5.薄膜结构(上)

《大跨空间结构》之5.薄膜结构(上)MembraneStructures主讲人：钱宏亮哈尔滨工业大学1/72内容5.1概述5.2建筑膜材5.3膜结构选型5.4膜结构分析5.5膜结构设计5.6膜结构施工2/72§5.1概述5.1.1什么是薄膜结构5.1.2薄膜结构的发展5.1.3薄膜结构的特点3/72薄膜结构是由建筑膜材与支承系统（空气、索、钢架等）相结合形成的曲面型张力结构。§5.1.1什么是薄膜结构4/72建筑织物膜材——玻璃纤维、聚酯纤维抗拉强度MP屈强比伸长率低碳钢(Q235)4000.625%玻璃纤维150－8%聚酯纤维100－25%5/72不同材料特性比较ComparisonofMaterialProperties性能粘土砖钢筋混凝土低碳钢木材玻璃聚酯纤维织物线膨胀系数(×10-6/℃)6121248—温度传导率（W/m℃）0.702.0045.000.131.00—耐高温能力（℃）—300-80048018050070(连接失效)强度/重量（N/mm2）0.586015022780弹模/重量（kN/mm2）91527223010材料能耗（GJ/m3)952600.350—6/72（1）需要自然采光的公共建筑，如体育馆、展览厅等。膜结构的应用领域7/72（2）敞开或半敞开的建筑，如体育场、露天剧院等。8/72（3）景观小品9/721.古老的膜结构§5.1.2薄膜结构的发展AnoldChinesedrawingNomadsheltersinIran10/7218世纪末,热气球和飞艇技术的出现为推动膜材料技术的发展奠定了基础。2.膜结构的早期探索11/721918年,英国工程师Lanchester提出了利用充气膜结构建造战地医院的想法，并申请了专利。12/72二战期间,尼龙（nylon）材料出现，充气膜结构被用于军事用途。13/7220世纪50年代,WalterBird推动了早期充气膜结构的发展，并用于商业中。WalterBirdatopaBirdairradome（15m）14/7220世纪50年代,德国建筑师FreiOtto在张拉膜结构领域进行了开创性工作。联邦花园帐篷DancePavilion,FederalGardenExhibition,195715/72蒙特利尔博览会德国馆GermanPavilionattheMontrealEXPO’6716/72•二十世纪中期，复合材料技术得到发展；此时的膜材跨度不超过10米，寿命在5年左右。膜材技术的发展•二十世纪60年代，美国杜邦公司合成了TEDLAR品牌的氟素材料，如PTFE、PVDF、PVF等，并被用作膜材的表面涂层。•在基材方面，人们改进了涤纶（PES）的制作工艺，还开发出玻璃纤维。17/723.现代膜结构的发展以1970年大阪世博会为开端，膜结构开始在世界范围内得到应用。日本大阪世博会美国馆，1970年气承式膜结构，140×83m18/721970大阪博览会富士馆TheFujiExhibitionHallatOsakaExpo’7019/7220/721.SilverDome，Pontiac,1975220x168m2.MetroDome,Minneapolis,1982215x180m3.B.C.PlaceStadium,Canada,1983232x190m①②③上世纪70~80年代，在北美地区建造的一批大型充气膜建筑21/72沙特吉达机场候机大厅，1982，420000m222/72汉城奥运会体操馆和击剑馆OlympicGymnasticsArena&FencingArena,Seoul,1986体操馆，D=120m击剑馆，D=93m上世纪80年代，美国工程师Geiger(1935—1989)基于Fuller的“张拉整体”概念，提出一种新型“lighterthanair”体系——“索穹顶”（cabledome）23/72佐治亚穹顶GeorgiaDome,Atlanta,Georgia,19921996年第26届亚特兰大奥运会主场馆。椭圆形平面240m×192m，是世界上最大的索膜结构。24/72千年穹顶MillenniumDome,Greenwich,UK,1999Architects:RichardRogersParthnershipStructuralEngineers：BuroHoppoldSpan:320mHeight:50m25/72汉城SEOUL光州KWANG-JU仁川INCHON大邱TAEGU水原SUWON新泻NIIGATA大田DAEJUN釜山BUSAN全州JEONJU西归浦SEOGWIPO大阪OSAKA2002韩日世界杯新建球场26/724.膜结构在我国的应用1994前1995199619971998199920002001数量面积10.3351.02125.08214.8265.64268.594011.727/72北京房山游泳馆BeijingFangshanSwimmingStadium,199628/72天津保税区区标TianjinTaxDistrict,Tianjin29/72长沙世界之窗剧场ATheaterinChangsha，199730/72上海八万人体育场TheShanghaiStadium,1997以径向悬挑钢桁架为骨架，上覆伞形膜结构，这是中国首次将膜结构应用到大面积的永久性建筑上。31/72深圳欢乐谷AGameCenterinShenzhen，1998脊谷式膜结构，D=98m覆盖面积5800m2采用PVDF膜材32/72东方明珠游船码头ShanghaiFerryTerminalRoof，1999海鸥造型，覆盖面积3600m2，采用PTFE膜材，覆盖在平行布置的钢拱桁架上。