随着空间结构的发展,膜结构以其灵活多变的建筑造型和轻质高强的结构特性而被广泛百富策略白菜网于大跨度空间结构中。随着ETFE(Ethylene Tetra Fluro Ethylene)研发成功,一种新型的膜结构形式———ETFE气枕式膜结构凭借其美观的造型、良好的受力性能逐渐走进人们的视线,并迅速发展,成为目前最主要的膜结构形式之一。

传统意义上,膜结构按受力特性可分为张拉式膜结构、充气式膜结构、骨架式膜结构。其中充气式膜结构又可分为气承式膜结构(Air-Supported Membrane Structure)和气胀式膜结构(Air-Inflated Membrane Structure)[1,2,3] 。

气枕式膜结构起源于气胀式膜结构。气胀式膜结构是指如同气球一般,将膜材包裹成封闭构件,向膜构件内部充气,使膜材产生张力,从而具有一定的刚度,将多个膜构件组合形成整体受力体系。1970年,在日本大阪世博会上,川口卫(Mamoru Kawaguchi)设计的香肠气胀式膜结构———日本富士馆引起了人们对气胀式膜结构的关注。这种结构形式不需要保持不同的室内、外气压,舒适度较好,但结构受力不如气承式膜结构合理,跨度相对较小,在膜结构的发展初期百富策略白菜网较少[1,2,3] 。

随着人类对建筑功能要求的增加,透明、轻盈且具有高性能的ETFE薄膜研发取得成功。但其单张膜的抗拉强度相对于织物类膜材较低,难以对其附加过大的预应力使之张拉具有适当的刚度,常常采用气枕的形式多张共同受力。凭借这种材料,气枕式膜结构逐渐兴起并迅速发展。它将多层(一般2~3层)ETFE膜材周边热合并用夹具封闭固定在骨架上,内部充气使其形成气枕并具有一定刚度以抵抗外部荷载,自身仅起到围护结构的作用。它属于气胀式膜结构和骨架式膜结构的结合,具有轻质、透光、隔热、抗腐、耐候、自洁等良好性能,力学性能也极佳,被广泛百富策略白菜网于大型公共建筑中。我国在2004年由中国工程建设标准化协会颁发了《膜结构技术规程》(CECS 158:2004)[4] ,在膜结构的设计与施工中得到广泛百富策略白菜网,近年来对该规程进行了修订,根据我国在ETFE膜结构方面的发展,增加了有关材料特性、设计与施工等内容。

在国外,ETFE气枕式膜结构以德国慕尼黑安联球场和英国伊甸园工程为代表最为突出[5] 。德国慕尼黑安联球场(图1)表面由2 874块菱形ETFE气枕组成,具有较好的自洁、防水、防火以及隔热性能。伊甸园工程(图2)作为世界上最大的温室,使用了625块六边形、16块五边形和190块三角形的ETFE枕形膜结构,每块由3张ETFE膜叠加并充入空气,再沿边缘热合焊接,空气层具有较好的隔热作用,且透光率高,是非常好的温室建筑材料。

在国内,2008年北京奥运会国家游泳中心“水立方”[6] (图3)是国内首次采用ETFE气枕式膜结构,采用双层ETFE蓝色气枕,表面覆盖面积达到10万m2,是目前国内规模最大的ETFE气枕式膜结构工程。

此后,ETFE气枕式膜结构在国内逐渐开始被广泛采用,下面选取几个工程实例。

(1)2010年上海世博会日本馆(图4)又名“紫蚕岛”,长度为95m,宽度为54m,总建筑面积为8 397.1m2,整个建筑由单层网壳穹顶覆盖,围护结构采用了双层ETFE气枕,并在膜内配合太阳能电池,可以充分利用太阳能实现发电发光的功能。

(2)广州南站中央通廊[7] (图5)位于站房的中部,采光屋面系统由1 182个菱形的气枕组成,气枕上层采用0.25mm厚蓝色透明的ETFE膜材,内表面镀银点(镀点率70%),下层同样采用0.25mm厚蓝色透明ETFE膜。

(3)大连体育中心体育场[8] (图6)是第12届全国运动会的主要比赛场馆之一,整体平面为椭圆形,长轴方向长度为320m,短轴方向长度为293m,其罩棚外围护顶棚和下部看台外立面幕墙均采用了ETFE气枕膜结构。

(4)天津于家堡站房穹顶(图7)为京津城际铁路的延伸线,主体结构是由36根正螺旋和36根反螺旋组成的箱形截面钢结构单层网壳结构,主要部分采用了3层ETFE气枕覆盖,每块气枕的尺寸和形状都不相同,膜结构设计与施工难度较大,膜材表面带有不同印点率的银色印刷圆点,以便很好地调节太阳辐射作用,减少太阳辐射对下部主体结构的温度效应。

