ETFE 充气膜结构设计方法与特征_图文

1、 状态。但若是接收到新的信号，系统会再次重启工 作保证结构的安全。 4）积雪时的内压控制 当测雪计监测到积雪达到一定程度时，就会发 出信号，启动积雪时的工作状态。 启动系统 当气枕受到雪荷载作用时，体积会减小同时内 压上升。要注意的是，当积雪荷载超出设计荷载， 气枕内压会异常上升。此时若打开排气阀，很可能 因为排气降压导致气枕塌陷。为避免这种情况，程 序在积雪控制工作状态时不对内压上升进行响应。 NO 强风信号 YES 强风时内压控 強風 制程序 强风结束 YES NO NO 积雪信号 YES 积雪时内压 積雪 控制程序 积雪消除 YES NO 常时内压控制程序 YES 图 4 控制系统基本工

2、作流程 Fig.4 Basic workflow of operating system 2.3.2. 充气管道的配管设计 充气管道配管设计包括线路布置和材料选择两 部分。线路布置应尽可能使用直线。材料上应优选 压力损失最小的材料。 配管设计应综合考虑安全性、 易维护性、经济性这几个指标。配管设计分为并联 配管和串联配管两种基本形式， 两者可以复合使用。 串联配管与并联配管相比，管件用量少。但气 枕的内压与其在体系中的位置有关系，例如气枕离 主管的远近。并联配管可以保证气枕之间的内压的 平衡和相互独立性。但是并联配管必须给每个气枕 配置内压监测仪和阀门， 这对成本有着极大的影响。 在选择配管是

3、串联还是并联的时候，需要考虑 到有气枕损坏或者凹陷的可能。 如果采用串联配管， 当其中一个气枕损坏，那所有与其相连的气枕均会 凹陷，因为其余气枕的空气会从这个损坏的气枕泄 漏出去。若采用并联配管损失就会小得多了，只需 要将配置在这个气枕上的阀门关闭就可以了。但随 着气枕数目的增加，并联配管的成本会不断上升。 所以无论采用哪种配管方式，都需要考虑和制定一 个周密的计划， 将气枕损坏造成的损失降低到最小。 一般采用一个阀门来对多个气枕进行压力控制 的时候，气枕数目不宜超过 5 个且气枕总的面积不 超过 150 平米。 一定体积的空气在导管中流动时就会产生压力 损失。压力损失的大小取决于充气管的属性

4、，例如 长度、表面粗糙度、弯头形式和数量、充气管横截 面的变化程度，以及空气在管中的流速。 可以采用下面的公式来计算压力损失： P = 式中 V2 2g (10 P-压力损失（mmAq） Q-风量（m3/min） A-管横截面积（m2） V-流速（m/s）(V=Q/60A -气密度（kg/m ） 3 G-重力加速度（9.8m/s2） 200C 时空气密度 1.2kg/m3 -管固有损失系数 2.3.3. 送风机的选择 送风机在控制系统成本组成中占有较大的比 重，对整个结构的建设成本和维护成本都有较大的 影响。送风机的选择，需要根据压力损失和必要送 风量两个指标来选择。 目前市面可以选择的送风机

5、，主要有离心式风 机、涡轮风机、多级风机等等。在选择送风机时， 要关注风机的机外静压这一指标，这是决定风机送 6 风能力的一个关键指标，数值远大，送风能力越佳。 每一个 ETFE 气枕外周都是通过热合焊接，将 两张或多张 ETFE 膜片复合在一起的，所以气密性 很好，气体的渗漏很少。在设计时，可以取泄漏量 为 0.15m /h/m （展开面积）进行计算（根据上海太 阳膜结构有限公司进行的一次六边形气枕泄漏量试 验，泄漏量测定一般在 0.05m3/h/m2 左右） 。 算例：计算 5 个气枕的气体泄漏量，每个气枕 的为水平投影面积为 50m 。 50m（水平投影面积） × 2 （表+里

