰性材料，以保證其與環(huán)境介質(zhì)中的灰塵、有機污漬不易結(jié)合。結(jié)構(gòu)的自潔性除與材料本身的自潔性有關(guān)外，還與所處環(huán)境及建筑設(shè)計有關(guān)。膜材的自潔性只為結(jié)構(gòu)自潔性提供了必要的物質(zhì)基礎(chǔ)，只有良好的設(shè)計如增加曲面斜率以提高雨水沖刷速度等，才能使其自潔性能得到充分發(fā)揮。當環(huán)境比較惡劣、污染較重或膜面較平坦時，為保持建筑物的感觀效果，定期進行人工清洗是十分必要的。有必要提出的是清洗所用的清潔劑不能破壞膜材的表面涂層。膜材是半透明物質(zhì)，對自然光有反射、吸收和透射能力，其透光率一般為4%~16%，晴天室內(nèi)照度達1000~2000Lx，雨天也可達到500Lx，可使白天室內(nèi)無需人工照明。充足的日光既能節(jié)約照明能耗，又能提供植物生長所需的光照，從而創(chuàng)造良好的室內(nèi)環(huán)境與氣氛。而它對光的反射性能可減少熱量的獲得，改善炎熱地區(qū)室內(nèi)居住環(huán)境，降低空調(diào)耗能。然而，由于膜材質(zhì)輕，熱工性能較差，當膜結(jié)構(gòu)用于寒冷地區(qū)尤其是游泳池、植物園等建筑時應采取必要的防結(jié)露措施，如加強室內(nèi)通風等。寒冷地區(qū)的膜結(jié)構(gòu)應采用雙層膜，中間形成空氣層，借以提高膜屋頂?shù)谋啬芰?，?993年建造的美國Denver機場候機大廳膜屋頂就采用了雙層膜結(jié)構(gòu)。如果夾層中夏天輸冷氣，冬天吹熱風，還可進一步增強雙層膜的降溫和保暖作用。夾層中若填入透光性玻璃棉等隔熱材料，將進一步提高其保溫隔熱效果，從而為膜結(jié)構(gòu)更廣泛地應用到不同地域、不同氣候環(huán)境中提供了十分有利的條件。一、索材“索”是受拉單元的的統(tǒng)稱。現(xiàn)代工程用索的嚴格定義涉及到三個術(shù)語：線材、線股、鋼絲繩。線股是由線材相互絞合而成的：幾根線股圍著一個核心均勻放置絞合形成鋼絲線。而索則是對各種鋼絲繩的總稱。索的核心分為有機纖維和金屬兩類。一般工程結(jié)構(gòu)用索不能采用有機纖維核心，因為有機纖維核心受力后直徑縮小導致索的伸長，這樣會降低索的力學性能和耐久性能。所以，結(jié)構(gòu)用索一般是全鋼索[10]為了增加索的抗腐蝕性，通常采取兩個措施：第一是給線材鍍鋅或鍍鋁：第一是對鋼絲繩包裹適當?shù)臐櫥牧虾头雷o套。封閉結(jié)構(gòu)內(nèi)的索采用鍍鋅或鋁的防腐處理方法就可：暴露式鋼索必須同時采取上述兩個措施。鍍鋅或鋁都可以都可以延緩線材的腐蝕，但目前使用最普通的是鍍鋅，電鍍或熱鍍都可以。一般采用純度99.5%的高精細鋅，鍍層厚度為300g/tfo對暴露式鋼索，盡管對線材采取了鍍鋅的措施，但索主要還是依靠潤滑材料和防護套抗腐蝕，所以應定期檢查潤滑材料和防護套是否磨損或發(fā)生化學反應而損壞剝落，并決定是否需要維護和更新。索的端頭有兩種，即澆鑄端頭和液壓端頭。對于較粗的索（直徑>38?。┎捎脻茶T端頭，澆鑄端頭又稱巴氏合金端頭。索的末端通過插進窩狀插座后澆鑄高等級鋅等熱金屬或聚脂材料形成索的端頭。索末端的材料必須留有足夠的長度，然后采用除油液體清洗，并進行干燥處理。然后將窩狀插座套入索末端，再注入插座材料成型。索的窩狀插座采用鋼鑄件，機械加工成型，外表熱浸鍍鋅。