膜结构的应用和施工

膜结构的应用和施工本文简要介绍膜材料的主要类型、膜结构设计基本原理、膜结构的施工工艺，并探讨防火设施和膜结构配套使用之间的关系，以达到既能采用新颖建筑材料，又能满足防火工作要求，顺利通过消防验收的双赢目的。1.前言史前的人类用帐篷和伞来挡风遮雨，一般采用皮革或自然编织物制造，帐篷是人类历史上最早出现的膜结构建筑，帐篷和伞一样都反映着膜结构最原始的特点——即预加张力的薄层。“膜”（Membrane）这个词最早源于拉丁文，其含义是“轻且有张力”。20世纪50年代以来，随着高分子科学的发展，膜材的性能有很大的提高。带高分子覆盖的织物与塑料在膜结构领域的应用已有30多年的历史。美国拉文丁大学校园中心于1973年成为世界上首次使用PTFE膜材的膜结构工程。如今，膜结构在国外早已得到广泛应用；在国内正在被人们逐步接受并用于体育场馆、会展场馆等建筑中。2.膜材料膜材的选用与膜在建筑结构中的安装的位置和所起作用有关。现代膜结构使用的工程膜材主要有两种类型：一是以聚脂纤维织物结构为基材，五层复合聚氯乙烯树脂类材料制成的工程膜材（PVC）；二是以玻璃纤维为基材，面层复合四氟聚脂类材料而成的永久性建筑膜材（PTFE）。2.1几种常见的膜材。(1)PVC复合材料织物这种膜可抵抗恶劣气候，并有紫外线隔离能力。用这种膜材制成的膜结构容易安装，且表面光滑又容易清洁。PVC类膜在防火类别是阻燃的，其透光率一般可达20%，平均使用寿命大约5--20年。(2)PTFE覆层式玻璃纤维织物这种属于较高级的膜材，用于永久性的建筑结构中。该膜材张力极高，可抵抗紫外线，防火类别为阻燃，光滑的表面有着较高的反射率和自洁率，由于受到膜材厚度的限制，其透光率一般在12%左右。平均使用寿命大于30年。(3)PVC类织物匀质的PVC类织物可用于半透明或透明的内结构。该膜材有较强的散射能力，适用于背光的天花板以及投影屏幕，其透光率与PVC本身的性质有关：半透明的PVC，透光率为70%；透明的的PVC，透光率可达96%。平均使用寿命10--15年。(4)PTFE织入式纤维织物可适用于各类防日光设计，由于此类膜材表面没有覆层，防水性能差。该类膜材有较高的抗疲劳能力，可反复折叠，适用于折叠式或收缩式的膜结构。PTFE不易粘灰、能隔离紫外线、阻燃、较高的反射率。透光率一般可达35%，使用寿命20年左右。2.2膜材的基本质量要求和力学性能按照上海市工程建设规范《膜结构技术规程》（DGJ—97—2002）的规定；表1常用基材与涂层的组合组合基材涂层1玻璃纤维聚四氟乙烯2玻璃纤维氟化树脂3玻璃纤维聚氯乙烯4聚脂类纤维聚氯乙烯5聚乙烯醇类纤维聚氯乙烯6聚酰胺类纤维聚氯乙烯表2膜材的基本质量要求组合基材（g/m2）涂层（g/m2）膜材质量（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膜材的抗拉强度标准值强度（标准值）正常潮湿高温抗拉强度FK（N/cm）≥200≥160≥140注：1、潮湿是指把试件完全浸泡于水中72h后的抗拉强度；2、高温是指环境温度，即组合1≥1500C，组合2—6≥6000C。表4膜材连接部位的抗拉强度标准值强度（标准值）正常潮湿高温机械缝连接其他连接方法抗拉强度FCK（N/cm）≥140≥160≥120≥90注：1、潮湿是指把试件完全浸泡于水中72h后的抗拉强度；2、高温是指环境温度，即组合1≥1500C，组合2—6≥6000C。3.膜结构由膜面和支撑结构共同组成的属于建筑物或构筑物的一部分或整个结构称为膜结构。3.1膜结构体系的类型膜结构按其结构体系可分为：张拉式、充气式、骨架式。这里主要简述施工比较简单的骨架式膜结构。3.2膜结构设计的基本原理(1)设计荷载组合设计荷载的组合应包括结构内部所有自重和预应力，可作为每种荷载组合的切入点；荷载组合⒈预应力+自重荷载荷载组合⒉预应力+自重荷载+风荷载荷载组合⒊预应力+自重荷载+雪荷载(2)设计基本原理膜结构是通过施加预应力用最小曲面法确定其初始状态，即为膜的找形。然后分别加以自重、风与雪的荷载进行膜、索及钢构的整体计算，从而评价结构强度、刚度、稳定性。