ETFE薄膜[9,10] 为乙烯-四氟乙烯共聚物,属于非织物膜材,厚度通常为50~300μm,通过热塑成形,薄膜张拉各向同性,非常坚固耐用,具有轻质、柔韧、厚度小、透光性好、耐久、耐火、自洁等特点[1,2,3] ,是用于建筑结构的第3大类膜材产品。单层膜抗拉强度在35 MPa以上,断裂延伸率大于350%[11] ,单向拉伸应力-应变曲线经历两个刚性转折点,对应膜材的第1屈服强度和第2屈服强度,在新版的《膜结构技术规程》中有所规定。其透光率在50%~96%之间,可以通过调节表面印点覆盖率和材料厚度来调节光强度和紫外线的透过率,张拉后的膜面极为光滑且有自洁能力,平均使用寿命在30年左右。ETFE膜材不易燃,且在燃烧融化后会自行熄灭,达到GB 8624-2012、DIN 4102防火等级要求。

气枕式膜结构利用第3类建筑膜材产品ETFE膜材,内部充气形成具有一定刚度的气枕构件,连接于主体结构骨架上,具有良好的性能。对于气枕式膜结构,其在使用过程中通过对气枕内压的自动或人为控制可以有效调节膜结构的受力性能、透光率以及隔热性能等,这种服役过程中的可调节能力是气枕式膜结构不同于一般膜结构最重要的特征。气枕式膜结构除了ETFE膜材的优点以外,还具有以下可调节的特点。

ETFE膜材各向同性,且具有较高的抗拉强度以及断裂延伸率,通过内部充气形成的气枕式膜结构又具有一定刚度可以满足承载要求。由于其很轻的自重,主要控制荷载通常为温度作用、风荷载以及堆积雪荷载,随着荷载大小的不同,可以通过调节气枕内压以很好地应对不利荷载工况。温度变化主要包括膜面温度变化和内部气体温度变化,膜面温度变化将会导致膜面最大主应力的改变,膜材与金属夹具不同的热膨胀系数导致不同的应变,特别是当温度变化不均匀时对膜材的影响更为显著,而内部气体温度的变化将会导致内压发生改变,故对温度变化最常用的方法便是通过控制系统对气枕内压进行调节,但仍难以克服不均匀温度场变化带来的不利情况;风荷载是膜结构主要的控制荷载,由于膜结构自重很轻,风吸作用通常是更为不利的一种荷载工况,当大风来时,控制系统可以针对实际情况适当调节内压以抵抗风荷载的作用,但是调节幅度有限;堆积雪荷载有时还可能出现积水荷载,都是膜结构的不利荷载,当出现堆积效应时,荷载作用较为集中且越来越大,膜材出现局部受压,所以常常需要通过内压调节保证气枕具有一定的刚度以避免堆积效应的产生。综上,对气枕内压的调节是保证气枕式膜结构具有良好的受力性能的关键。

此外,气枕式膜结构结合了充气式膜结构和骨架式膜结构的特点,利用了充气式膜结构的可调节、可控制的刚度和性能,以及骨架式膜结构骨架较好的刚度和受力性能。骨架常采用钢骨架,强度较大,且设计时较独立于膜结构,体系成熟,研究较深,具有很高的安全保障,即使气枕式膜结构发生破坏,对主体结构也没有太多影响。

ETFE膜材自身由于直接热塑成形,厚度很薄,原本就具有很高的透光率。通过对膜材表面镀银色圆点可以调节膜材的透光率,从而满足室内不同的采光需求。但实际工程中常常需要在不同时刻对太阳辐射进入室内的量进行改变,单层ETFE膜材在确定了印点率之后难以进行可控调节,而ETFE气枕式膜结构很好地解决了这一难点。此时,气枕可采用3层ETFE膜材,膜材具有一定的印点率,气枕具有上、下两个独立的充气腔,通过控制上、下充气腔不同的内压,从而改变中间层膜材的位置,直接影响太阳辐射的通过量,如图8所示。

气枕式膜结构由于空气层的存在,具有很好的隔热性能。此外,通过气枕内压的改变可以有效调节气枕内部空气层的厚度,再加上内压改变可以对气枕透光率进行有效调节,合理控制太阳辐射的通过量,进而可以调节气枕式膜结构的隔热性能。

