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非凡膜结构的发展及应用

发布时间:2018/10/07 点击量:

1. 导言 
  1970年日本大阪万国博览会的美国馆与富士山馆因为选用了膜结构,引起了与会者和游人的浓厚兴趣,也引起了国际修建界的颤动。随后几十年里,膜结构修建在美国、加拿大等发达国家敏捷开展起来。我国内地自上世纪70年代以来,一些科研、规划单位与高等院校开端对膜结构进行研讨。一些关键技能如膜结构的找形剖析、荷载剖析、裁剪剖析等的研讨也获得了必定的开展,为我国的膜结构的开发、运用建立了必定的技能储备。 
  2. 膜结构修建特色 
  膜结构(Membrane Structure)是用轻质高强度柔软膜资料与支撑系统相结合构成的具有必定刚度稳定曲面、可接受必定荷载、能掩盖大空间的结构方式,习惯上又称空间膜结构。因为充分发挥了资料抗拉强度高的特性,使得膜结构修建具有以下长处: 
  1.1结构分量轻 
  膜材本身轻,支承膜材的钢杆、钢材与钢索比相应的钢筋混凝土也减轻不少分量。1970年日本大阪国际博览会中的美国馆,屋面分量每平方米仅1122g。 
  1.2 跨度大 
  因为自重轻,膜结构修建能够不需求内部支撑而大跨度掩盖空间,这使人们能够更灵敏、更有构思的规划和运用空间。现在充气结构修建的无内柱空间跨度可做到200m以上。 
  1.3施工便利 
  膜材能够在工厂预制成卷材制品,与钢材相同便于工业化出产,便于运输装置,施工时也不需搭建脚手架,工期较短。1979年能包容5万人的美国卡里阿体育馆,只用了一年多,现在缔造较大的膜结构修建,只需几个月就能竣工。 
  1.4造型漂亮 
  多变的支撑结构和柔性的膜材使修建物造型愈加多样化,新颖漂亮,同时表现结构美,具有一般修建无法比拟的表现力,加上膜材的颜色能够恣意选择,愈加强了艺术感染力。 
  1.5费用低 
  膜修建屋面分量仅为惯例钢屋面的1/30,这就下降了墙体和根底的造价。膜材本身是装饰资料,可削减修建的二次装饰费用;膜结构修建屋面膜材透光性好,能透过很多柔和的自然光,下降白日的照明费用以及整个修建的供热与空调费用。关于同等巨细的修建,选用膜结构,其本钱至适当于传统修建的二分之一或是更少。特别是缔造短期运用的大跨度修建时,就更为合算。现在,膜结构已广泛运用于各类修建结构中,如:体育场馆、游泳馆、商场、大面积温室、公共修建、厂房设备等。 
  3. 膜结构修建常用的结构方式 
  膜结构属于空间结构系统,它不同于一般的钢、木、砖和钢筋混凝土结构,是继网架、薄壳、悬索结构之后新兴起的一个结构系统。近三十年来,预应力索在结构系统中的效果和优势已为工程师所充分认识,各种新式索和膜结构系统得到广泛的研讨和运用。从膜结构的结构和受力特色可将膜结构分为框式膜结构、张拉膜结构和充气膜结构三大类。 
  3.1框式膜结构(Frame Supported Structure) 
  框式膜结构中的膜面只是起到对框架结构的保护效果,框架结构能够是传统的刚性结构,也能够是各类索结构。框式膜结构广泛用于任何大、小规模空间。 
  3.2张拉式膜结构(Tension Suspension Structure) 
  张拉膜结构是经过边界条件给膜材施加必定预张应力,膜既是修建的围护体又作为结构以反抗外部荷载的效果,因而在必定的初始条件下,其形状的断定、在外荷载效果下膜中应力散布与变形以及怎样用二维的膜资料来模仿三维空间等一系列复杂问题,都经过核算断定,张拉膜结构的开展离不开核算机的前进和新算法的提出。但张拉膜结构因施工精度要求高,结构功能强,且具有丰厚的表现力,所以造价略高于框式膜结构。 
  3.3充气膜结构(Pneumatic Structure) 
  气承式膜结构依托曲面表里气压差来坚持膜曲面的形状。气承式膜结构是在膜结构构成的室内冲入空气,坚持室内的空气压力一直大于室外的空气压力,由此使膜资料处于张力状况来反抗荷载及外力的结构方式。充气膜结构分为单层结构和双层结构,单层结构好像肥皂泡,单层膜的内压大于外压。此结构具有大空间、分量轻、缔造简略特色,但需求不断输入超压气体及需日常保护办理。双层结构是双层膜之间充入气体,和单层比较能够充入高压空气,构成具有必定刚性的结构,并且进出口能够打开,但其在继续运转及机器保护费用的本钱上较高。 