33/72昆明世博园艺术广场TheArtSquareatExpo’9934/72杭州健身中心HangzhouSportCenter,Zhejiang,1999游泳馆：钢桁架+脊谷式膜结构覆盖面积4280m2，双层PVC膜材35/72威海体育场WeihaiStadium，200136/72直径310m佛山世纪莲体育中心体育场，200637/72膜总展开面积：64000㎡索总长度：21000m2010上海世博会世博轴膜结构38/7239/7240/72§5.1.3薄膜结构的特点1.形状丰富多彩，极具视觉感染力曲面存在着无限的可能性，这意味着膜结构的形状可以随着建筑师的想象力而任意变化。41/72•膜材既是覆面材料，有是主要受力构件。•膜结构设计打破了传统的“先建筑、后结构”做法，要求建筑设计与结构设计紧密结合。2.建筑、结构和材料紧密结合42/723.形状在施工过程中逐步形成，要经过初始形态、荷载效应、裁剪等分析步骤43/724.对风雪等气候因素敏感，易造成膜材撕裂等事故。44/72§5.2建筑膜材建筑膜材织物膜材非织物膜材PVC膜材PTFE膜材ETFE膜材建筑膜材是继木材、砖石、金属、混凝土之后的第五代建筑材料。45/72一.织物膜材膜材构成示意图•基材决定材料的力学性能，如抗拉强度、抗撕裂强度等；•涂层决定材料的物理性能，如防火、防潮、透光等。•面层起自洁和防紫外线辐射的作用。46/72基材(Layer)的种类•聚酯纤维（丙纶）–抗拉强度较低；–易受到紫外线的侵蚀，需涂覆保护层。•玻璃纤维–具有较高的弹性模量和抗拉强度，不会受到紫外线的破坏；–缺点是脆性较大，受到弯折易破坏。47/72基层纤维的织造工艺•多为平织结构；•由于纤维交点处存在横向不平衡内力，因此纤维除发生弹性变形外，还会发生机构性位移。•采用预应力技术，可使膜材的尺寸恒定性提高。48/72涂层(Coating)的种类•聚氯乙烯(PVC)柔软、坚韧，有多种颜色选择；抗紫外线能力一般，主要用于聚酯纤维基材。•聚四氟乙烯(PTFE)化学性质不活泼，有良好的抗老化性；只有白色一种；主要用于玻璃纤维基材。•有机硅柔韧性、透光性、防水性均较好；自洁性、焊接性不好；主要与玻璃纤维基材。49/72面层的种类•丙烯酸树脂•聚二氟乙烯（PVDF）•聚偏氟乙烯（PVF）主要用于PVC涂层，以增强其化学稳定性和自洁性；PTFE膜材不需要面层。50/72•PTFE膜材：永久性膜材（25年）玻璃纤维基层＋聚四氟乙烯(PTFE)涂层品质卓越，价格也较高•PVC膜材：半永久性膜材（10~15年）聚酯纤维结构＋聚氯乙烯(PVC)涂层＋聚偏氟乙烯(PVDF)面层应用广泛，价格适中PTFE膜材与PVC膜材51/72•世界上首个应用PTFE膜材的永久性建筑。•20多年后，材料还保持着70-80%的强度，仍然透光且没有褪色。拉维恩大学学生活动中心StudentCenter(UniversityofLaVerne)，California,USA,197352/72膜材的基本性能•力学性能：Mechanicalproperties•耐久性：Durability•自洁性：Self-CleaningProperty•透光性：Translucent•防水性：Water-Resistancy•耐火性：Fire-Resistancy•工艺性要求：TechnicalProperties53/721.力学性能MechanicalProperties主要包括拉伸强度和撕裂强度，均需根据实验测定。•膜材的拉伸强度100Mpa•拉伸模量≈1/3ESteel•泊松比≈0.2•PTFE膜材的拉伸强度约为PVC膜材的1.5倍1）拉伸性能54/72膜材的单轴拉伸试验55/72弹性段类屈服段强化段膜材单轴拉伸曲线56/72正交异向性•膜材基材呈现很强的正交异性性能，经纬向变形能力相差达3-5倍之多。57/72012345604080120160200应力(Mpa)应变(%)W4AW4BW4CW4DW4E024681004080120160200应力(Mpa)应变(%)F4AF4BF4CF4DF4E经向试件纬向试件型号经向张拉刚度EWt(N/cm)纬向张拉刚度Eft(N/cm)泊松比剪切刚度Gwft(N/cm)γwfγfs1002T900065000.10.072102.51202T1050081000.0610.047123.158/72膜材的双轴拉伸试验双轴拉伸试验试件双轴拉伸试验荷载-变形曲线双轴拉伸单轴拉伸差异经向张拉刚度EWt(N/cm)11070105005.51%纬向张拉刚度Eft(N/cm)9000810010.0%59/72•膜材的撕裂强度比拉伸强度低得多。•PVC膜材具有中等的撕裂强度，PTFE膜材具有较高的撕裂强度。•实际工程中，很多破坏都是由撕裂造成的，因此在膜结构设计中要特别注意避免应力集中。膜材的撕裂强度60/72膜材撕裂试验TongueteartestTrapezoidalteartestMono-axialslitteartest61/7262/72徐变和松弛•蠕变和松弛是膜材起皱和失效的重要原因，在裁剪分析和加工时必须考虑这个因素。•聚酯纤维织物在10年里会因蠕变丧失50%的预张力，玻璃纤维织物则要稳定很多。PVDF1002T膜材经向9小时徐变图63/722.光学性能OpticProperties•PTFE膜材的透光率能达到25％，PVC膜材则为13％左右。•透射光在结构内部会产生均匀的漫射光；夜晚在周围环境光和内部照明的共同作用下，结构表面会发出自然柔和的光辉。80%64/72DayandnightTheinteriorofHajjTerminalilluminatedbythenaturaldaylightArtificiallightgoesthroughthemembranetodramatizeitswonderfulsculpturalshape65/723.自洁性Self-CleaningProperties•一般的膜结构建筑宜每年清洗一次；•对于清洗比较困难的膜结构，宜优先选用PTFE膜材或经过特殊表面处理的PVC膜材。66/72二.非织物膜材(ETFE膜材)•ETFE(乙烯-四氟乙烯共聚物