ETFE膜材不易燃,在燃烧中会熔化,之后自动熄灭。当火灾来临时,膜材熔化屋面出现开口,火灾产生的烟可以直接从膜材熔化的洞口排出,由于ETFE膜材很轻,熔化后碎片会随烟上飘,不会对下部人群产生影响。

特别值得一提的是,在天津于家堡站房穹顶膜结构中首次采用了ETFE气枕熔膜技术,当火灾来临时,利用事先布置好的电热丝加热,将膜材三边熔断,保留一边使膜材悬挂,以防坠落发生危险。通过快速熔膜的技术,保证了屋面足够的排烟面积,以达到迅速排烟的效果。

随着ETFE气枕式膜结构的发展与百富策略白菜网,国内外大量学者对ETFE薄膜以及ETFE气枕式膜结构展开了研究。

BARTLE[14] 对ETFE气枕的应力-应变以及位移等力学性能进行了数值分析。NAKAI[15] 对ETFE气枕的试验研究与研究方法进行了归纳,并考虑了内压被动变化对气枕设计的影响。CHILTON等[16] 对ETFE气枕几何形态和构造对建筑节能的影响进行了分析,考虑了气枕不同的形状、大小以及构造。LUCAS等[17] 对ETFE气枕的材料性能和力学性能进行了研究,并利用了有限元进行模拟。吴明儿等[11,18,19,20,21,22,23] 对ETFE膜材的单向拉伸、双轴拉伸、循环拉伸进行了试验研究,并考虑了高、低温环境、拉伸速率、积水效应对材料性能的影响,分析了膜材的拉伸强度、焊接强度、徐变等力学性能,得到了大量成果。此外,吴明儿等[24,25,26] 还对ETFE气枕模型进行了研究与分析,提出了一种新型弹簧支撑ETFE气枕式膜结构并对其进行试验与理论分析。薛素铎等[27,28,29] 对ETFE充气膜结构、气枕式膜结构的初始形态进行了分析,利用有限元对初始形态进行了模拟,并对气枕式膜结构的受力性能分析取得了一定成果。陈务军等[30,31,32,33,34,35] 对ETFE膜材单轴、双轴、循环拉伸、ETFE气枕式膜结构的力学性能进行了试验研究,考虑了高温、膜材泊松比的影响,并采用了数值模拟的方法。徐国宏等[12,36] 考虑了温度、索网布置等对ETFE气枕式膜结构性能的影响,通过对3种矢高、3种膜厚的ETFE气枕式膜结构的计算,分别得出了气枕矢高和膜厚、环境温度变化和膜面温度变化与气枕内压和膜面最大主应力的关系,提出了堆积雪荷载的不利影响以及预防措施。武岳等[37,38,39,40] 对膜结构概念设计与形态优化进行了归纳,并对膜结构的形态优化、褶皱处理以及风振响应进行了分析,得到了大量成果。顾磊等[41,42] 对ETFE气枕模型的力学性能进行了试验研究与有限元分析,考虑了蒙皮效应的影响。李鹏和杨庆山等[43,44,45,46] 对ETFE气枕力学性能进行了试验与有限元分析,考虑了找形与荷载分析。陈雷等[47] 对“水立方”ETFE气枕成套技术进行了研究与分析。

对于气枕式膜结构的设计,常采用专业膜结构设计软件EASY或3D3S膜结构模块完成,而对于复杂结构需要进行有限元分析时常采用ANSYS软件。最常用的膜结构设计软件为德国Technet GmbH的有限元软件EASY(图9),具有快速、灵活、可靠的特点,具有找形、膜面分析、裁剪、充气结构分析、膜与支承结构协同分析等多个模块。

在经过膜结构基本体系和方案选择后,气枕式膜结构的设计主要包括整体构造、初始形态的找形、裁剪设计、荷载分析、充气系统的设计。由于气枕式膜结构常常作为屋面系统,多数会伴随天沟设计,即防水排水设计,本文不加赘述。

首先利用膜结构设计软件对膜结构气枕的初始形态进行找形[48,49,50] ,包括矢高、形状、大小、曲面等,通常需要结合建筑要求、荷载情况以及主体结构的情况来进行设计。在气枕设计中,首先需要确定一个合理的曲面。为确保在外荷载作用下结构性态良好,常采用力平衡找形方法如动力松弛法、力密度法等来建立曲面;平衡曲面可用多种方法确定,如动力松弛法、力密度法等,不同的方法各有利弊。但总体而言,力密度法在业内被认为是最合理和最灵活的找形技术。ETFE膜是超弹性材料,为了检核评估其在外荷载作用下的特性,针对ETFE膜结构变形的特点,必须进行几何非线性结构分析,按照承载力极限状态和正常使用极限状态进行设计。