如果設(shè)計和加工正確，索端頭的強度一般都能達到索的極限抗拉強度。對于一定規(guī)格的索，其對應的澆鑄插座的圓錐體尺寸也是一定的，但插座外形尺寸可根據(jù)需要變化。一般錐體長度取索直徑的5.5-6倍，大頭直徑取2-3倍的索直徑。典型的澆鑄端頭如圖2.6所示。圖2.6澆筑端頭直徑較小的（小于38mm）的索可采用液壓端頭。液壓端頭是用壓套機液壓成型的，可以是叉形、圓形或螺桿形。這樣的端頭可以達到95%的索最小抗拉極限強度。典型的液壓端頭如圖2.7所示。圖2.7液壓端頭所有形式的端頭體在制作后必須進行嚴格的無損測試，檢驗荷載可取索抗拉極限荷載的50%。通常通過隨機抽取單個端頭成品進行破壞試驗，再配以嚴格的操作程序控制，可作為同規(guī)格產(chǎn)品的質(zhì)量保證。（一）索的材料工程結(jié)構(gòu)用索的柔性要求不高，所以，鋼索一般采用較粗的線材制造。線材由直徑小于12mm的熱軋鋼棒冷拉而成。鋼材的含碳量通常應在0.5%~0.8%范圍內(nèi)。鋼棒材料加熱到950°C，然后在550°C左右的熔爐內(nèi)淬火，以達到易于拉伸至最終直徑和形狀的紋理結(jié)構(gòu)。鋼棒在冷拉同時，其截面縮小，長度增加、抗拉強度增加。結(jié)構(gòu)用索的線材抗拉強度可達1.6~1.8KN/mm2，彈性模量在190KN/mm2的數(shù)量級上，在拉伸范圍內(nèi)一般可保持常數(shù)。鋼索的抗拉強度和彈性模量一般小于線材自身的強度和彈性模量。降低幅度取決于線材的絞合方式。絞合方式可以由線材圍繞索芯絞合纏繞一周的長度來定量描述。纏繞長度越長，索的抗拉強度和彈性模量值越大，反之亦然。一般絞合索的纏繞長度為索直徑的9?12倍。索尺寸越小，纏繞長度可以越大。從而彈性模量和抗拉強度就越大。對于大尺寸或多層線股。為了纏繞的緊密性和高質(zhì)量必然縮短圍繞長度，從而降低了彈性模量和抗拉強度。

結(jié)構(gòu)用索的另一個重要參數(shù)是索的密實系數(shù)。密實系數(shù)是指索中線股總面積和索直徑所對應圓面積的比值。密實系數(shù)越大，索的抗拉極限荷載越大。顯然，一般絞合索的密實系數(shù)要小于索芯索。鋼索的彈性模量一般在147?170KN/mm2范圍內(nèi)。索的線膨脹系數(shù)一般為3.9X10-6mm/mm/（）C。（二）鋼索鋼索的結(jié)構(gòu)特性主要包括：最小破斷力、有效截面率、彈性模量、柔性與彎曲等［11］。1、 最小破斷力Fu：指鋼索拉斷、鋼絲應變0.2%、鋼索應變2%時的拉力，為鋼索名義破斷拉力。相同直徑、索股與材質(zhì)時，F(xiàn)C芯最低，IWRC高FC約7.5%，WSC高FC約15%。相同直徑、不同索體形式，最小破斷力差異較大。E=問?LX8/〈?也） （2.2-1）式中，團為10E=問?LX8/〈?也） （2.2-1）式中，團為10‘%Fu~90%P拉力增量，M為相應伸長。L為鋼索試件長，不小于254cm,愈長愈準確。a為鋼索有效截面積。010~0102mmA級鍍鋅IWRC普通鋼索模量約為'138kN/mm2，B、C級鍍鋅鋼索模量分別降低約3%~6%，鋼絲愈細降低較大。FC鋼索尚應降低約5%~10%。鋼索模量差異較大，應根據(jù)具體構(gòu)造確定。如一些特殊鋼索接近或超過普通鋼絲索、平行鋼絲索，達到約170kN/mm2。圖2.8鋼絲繩應力應變關(guān)系3、 截面有效率：指實際鋼絲面積與鋼索名義直徑確定面積之比。FC鋼索約50%,IWRC、WSC鋼索約60%,普通鋼索有2%變化。