6、） ×0.15×5 （气 枕数）=75m /h=1.25m /min 2.3.4. 导管和配件的选择 送风导管应该选择在工作压力时变形小、气体 泄漏量少的导管。还应根据运行荷载、外荷载、环 境来选择合适的形状和材质。ETFE 气枕在受到风 荷载作用或充气时都会发生一定的位移，所以在靠 近气枕一端应选择能够跟随膜面位移的软导管。 除导管之外的配件，还有电动阀门、排风口、 送风口等等。阀门可以选择能自动运作的电动阀或 电磁阀。为防止电力中断，电动阀门最好有弹簧复 位功能，当电力中断时能自动关闭阀门。 2.3.5. 压力调整装置 压力调整装置包括风速计、积雪计、微差压传 感器（用

7、于监测气枕内压变化）以及控制台（用于 操控电动阀门的开关） 。 风速计应该安放在能够确保正确探测到风速的 位置。对于规模较大、建筑立面复杂的结构或者其 他特殊场合，需要设置多个风速计。积雪计的设置 要求同风速计（如果假定积雪会长期残留在气枕上 时，则需要给程序设定一个区间值，让控制程序能 自行判断是否需要降低气枕内压） 。 连接气枕与微差压传感器的压力导管要尽可能 的短。若用一个微差压传感器来监测多个气枕的内 压，传导到传感器的压力值实际为这些气枕的平均 内压， 此时连接这些气枕的导管总长不应超过 50m。 为了保证整个系统的稳定性，要配置两组相同 规格的送风机，其中一组备用。两组设备间隔使用

8、 能延长设备的使用寿命。 2.3.6. 备用设备及保障对策 从运行角度考虑，如果发生停电时，最好能有 一套紧急发电装置保持系统工作。这样初期投入成 3 3 2 2 3 2 本会较高， 因此应根据功能性和必要性来综合考虑。 除此之外，还可以通过以下的措施来保障整个 结构的安全和使用功能： 1 内压的降低会导致气枕凹陷和积水，在设计阶 段的时候，对气枕上层膜坡度应控制在至少 5o 以上，最好是 10o 以上。 2 在送风机出气口处设置一个止回阀，这样至少 能保证在充气过程中发生突然停电，导致电动 阀门无法关闭，这时止回阀能够防止气体回 流，防止气枕内压的快速下降。 3 设置两组或多组送风机，当一组

9、送风机无法工 作时，其他的机组可以替代。 对具体工程还可结合建筑物的形状、坡度来具 体制定更多的保障性措施。 2.3.7. 其他注意事项 在 ETFE 充气膜结构的使用过程中，还应考虑 防结露，防尘，防浸等措施。相应的对策分述如下。 1 内部结露： 在多雾或者平均相对湿度大于 75% 以上的地区，会在 ETFE 气枕内部产生结露现 象。应该在送风机进气口处连接一台除湿机， 来保证充入气枕的气体是干燥的。推荐采用处 理风量大的干式除湿机。外部空气的湿度由湿 度计进行监测，大于设定值就启动除湿机。 2 3 防尘措施： 在送风机进气口设置过滤器可以有 效防止灰尘或者外部异物进入。 防浸措施： 对于需

10、要考虑某些情况导致水流渗 入的气枕，可以在下层膜底部根据需要设置一 个易于操作的排水旋塞。 2.4 裁剪分析 裁剪分析就是将在一定预张力及内压作用下的 空间曲面，在平面上展开，再进行拼接的过程。当 膜面为不可展曲面时，需要采用特定算法和准则展 开为近似平面。 裁剪设计主要分为确定裁剪模型，选择裁剪方 法，膜裁切线布置，确认膜面的应变补偿值，裁剪 作业，裁剪片排版等几个步骤。 由于计算机模型是用三角网格来模拟光滑的膜 面，因此对于裁剪模型的网格划分精度一般而言至 少应为 8×8，同时网格边长应小于 250mm。 一般常用的裁剪方法为测地线法、 切面法1 35。 7 测地线法为曲面两点间