由于气枕膜面为三维曲面,故对于单张平面ETFE膜材,无法直接成形,故需要对平面膜材进行三维裁剪设计,再对裁剪片进行热合,以达到设计曲面的要求。通过膜结构设计软件可以直接进行裁剪设计,得到不同的裁剪片。

气枕式膜结构荷载根据规范合理取值[4] ,主要考虑恒荷载、活荷载、风荷载、雪荷载、气枕内压以及温度荷载。其中恒荷载为ETFE膜材自重,通常很轻,可以忽略,且气枕通常不允许上面有人,故活荷载也可不考虑。

此外,气枕与主体结构的连接需要设计与验算,工程中常常采用铝合金夹具对气枕边界进行固定,然后将铝合金夹具连接在天沟处或主体结构。对于充气系统的设计,需要根据气枕的容积配置合适的供气机,且需要留有安全储备,即若某台供气机发生故障,其它供气机仍可满足整个结构的供气要求。每台供气系统一般都配有压力感应器,以监控气枕的内压,随时可对气枕内压进行自动调节。

气枕式膜结构的施工主要包括膜材的裁剪、加工,气枕的制造与安装等。

膜材的连接主要包括热合连接、黏结连接和缝合连接。其中热合连接(图10)是膜材连接最常用的形式,是将膜边结合区域内膜材上的涂层加热使其融合,并对其施加一定时间的压力,使膜材牢固连接在一起。加热方法有高频热合、热空气热合、热烙铁等。热合连接有搭接、单覆层对接、双覆层对接等多种方式,其连接强度与热合形式、热合方法以及搭接宽度有很大关系。热合连接具有很好的连接强度和防水性能,膜受力均匀、连续,是一种现代膜结构广泛采用的膜材连接方式,《膜结构技术规程》(CECS 158:2004)[4] 规定膜材间主要受力缝宜采用热合连接。

首先,根据图纸对膜材进行裁剪,之后将裁剪片进行热合焊接,形成具有曲面的单片膜材。焊接时需要根据经验先确定加工膜材的焊接温度和焊接速度,可采用裁剪边角料进行试焊,焊接完成后对热合缝进行拉伸及剥离试验。随后进入正式焊接阶段,对裁剪片进行确认、检查、编号,按照事先编好的加工顺序逐一进行焊接热合缝,焊接温度及焊接速度根据试焊结果调节,同时要求每天正式焊接前均进行试焊试验,保证正式焊接达到加工强度要求。

形成具有曲面的膜材后,将膜材按照气枕的设计要求边界热合为整体并收边(图11)。将加工好的气枕吊运至安装位置后,将未充气的气枕展开,稍微张拉使气枕固定在夹具边界上(图12)。每一片ETFE气枕安装完成后,必须将充气软管安装完成,进行供气。同时对供气机械系统、监测和控制系统等安装测试完毕,确保整个系统能有效运转之后方可进行充气工作。随时监测结构状态,并根据具体情况做出调整,充气后气枕内压应符合设计要求。

气枕式膜结构对安装的精度和定位较为敏感,当实际安装与设计有偏差时,可造成气枕受力不均匀甚至无法安装。所以在膜结构加工前通常先对主体结构进行测量定位,并在膜结构加工和安装过程中保证施工精度。

ETFE膜材的褶皱问题容易引起膜材的应力不均匀,对膜材的受力性能有一定影响。在施工过程中,应注意对ETFE膜材的保护,避免其直接折叠产生褶皱,通常在折叠处垫上软管,此外膜材应避免接触尖锐物体导致破损。当ETFE膜材产生褶皱,可采用局部加热的方式消除褶皱。

(1)ETFE膜材相对于织物类膜材强度较低,难以通过预应力张拉使之具有一定刚度,常采用气枕形式利用多张膜材同时受力,并通过空气内压使气枕具有合适的刚度。

(2)相比于单层的膜结构,气枕式膜结构在使用过程中通过气枕的内压调节,可以有效调节膜结构的受力性能、透光率、隔热性能等,具有在使用过程中的自动可调节能力,这是气枕式膜结构不同于普通膜结构最显著的特点,在工程百富策略白菜网中具有一定的优势。

(3)本文针对新兴的ETFE气枕式膜结构体系,对该结构体系的发展、结构性能、设计方法与施工技术进行了研究与归纳,并对气枕式膜结构力学性能的研究现状进行了总结。由于ETFE膜材以及气枕式结构体系的特殊性,其设计与施工不同于一般结构,需要特别注意。