特殊鋼索截面有效率較高，如CASARSuperliftTM達到75%。4、 柔性與彎曲：鋼索彎曲導致內(nèi)圈鋼絲松弛，夕卜圈鋼絲擠壓和拉伸。外層鋼絲因彎曲產(chǎn)生附加應力為n =Ed/(2R)(2.2-2)式中：Es為鋼索模量，d為名義直徑，R為索鞍或卷軸半徑。表2.1為鋼索直徑，鞍座半徑比值與強度折減系數(shù)，Rs為鞍座半徑，ds、dr為鋼絲索和鋼索直徑，表中為IWRC鋼索。鋼索比鋼絲索柔，F(xiàn)C比IWRC鋼索柔，IWRC比WSC鋼索柔。彎曲應力原則應小于鋼絲強度，但實踐表明，由于鋼絲塑性、松弛可消除初始彎曲應力，可適當降低限制。鋼索、鋼絲索彎曲強度折減系數(shù)?！槐?.1R/d(鋼絲索)R/d(鋼索)折減系數(shù)匚(%)>20>15100191495181390171285161180<15<1075鋼索與卷軸或鞍座之間壓力為P=T/ ( d/R )(2.2-3)式中：T為鋼索拉力。鋼索與鞍座之間壓力應小于鋼索擠壓承載力。從?76(3')以上鋼索或鋼絲索，最大容許壓應力為27.6MPa，到?25(1')壓應力線性逐漸增大為41.4MPa[1]。索芯索無軟索鞍鞘和有鞘時，側(cè)壓力分別為1、2.5kN/mm。平行鋼絲索則分別為0.7、1.8kN/mm。軟金屬鞍可為鉛、銅、鋁厚度大于2mm。對HDPE索套，擠壓應力應小于索套承壓應力，一般約1鞘.0~1.5kN/mm，除以鋼索直徑可得壓應力，如050壓應力則為20~30Mpa。鞍座索槽應比鋼索名義直徑大，最小值和最大值常為+3%~11%。鋼索與索槽間設(shè)計摩擦系數(shù)取7%，但實際可高達12%~15%。索槽邊鋼絲索偏轉(zhuǎn)角宜小于20、鋼索宜小于40，否則，應特別試驗鋼索柔性及疲勞壽命。5、 疲勞：鋼索在動載長期作用下產(chǎn)生疲勞效應。膜結(jié)構(gòu)靜載、預張力作用小，鋼索拉力僅15%~30%Fu，而最大風荷載下將達到50%左右，應力擾動幅度大，但達到此應力幅度振動頻率低。小應力幅振動循環(huán)次數(shù)大，但對疲勞影響小。因此，常要求鋼索疲勞強度300~400MPa，最大應力0.45~0.55Fu，200萬次。6、 松弛：鋼索在長期荷載作用下，隨時間增長索內(nèi)力逐漸減小。膜結(jié)構(gòu)使用的鋼索要求具有較低的松弛，特別是對整體張拉、索網(wǎng)等結(jié)構(gòu)，對預張力水平較為敏感。應力松弛有可能導致預張力變化進而嚴重影響結(jié)構(gòu)特性，危及安全。所謂低松弛(ASTM-A886,886M-94)，指在常溫20±2。"1000小時、荷載為70%Fu松弛損失不大于2.5%，或者荷載80%Fu、1000小時松弛損耗不大于3.5%。試件長度不小于60倍鋼絲索直徑。專用預應力索(7絞線)松弛很小，索芯W(wǎng)SC鋼絞索比IWRC索松弛小、平行索較鋼絞索小。由鋼索制成結(jié)構(gòu)索還必須經(jīng)過預張拉，直徑不大于063，鋼索預張力不小于50%七，常不大于55%七，變形小于0.01%，且給出預張拉時最小彈性模量。對直徑大于63的鋼索的預張力值需與制作單位研究決定。結(jié)構(gòu)索長度測定，應在預張拉狀態(tài)而非無應力自由狀態(tài)下準確測定并切斷為索長。索長誤差須根據(jù)不同結(jié)構(gòu)設(shè)計要求確定。對誤差缺陷敏感的結(jié)構(gòu)體系，索長精度要求較高，勢必增加制