11、距离最短的一条线。将测地 线作为膜裁切线，对于可展曲面而言，展开后的测 地线是直线。用测地线作为裁剪线可以使裁剪片幅 宽大致相等， 从而达到拼接简单和减少损耗的目的。 目前测地线是裁剪设计中最常用的方法。 膜的裁切线一般而言宜与荷载下的最大主应力 方向平行， 还要考虑膜拼接裁剪片之间的搭接强度， 制作的工艺性、经济性。除此之外，膜拼接焊缝的 布置应结合建筑效果整体考虑， 保证布置的均匀性、 对称性、韵律性，与建筑造型、韵律性协调统一。 相邻膜片之间裁切线宜对缝， 保证视觉连续和整齐。 需要说明的是，ETFE 焊缝的连续性主要是针 对同一层膜面来说的，不同膜面之间的焊缝是有一 定的间距的。由于

12、ETFE 气枕是由两个以上的膜片 复合而成的，且 ETFE 膜片很薄，从气密性考虑， 上下层膜片的焊缝应该错缝布置。而且从焊接性能 角度考虑，若上下层甚至中间层都在同一位置拼接 的话，焊缝处由于焊接硬化，在受外荷载作用时， 极易在焊缝接合处撕裂。所以不同层之间的焊缝按 构造应至少错开 20mm。 现在主要的几家 ETFE 充气膜结构工程厂商均 使用膜材裁剪的全自动化系统， 设定排版控制程序， 主电脑控制裁剪机， 实现从设计到裁剪的无缝连接， 避免了人工排版可能出现的误操作。 3 张其林. 索和膜结构 M. 上海：同济大学出版社， 2002：86-142. ZHANG Qi-lin. Cable

13、-membrane structures M. Shanghai：Tongji University Press, 2002：86-142. 4 杨庆山，姜忆南. 张拉索-膜结构分析与设计 M. 北 京：科学出版社, 2004：29-133. YANG Qing-shan, JIANG Yi-nan. Analysis and design of tensioned cable-membrane structures M. Beijing： Science Press, 2004：29-133. 5 刘开国. 气枕式 ETFE 膜结构的找形分析J. 空间结 构，2009，15(4: 53-59

14、. LIU Kai-guo. Form-finding analysis of ETFE cushions in membrane structures J. Spatial Structures, 2009，15(4: 53-59. 6 CECS158. 膜结构技术规程 S. 北京：中国计划出版 社，2004. CECS158. Technical specification for membrane structures S. Beijing ：China Planning Press, 2004 7 陈务军， 唐雅芳，赵大鹏. 建筑膜材力学性能与焊接缝 合性能试验研究 J. 空间结构，2

15、007，14(3: 37-44. CHEN Wu-jun, TANG Ya-fang, ZHAO Da-peng. Experiments on the mechanical properties and the welded seam properties of architectural membranes J. Spatial Structures, 2007，14(3: 37-44. 3 结语 本文总结了可用于实际工程应用的常规 ETFE 充气膜结构的设计方法和基本过程。给出了常规 ETFE 充气膜结构工程在工程实践中膜材参数和强 度的确定方法，还有充气系统设计的具体方法、步 骤和设计

16、依据。可供设计人员在进行常规 ETFE 充 气膜结构设计时作为参考。 8 吴明儿， 刘建明， 慕仝， 等. ETFE 薄膜单向拉伸性能 J. 建筑材料学报，2008，11（2） ：241-247. WU Ming-er, LIU Jian-ming, MU Tong, et al. Uniaxial tensile properties of ETFE foils J. Journal Of Building Materials, 2008，11（2） ：241-247. 9 YOHSINO T, SEGAWA S, ODA K. Material characteristics of ETF

17、E film under the bi-axial tension C/ Proceedings of Architectural Institute of Japan 2005： s.n., 2005, 156-157. 参考文献（Reference） ： 1 陈务军. 膜结构工程设计 M. 北京： 建筑工业出版社， 2005：118-163. CHEN Wu-jun. Design of membrane structure engineering M. Beijing ： ChinaArchitecture and Building Press, 2005：118-163. 2 T. H

18、ERZOG, Pneumatic structures M. London： Crosby Lockwood Staples, 1977：9-23. 8 10 SETSU G, KAWABATA M, NISHIKAWA K, et al. Study on heat and pressure shaping of ETFE film pneumatic panel C/ Proceedings of Architectural Institute of Japan 2005：s.n., 2005, 929-930. 11 KAWABATA M, JEONG Eul-seok. Study on three dim