充气膜结构设计中的若干问题

1、第一届现代结构工程学术会议充气膜结构设计中的若干问题王小盾(天津大学建工学院土木系天津300072摘要:本文参照国内外实践经验,针对充气膜结构设计、施工、使用和维护中的一些问题提出了一些指导性的意见论述了充气膜结构的内压I诂构方案、设计标准、膜材料、绳索、荷载、分析计算、基础、避风装置、结构构件、制作施工、防水环境卫生t维护管理等各个方面的有关内容.对编制我国膜结构规范有一定的参考价值。关键词:充气膜结构膜材料设计制作黾安装膜结构在国外已有多年的历史,但在我们国家膜结构的设计标准和规范还是空白,特别地,气承式充气膜结构的设计施工对我们来说还是全新的课题,为此,作者根据自己所参与的工程实例,结合

2、外国工程经验和相关资料,提出充气膜结构设计施工应考虑的因素,为今后膜结构的设计施工提供一些参考和依据。一、一般因素1.气承式充气膜结构其内部空气压力要略高于外部大气压,以压差为25ram水柱为例,它与25kg/m2的外力相当。空气的比重约为1/800,所以25ram的水柱(0.025*800m=20m与20m的空气柱压力相当,即只相当于7层楼高度与地面的气压差。也就是说此压力差对人体不会造成损害,也不会引起不适的感觉。与一般的壳体结构相类似,在压力一定的情况下曲率半径大的地方应力大,半径小的地方(膨胀的形状应力小。2.空气膜结构是指利用送风形成的内压使膜面产生张力,同时使结构保持空间上的稳定性

3、及结构整体性,并且采用膜材料建造的建筑物。3.空气膜结构的基本构成包括膜结构体系,送风系统,控制空气流通的出人口和紧急出口以及适当的锚固系统。另外在有必要的情况下,需要设置膜面补强系统,换气装置,窗,保温隔热材料,冷暖空调和照明系统。4.空气膜结构的用途,规模,使用时间,建设场所等,在结构上都属于必须保证安全的范畴,另外必须指定安全措施确保膜结构内部所容纳的人员能够安全,迅速并且非常便利地撤离危险场所。5.为了使膜结构能够安全有效地使用,并且在使用期间确保安全,设计者必须编写管理方法的指导资料。结构物的管理者根据此指导资料进行。二、结构方案1.建设场地的地基条件,环境条件,荷载条件等以及公众安

4、全方面的调查都必须严格进行,并作出与此相适应的方案。2.结构形态应该是由内压形成的稳定的曲面,在荷载和外力的作用下,变形及应力集中很小,另外应该在设计的内压下因风而发生的有害振动不易产生。3.结构的形态还应满足在设计内压下,不易产生积雪,融化的雪水、雨水的淤积问题。4.膜材料以及膜的连接部,必须具有足够的强度和刚度,在长时间的使用下显示稳定的性能。在必要的情况下,须对膜材料进行防火处理。5.索材料,连接用金属部件,锚固基础等必须具有足够的强度刚度及耐久性。6.内压必须根据荷载情况采用并保持必要的内压值。在通常情况下的内压,在比较频繁发生的荷载作用下,必须能够维持建筑物的完美形状与功能。在特殊荷

5、载作用的期间内,内压值必须能够维持结构体的形状及健全性。工业建筑2001年增刊425庆贺刘锡良教授执教50周年7.送风机的能力,在考虑结构体的空气损失及必要的换气量的情况下,具有能得到最大内压所必须的送风量与送风压的能力。8.根据需要,在通常情况下,冬天不允许存在对结构及建筑功能有影响的积雪,因此在必要的情况下需制定融雪与除雪的方案。9.预备送风机,预备动力电源,预备照明设备等,在主装置发生故障的情况下,能充分代替主装置,需作出详细地替代方案。三、设计标准1.结构构件及附属构件中产生的内力在预想到的所有荷载作用的情况下,必须小于各自的允许应力和允许抗力。2.结构体在预想的所有荷载作用的情况下必