张拉膜曲面的稳定性是依靠经向和纬向两个主轴方向反向的曲率来保障的：即其中一个方向的曲率如果是下凹的，另一个方向就是上凸的，并且膜材纤维的排列与这两个主轴方向是一致的。张拉曲面中两个主轴方向的内力可以抵抗垂直曲面的外荷载，其平衡条件可以如下形式表示：P=（fw/Rw）—（ff/Rf）式中P——单位面积上的外力fw、ff——经、纬向单位长度的内力Rw、Rf——经、纬向的曲率半径随着外加荷载的增加，膜面形状变化，其中一个主轴方向的内应力将抵抗外荷载，另外一个主轴方向的内应力将对曲面起到平衡作用。在膜结构的设计中，应认为膜材是各向异性的，并适用于虎克定律。作用在三角形膜单元表面上的外部荷载由节点力表示，三角形膜单元所属面积由其周边的单元来决定。按照节点荷载进行分析变形后的三角形膜单元的双向应力；σtx=(Etxεx)/(1-νxνy)+νyEtyεy/(1-νxνy)σty=(Etyεy)/(1-νxνy)+νxEtxεx/(1-νxνy)τtxy=Gtγxy式中σtx——X方向膜应力σty——Y方向膜应力τtxy——剪应力Etx——X方向弹性模量Ety——Y方向弹性模量νx——X方向泊松比νy——Y方向泊松比Gt——剪切模量γxy——XY面内剪应变由此可见，在膜结构的设计中，膜材的双轴拉伸特性、弹性模量、泊松比等参数是至关重要的。3.3膜结构施工技术要点(1)膜布的加工制作制作工艺流程：设计图/裁剪图/裁剪/热熔合/成品检验/捆包出厂/进入施工现场1）裁剪：目前的膜材裁剪采用二种方法，一是按照裁剪图用纸裁剪出实样，然后在膜布上画线裁剪，该方法落后且裁剪误差较大。二是把裁剪图输入计算机连线控制镭射自动裁剪机进行画线裁剪膜布，目前这种高精度的自动裁剪装置在我国国内的极少数膜结构公司采用。2）热熔合：是将裁剪好的膜布用热熔合加工机进行膜布与膜布之间的熔合连接。膜布与膜布之间夹铺FEP胶卷并通过FEP胶卷粘贴机相结合后，然后进入热熔合加工机熔合连接。熔合质量的控制要点是在于热熔合温度和张拉防止热变形之管理。3）捆包：由于膜材特别是PTFE膜材在捆包时，必须做好防止膜材折痕、折纹等损伤，一般采用纸管为捆包基材。(2)产品成形过程检验1）膜材的物理性检验：主要检验项目有重量、厚度、宽度、抗拉强度、线密度、撕裂强度等。2）膜材的外观检验：主要是把膜材铺设在光桌上，利用透过光线目测检验膜布是否存在缺陷部分。3）膜材熔接品质检验：在膜材熔接前，先做试件热熔合试验，得到热熔合基准值，然后确认熔接设备是否可使熔接品质保持在基准值之内完成加工之检验。主要检验项目有剥离强度和剥离状态。(3)膜结构现场安装安装施工工艺流程：搭设膜面搁置平台/安装网绳/膜面展开/短边固定、长边临时固定/安装隔跨膜面/长边连接/膜面张拉/应力测试/工序完成收尾工作1）网绳安装：在膜面铺设前，完成网绳安装，对网绳应施以足够的预应力，作为膜展开时的依托。2）膜面展开：是通过两侧拉动，逐步将膜布由中间向两侧展开至设计要求的位置，并同时安装反网绳，防止风的作用移动和对膜面的损伤。3）膜布边的固定：用钢丝绳紧绳机扣住膜布边不锈钢夹具逐步向安装在钢屋架上的膜结构支架牵引，并用临时张拉螺栓作临时固定。4）膜面张拉：为补偿膜面张拉过程中以及使用过程中的预应力损失，膜面张拉的周期一般需经过三次；第一天张拉至设计应力的60%，第二天张拉至设计应力的100%，第三天至第五天开始逐步张拉至设计应力的110%，在今后的使用过程中膜面应力将逐步下降而达到设计要求。4.膜结构的限制使用范围按照我国的《建筑内部装修设计防火规范》（GB50222—95）（2001年修订版）第2.0.2条的规定：体育馆不论是大于3000座位或是小于等于3000座位的建筑规模或国家级、省级的展览馆，其顶棚的装修材料必须是A级防火材料。A级防火材料应为：天然石料制品、水泥制品、粘土制品、金属制品以及玻璃、瓷砖等。很显然；膜材料不是A级防火材料。有试验资料证明膜材料的防火性能只能达到B1级，也就是说：膜材料既不能作为顶棚的装修材料，更不能用作为屋盖结构。目前，在我国有几个城市的体育馆、展览馆采用了膜结构屋面已经引起消防方面的重视；由于膜材料防火性能为