膜結構的應用和施工

膜結構的應用和施工本文簡要介紹膜材料的主要類型、膜結構設計基本原理、膜結構的施工工藝，并探討防火設施和膜結構配套使用之間的關系，以達到既能采用新穎建筑材料，又能滿足防火工作要求，順利通過消防驗收的雙贏目的。1.前言史前的人類用帳篷和傘來擋風遮雨，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)的膜結構建筑，帳篷和傘一樣都反映著膜結構最原始的特點——即預加張力的薄層?！澳ぁ保∕embrane）這個詞最早源于拉丁文，其含義是“輕且有張力”。20世紀50年代以來，隨著高分子科學的發(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構領域的應用已有30多年的歷史。美國拉文丁大學校園中心于1973年成為世界上首次使用PTFE膜材的膜結構工程。如今，膜結構在國外早已得到廣泛應用；在國內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構中的安裝的位置和所起作用有關?，F(xiàn)代膜結構使用的工程膜材主要有兩種類型：一是以聚脂纖維織物結構為基材，五層復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構容易安裝，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構中。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類織物勻質的PVC類織物可用于半透明或透明的內結構。該膜材有較強的散射能力，適用于背光的天花板以及投影屏幕，其透光率與PVC本身的性質有關：半透明的PVC，透光率為70%；透明的的PVC，透光率可達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計，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，可反復折疊，適用于折疊式或收縮式的膜結構。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35%，使用壽命20年左右。2.2膜材的基本質量要求和力學性能按照上海市工程建設規(guī)范《膜結構技術規(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膜材的基本質量要求組合基材（g/m2）涂層（g/m2）膜材質量（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膜材的抗拉強度標準值強度（標準值）正常潮濕高溫抗拉強度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度標準值強度（標準值）正常潮濕高溫機械縫連接其他連接方法抗拉強度FCK（N/cm）≥140≥160≥120≥90注：1、潮濕是指把試件完全浸泡于水中72h后的抗拉強度；2、高溫是指環(huán)境溫度，即組合1≥1500C，組合2—6≥6000C。3.膜結構由膜面和支撐結構共同組成的屬于建筑物或構筑物的一部分或整個結構稱為膜結構。3.1膜結構體系的類型膜結構按其結構體系可分為：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構。3.2膜結構設計的基本原理(1)設計荷載組合設計荷載的組合應包括結構內部所有自重和預應力，可作為每種荷載組合的切入點；荷載組合⒈預應力+自重荷載荷載組合⒉預應力+自重荷載+風荷載荷載組合⒊預應力+自重荷載+雪荷載(2)設計基本原理膜結構是通過施加預應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、風與雪的荷載進行膜、索及鋼構的整體計算，從而評價結構強度、剛度、穩(wěn)定性。張拉膜曲面的穩(wěn)定性是依靠經(jīng)向和緯向兩個主軸方向反向的曲率來保障的：即其中一個方向的曲率如果是下凹的，另一個方向就是上凸的，并且膜材纖維的排列與這兩個主軸方向是一致的。張拉曲面中兩個主軸方向的內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，其中一個主軸方向的內應力將抵抗外荷載，另外一個主軸方向的內應力將對曲面起到平衡作用。在膜結構的設計中，應認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)點荷載進行分析變形后的三角形膜單元的雙向應力；σtx=(Etxεx)/(1-νxνy)+νyEtyεy/(1-νxνy)σty=(Etyεy)/(1-νxνy)+νxEtxεx/(1-νxνy)τtxy=Gtγxy式中σtx——X方向膜應力σty——Y方向膜應力τtxy——剪應力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面內剪應變由此可見，在膜結構的設計中，膜材的雙軸拉伸特性、彈性模量、泊松比等參數(shù)是至關重要的。3.3膜結構施工技術要點(1)膜布的加工制作制作工藝流程：設計圖/裁剪圖/裁剪/熱熔合/成品檢驗/捆包出廠/進入施工現(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算機連線控制鐳射自動裁剪機進行畫線裁剪膜布，目前這種高精度的自動裁剪裝置在我國國內的極少數(shù)膜結構公司采用。2）熱熔合：是將裁剪好的膜布用熱熔合加工機進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膠卷粘貼機相結合后，然后進入熱熔合加工機熔合連接。熔合質量的控制要點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，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1）膜材的物理性檢驗：主要檢驗項目有重量、厚度、寬度、抗拉強度、線密度、撕裂強度等。2）膜材的外觀檢驗：主要是把膜材鋪設在光桌上，利用透過光線目測檢驗膜布是否存在缺陷部分。3）膜材熔接品質檢驗：在膜材熔接前，先做試件熱熔合試驗，得到熱熔合基準值，然后確認熔接設備是否可使熔接品質保持在基準值之內完成加工之檢驗。主要檢驗項目有剝離強度和剝離狀態(tài)。(3)膜結構現(xiàn)場安裝安裝施工工藝流程：搭設膜面擱置平臺/安裝網(wǎng)繩/膜面展開/短邊固定、長邊臨時固定/安裝隔跨膜面/長邊連接/膜面張拉/應力測試/工序完成收尾工作1）網(wǎng)繩安裝：在膜面鋪設前，完成網(wǎng)繩安裝，對網(wǎng)繩應施以足夠的預應力，作為膜展開時的依托。2）膜面展開：是通過兩側拉動，逐步將膜布由中間向兩側展開至設計要求的位置，并同時安裝反網(wǎng)繩，防止風的作用移動和對膜面的損傷。3）膜布邊的固定：用鋼絲繩緊繩機扣住膜布邊不銹鋼夾具逐步向安裝在鋼屋架上的膜結構支架牽引，并用臨時張拉螺栓作臨時固定。4）膜面張拉：為補償膜面張拉過程中以及使用過程中的預應力損失，膜面張拉的周期一般需經(jīng)過三次；第一天張拉至設計應力的60%，第二天張拉至設計應力的100%，第三天至第五天開始逐步張拉至設計應力的110%，在今后的使用過程中膜面應力將逐步下降而達到設計要求。4.膜結構的限制使用范圍按照我國的《建筑內部裝修設計防火規(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。有試驗資料證明膜材料的防火性能只能達到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構。目前，在我國有幾個城市的體育館、展覽館采用了膜結構屋面已經(jīng)引起消防方面的重視；由于膜材料防火性能為