6、须保持安全并且不超过允许变形。3.膜材料,绳类及它们的连接部位的允许应力或允许抗力是各自的强度除以适当的安全系数后所得的值。安全系数的确定要考虑材料强度的老化特性,连接节点的种类,计划使用期间,及环境条件等因素,根据实际情况而决定。4锚固基础类的允许抗拔强度是在拟建场地的标准地基条件下抗拔力除以适当的安全系数所得。安全系数是考虑锚固基础的种类和形式,地基条件,荷载条件,环境条件等影响,并针对垂直成分和水平成分等因素,根据实际情况来决定的。5.在出现频率少,并且持续时间短的荷载作用下,研究应力时可根据实际情况进行安全系数的折减。但是,对于膜材料,绳类以及连接节点进行研究时,安全系数不得小于2。6

7、结构体的允许变形量必须充分满足建筑功能的要求。7.在出现频率少,并且持续时间短的荷载作用下的允许变形量,必须能够维持结构物的健全性并且不能成为危险时刻紧急撤退的障碍。四、膜面材料1.膜材料是在合成纤维或玻璃纤维做成的织布上覆盖涂层而成的材料,或者是与其类似的其他材料。2.膜材料相互间的连接采用缝制,热融接,高频率溶接或粘接等。3.膜材料不能有产生漏水,劣化及破损的缺陷和异常,必须具有均匀的外观和材质。4.膜材料以及其结合部的强度,耐热性应通过合理的试验方法进行检验。5膜材料的设计时所用的参数如抗拉刚度,泊松比,剪断刚度等应根据此材料的各项试验及过去的资料进行恰当的确定。6.膜材料及其结合部的抗

8、拉强度,徐变抗裂强度等必须能保证结构的安全。五、绳索1.膜面的补强:在开口部和锚固部等处,进行局部补强用的绳索类、所使用的钢丝绳或合成纤维绳索,在强度,刚性,耐久性等方面,包括连接部分应采用能够值得信赖的材质并具有稳定性能的材料。2,绳索类及那些锚固部等的强度,剐度,徐变变形等,应采用合理的试验方法进行检验。3绳索及绳索锚固部的强度应采用能够确保结构安全的材料。4.薄膜类材料,除去特殊的材料以外,主要用于满足结构物的采光要求。薄膜类的材料应采用能得到所需强度的材质,并应注意材料的低温硬化,紫外线照射产生的劣化及药品作用下的劣化等使用中的问题。5.薄膜类材料及其结合部的强度,刚度应通过合理的试验

9、方法进行检验。六、荷载426I业建筑2001年增刊第一届现代结构工程学术会议l结构物的设计用荷载应考虑结构物的使用期间,根据建设场地过去的观测资料,特别要注意设计荷载与结构特性的关系,预想对结构物产生最不利影响的情况下作用的荷载来决定设计荷载值。2.风荷载垂直作用在膜面上的静的风荷载表示为CO2Cqq=速度压,c=风压系数设计用速度压q应根据设计地域的环境,建设地点周边的地表面的状况,建筑物从地表起的高度等遵循国内的标准确定,另外,瞬间最大风速及其确定方法在考虑了建筑物的使用期间和设计荷载的再现期间及空气密度,气温等因素的情况下按下式计算确定。12q2j而p为空气密度,u为设计风速。膜面上的风

10、压系数的值及其分布,根据建筑物的形状,规模,表面的粗糙度及建设地周边的环境,风速,风向,风对结构形态变化的影响,风的动力影响等因素,考虑这些因素原则上利用风洞试验能够求得此值。然而也可以根据过去的观测资料确定。3.雪荷载3.1设计用雪荷载,应考虑结构物的形态,雪的性质,预测的积雪量及环境条件,根据实际形状设定数值。或根据积雪形式,预想到对建筑物最不利影响的情况下来确定设计雪荷载。3.2在紧挨着结构体外壁存在很多积雪的情况下,由于雪的侧压产生的影响也必须考虑。3.3在考虑融雪装置,除雪等的情况下,根据实际效果可进行荷载折减。4.自重采用实际的荷载。5.在空气膜结构中,可以认为地震荷载的影响很小。