  4. 膜资料 
  21世纪修建领域开展趋势之一是选用新资料。膜结构的修建开发与运用,脱节结构对钢材、木材、混凝土等传统资料的依靠,为修建带来一场新的革命。用于膜结构修建的膜资料是在用纤维织成的基布上涂覆树脂或橡胶等制成的,高强度聚酯纤维是膜材的基质,确保膜材的强度;高分子聚合物涂层确保膜材的密实性;而慵懒资料涂层则首要是确保膜材的自洁性。膜资料与金属、木材等修建资料不同,它具有柔软性、透光性等特性,并且膜资料的基布是织物,因为织物径向(经纱)与纬向(纬纱)的特性不同,因而膜资料是一种异向型非线性资料。基布首要承当膜资料的抗拉、抗撕裂等力学特性及防火性、耐久性、自洁性、染色性及膜资料与膜资料的交融性等特性。 
  现在,膜资料修建中最常用的资料首要有聚四氟乙烯(PTFE)膜材、聚氯乙烯(PVC)膜材和加面层的PVC膜材:PVDF膜材和PVF膜材。 
  PTFE类膜资料产品名叫特氟隆(Teflon),是在玻璃纤维布基上敷聚四氟乙烯树脂(简写PTFE),树脂含量大于90%,PTFE膜的特性是耐久性、防火性与防污性高。但PTFE膜与PVC膜比较,资料费与加工费高,且柔软性低,在施工上为防止玻璃纤维被折断,必须有专用的工具与施工技能。   PVC类膜资料的布基织物为聚酯或聚氨酯等,涂层为PVC树脂,或氯丁橡胶类物质,一般另加有聚氟乙烯(PVF)或聚偏氟乙烯(PVDF)类面层。PVC膜材在资料及加工上都比PTFE膜廉价,且具有原料柔软、易施工的长处,但在强度、经用性、防火性等功能上较PTFE膜差。为了改进PVC膜材的耐火性及防污性,近年来已研宣布以氟素系树脂于PVC涂层材的外表处理上做涂层。 
  为了处理PVC膜材的自洁性,在PVC涂层上再涂上PVDF膜资料。PVDF是聚偏氟乙烯(Polyvinylidene Fluoride)的简称,能够反抗由紫外线引起的降解,颜色改变,失去光泽,反抗腐蚀,反抗脏污,反抗发霉。PVDF膜与一般的PVC膜比较,经用年限可达7~10年左右,耐火性基本上达到了难燃级水平。 
  PVF膜材是在PVC膜的外表处理上以PVF树脂做薄膜状薄片(laminate)加工,比PVDF膜的耐久性更佳,且具有防油污的长处。但因加工性、施工性与防火性欠安,运用遭到必定的限制。 
  5. 膜结构的运用前景 
  跟着工业的开展与核算技能的前进,膜结构也从临时修建迈向永久性修建队伍,并成为今世充满活力的一种新式大跨度空间结构系统。在许多国家举行奥运会、世博会的场馆建造中,膜结构以其艳丽的颜色和丰厚的造型赢得了人们的重视和认同。1995年建成的北京房山游泳馆(跨度33m,1100m2)与鞍山农委游泳馆(跨度30m,1000m2)是我国正式运用于工程的空气支承膜结构,标志我国开端发动膜结构的工程建造。1997年经过引入国外膜结构技能建成上海八万人体育场看台挑棚后,又相继建成了青岛颐中体育场挑棚膜结构、杭州游泳馆、网球馆双层膜结构等二百余项膜结构工程,年增长率达20%以上。跟着膜结构运用的日趋广泛,专业膜结构企业及相关配套产品的厂商也很多呈现,实力微弱的日本太阳工业集团和德国的Skyspan公司已加入到我国内地膜结构商场,台商膜结构企业也适当活泼,这关于促进我国内地膜结构的开展都起到了积极效果。 
  现在膜结构除了用于体育馆、体育场等体育设备之外,还广泛运用于商业、教育、交通运输设备等。因为膜结构新颖漂亮的造型和多变的颜色,还可用于标志性修建,例如城市与当地的标识等。但是,现在膜结构在我国尚处于小范围实验阶段,但跟着我国经济实力的增强,新工艺、新资料、新设备的呈现,膜资料修建将成为我国21世纪空间结构的开展干流。 
  自重轻,跨度大,造价低,能够最大极限发挥资料特性,有利于防震;造型新颖漂亮,颜色多变,可为文明、体育、旅游、商业设备供给最佳的形象包装;具有较好的防水、透光功能,建造周期短,可做永久性修建,也可移动搬家,有利于城建景观及房地产项目的开发。能够预见,21世纪中国经济日新月异,膜结构修建将在未来大型修建中展示新、奇、轻、美的特色,因而膜结构修建的研讨与开发有着广泛的开展情形。


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