11、但是,对下部结构,出入口,送风系统等认为不能忽视地震荷载的情况下,应考虑地震荷载。6.设计内压一般是根据荷载情况设定几个不同的值。内压又根据结构物的变形和急剧的温度变化而改变。因此作为荷载值的内压,在考虑上述情况,并且考虑送风状态的不稳定因素后来确定内压值。7.对膜面施加荷载不是一件好事。但是,在特别需要的情况下可以施加活荷载并按实际荷载取值。8.在低内压的情况下,由于雨水,积雪,融化的雪水等可能引起积水现象,在此情况下要考虑与此相当的荷载。9.荷载组台应考虑实际情况来确定。七、分析计算1.在结构的解析分析方面,在设计荷载下,对结构体的变形和应力以及应力分布的进行合理预测,对结构体的稳定性和强

12、度,刚度以及耐久性进行研究。2.上述研究中的一部分或全部研究内容都可利用实验进行。3分析模型是根据结构体系,形态,材料等因素,适当并且按照实际形状进行假定。4.解析是在必要的精度下,根据实际形状采取适当方法进行的。5.解析是在必要的荷载组合以及根据荷载状况确定的必要的内压下,来求得结构的应力和变形。6.认为有必要进行施工架设的研究时,可进行专门研究。7.认为结构的动力影响很大的情况下,应进行动荷载下的工作状况的研究。八、基础及锚固1.锚固系统,在短期作用的设计最大荷载及此时的所需内压的条件下,作用于锚固系统上的力不应引起对结构有害的移动,上浮,倾斜等,锚固系统具有足够的抵抗能力的同时,在使用期

13、间内,能够抵抗通常情况工业建筑2001年增币427庆贺刘锡良教授执教50周年下的内压荷载及作用力。2.由于浸水等,使建设场地的地基状况有变化时,锚固系统能够对由于各种荷载及各种荷载组合产生的拉拔力进行抵抗。3.锚固系统的抗拔力大致可划分为由于重量产生的抗拔力和由于与地基的摩擦力和粘着力产生的抗拔力。锚固系统在结构物的使用期间,应充分考虑地基条件,气象条件,荷载条件以及规模用途等因素,选定最适宜的锚固基础形式。4.锚固系统的拉拔力,应考虑由于荷载产生的膜面的形态变化,认为在膜体的下部的最大膜张力的基础处传递的拉拔力的部分作为在此位置上的拉拔荷载。5.除了自重式锚固系统外,锚固系统的抗拔力的确定,

14、应以地基勘察,及在建设现场进行抗拔试验为原则来确定。九、送风装置I.送风装置是利用送风使建筑物内产生内压,给建筑物以刚度,使之稳定,并有充分的能力使结构抵抗荷载及外力的作用。2.送风装置要做得精细耐用,能承受长时间的连续运转,并且在通常情况下能进行稳定的送风。3.对送风装置进行设计制作和保护以使其在预想到的各种条件下.不发生功能故障。4.送风机(群在设计荷载下,为保持通常情况下的设计内压,必须具有足够的送风量和送风压,并且须具有超过内部必要换气量的送风能力。5送风装置有主送风机(群及预备送风机(群组成。预备送风机必须具备能代替主送风机工作的能力。6.送风装置必须准备预备动力系统,在通常使用的动

15、力源停止运行的情况下,具有能直接切换,持续运转的充分的能力。十、结构构件1.对各部分结构及其各装置在保证结构物能够有效并安全使用的情况下,作出方案或设计。2.出入口及紧急出口,除特殊情况外,做为独立的结构体,在设想的情况下,在使用期间内能正常使用。3.出人口的结构必须作到对结构体的内压不产生大的变动,能允许人和车辆的正常出入。4.紧急出口的结构必须保证在紧急时刻能够安全迅速地使人撤离。5.在必要的情况下,在适当的位置设置换气孔和排烟孔,并应设置开合式结构。6.膜面与刚性结构体或锚固基础安装连接时,在设计上应注意在膜面上不产生很大的集中应力及皱褶等。7.在膜体和膜体的连接设计上,应保证膜应力能充

16、分传递并使局部应力最小。8.膜与刚性结构体的安装连接部及膜与膜的连接部的气密性,耐久性,及其耐候性等在设计时应充分考虑。9.在必要的情况下,可设置有效的避雷设备。lO.为了能够恰当地估价各项指标,可设置内压计,另外在必要的情况下,在各自适当的位置上可设置风速计,积雪计,温度计等。十一、制作与安装1.膜材料的剪裁应按照结构上的合理的剪裁方案进行,并且在鼓气膨胀后,能使之准确地实现设计形状。2.膜材料相互间的连接部必须能充分传递基布的力,并采取有效方法使连接部的刚度的增高及应力的集中变为最小。428工业建筑2001年增刊第一届现代结构工程学术会议3.膜材料与补强索材料等连接部,应能把膜应力充分传递

17、到索结构上,并且采取有效方法使膜面的集中应力为最小。4.需考虑连接部的气密性和防水性,在必要的情况下,采取适当的保护措施保证其耐久性。5.在膜面端部等各部分,认为有较大的应力集中,在这些部分可用补强布等进行适当的补强。6.膜材料和索材料等直接接触的各部分,如果存在膜材料可能产生磨损的担心时,可对膜材料进行适当的补强和保护。7.施工时必须对所有角度的问题进行研究作出施工方案,在施工建设时必须根据施工方案进行施工。8.无论是锚固式基础,还是混凝土基础等,都必须保证良好的精度进行实施。9.给膜结构鼓气时,必须按照施工方案,安全准确地进行施工。10.各部分材料以及附属物在施工过程中,必须制定出施工方法

18、的方案,而不致使各部分材料在施工过程中使质量降低。11.结构物在建成后,是否达到正确的设计形态,需利用形态测定等来确认。12.对结构物在设计最大内压时进行试验,检查各部分是否有异常,另外在必要的情况下,可采取适当的措施。十二、防火及紧急撤退计划1.在结构物的材料上、结构上、方案上、管理上,都必须考虑防火措施,另外应制定肴火时消防活动能迅速并准确实施的计划。2.为了能在紧急时刻使建筑物中所容纳的人员能够安全、迅速并且很容易地从结构物中撤离,对结构物以及非常出口的位置、大小、数量等,必须做出周密的计划,同时保证撤离通路的畅通无阻。十三、室内环境及卫生在室内根据用途上的需要,要确保内部气候条件满足保

19、健l和卫生上的要求。另外在必要的情况下,在结构体自成体系的范围内可直接进行换气和排烟。十四、维护及管理1.膜结构体系,锚固式基础,送风装置,出人口,紧急出口以及其他的附属设备等,在通常情况下,为了使其耐用性达到最佳状态需进行维持和管理工作。2.为了使内压保持通常情况下的设计内压,需进行连续监视和维持。3.为了使预备动力源,预备送风装置,预备照明设备等能迅速代替主装置进行工作,需经常进行维持和管理。4.在多雪时或强风时,必须对结构体及设备进行认真观测,在必要的情况下能采取适当的措施进行管理。5.储藏物在结构和防火要求上需确保与膜材料间的必要的距离为原则.对储藏物进行管理。6.考虑本结构的特殊性,

20、需进行防灾管理。7.在认为必要的情况下,能够使建筑物所容纳的人员迅速并且安全地撤离,必须采取强有力的管理措施。结论膜结构是我国空间结构发展的一个重要方向,目前在我国没有成熟的设计规范和条例,使其推广有一定的难度。本文结合国内外的工程实际经验和条例,系统的提出了膜结构设计施工中应注意的问题,为我国膜结构的推广应用提供了一个系统的依据。工业建筑2001年增刊429庆贺刘锡良教授执教周年 参考文献 川口卫，阿部优等著建筑构造的再日本章国社 黑尔措格著。赵汉光译亢气结构上海辩学技术出版牡， 建筑结构荷载规范（），中国建筑工业出版社 网架结构设计与施工规程（），中国建筑工业出敷杜 尹锥钰，刘普维钱若军著网壳结构设计中国建筑工业出版社， 中恒正幸著许景文，严忠译膜学人门上海科学技术文献出版社， 沈金膜结构和非线性有限元分析天津大学磺士