PVC (聚氯乙烯) 和PTFE (聚四氟乙烯) 膜材目前在国内已经广泛使用, 很多国内著名膜结构企业都对此有着丰富的工程经验, 而ETFE (乙烯-四氟乙烯共聚物) 做为一种新型的优质建筑材料, 在中国的百富策略白菜网才刚刚起步。但是, 随着2008年奥运会主场馆国家体育场 (鸟巢) 和国家游泳中心 (水立方) 的建成使用, ETFE膜结构却迅速地吸引了广大建筑师及业主的兴趣。在未来的一段时期, 可以预见, ETFE膜材将越来越广泛地百富策略白菜网于体育场馆、交通设施、商业建筑等各种场所。

ETFE有着优越于PVC/PTFE膜材的特性, 如自重更轻、建筑效果更好、透光率高等, 也有其“脆弱”的一面, 主要是由于它不像PVC/PTFE膜材那样具有聚酯纤维或玻璃纤维基材, 其强度低于PVC/PTFE膜材。在大跨度空间结构中, ETFE往往需要结合钢索来承担荷载, 或采用气枕的形式通过增加表面曲率来提高承载力。同样地, 由于其强度较低, 如果在加工和安装环节方法不正确, 就很容易造成膜材损伤, 或者安装效果不理想。由于ETFE和PVC/PTFE不能直接熔接, 不同膜材之间连接的防水问题也是需要认真对待的。

此外, 温度对ETFE力学性能及膨胀收缩性均有较大影响, 这在工程中也需要引起注意。

国内外对ETFE薄膜的规范要求几乎都是针对单轴受力要求, 其力学试验结果[1]如图1, 柯沃泰膜结构 (上海) 有限公司 (以下简称柯沃泰) 的工程师使用的简化图形如图2:

与传统建筑材料不同, ETFE的应力应变曲线具有两个明显的转折点, 称之为第一和第二屈服点, 其对应的强度分别称之为第一和第二屈服强度。

ETFE受力过程分3个阶段。在第一阶段, ETFE应力小于第一屈服强度15 N/mm2, 应变很小, 且几乎是弹性变形, 弹性模量约900 N/mm2。第一屈服点对应应变约1.7%。在第二阶段, 应力介于第一和第二屈服强度之间 (15~22.5 N/mm2) 时, 膜材应变增加的速度加快, 有一定塑性变形, 弹性模量降低。第二屈服点对应应变约10.6%。在第三阶段, 应力超过第二屈服强度22.5 N/mm2, 应变快速增加, 弹性模量显著降低, 产生明显的塑性变形, 不能满足工程百富策略白菜网。

随着膜结构在国内的发展和广泛百富策略白菜网, 我国2004年推出了《规程》, 对荷载及膜材设计强度作出了规定。

强度验算按承载能力极限状态, 采用荷载效应的基本组合, 采用荷载设计值进行计算;变形验算按正常使用极限状态, 采用荷载效应的标准组合, 采用荷载标准值进行计算。

对于著名的膜材品牌, 其产品性能经历了大量的工程实践。国内的膜结构企业一般均按照膜材供应商提供的数据确定抗拉强度。

在风荷载作用下, 膜材抗力分项系数2.5。膜材强度折减系数0.75。膜材强度设计值为抗拉强度除以抗力分项系数后, 再乘以强度折减系数。

《规程》制定时, 国内几乎尚无ETFE工程可供借鉴, 且ETFE膜材的力学性能也有别于PVC/PTFE膜材。上述规定对PVC/PTFE膜材是适用的, 但不适用于ETFE膜材。

目前, 国内外科研和工程实践中对ETFE设计强度的确定, 存在3种方法。有的采用第一屈服强度, 有的采用第二屈服强度, 还有的根据企业的工程经验, 针对不同的工况采用较为详细而复杂的方式来确定。这给设计者带来了困难和困惑。

将设计强度取为第一屈服强度15 N/mm2, 是其中较为严格的要求。本文的算例都按该强度校核。

E T F E膜材供应商提供的产品厚度一般为1 0 0~300μm, 其中最常用的是250μm, 对于某些特殊膜材, 如国家体育场 (鸟巢) 中使用的印点膜, 按照供应商目前的加工工艺, 其最大供货规格即为250μm。250μm ETFE的第一屈服强度为15 N/mm2x0.25mm=3.75 k N/m, 约为中等强度PVC/PTFE膜材 (《规程》C级膜材) 设计强度的1/5。

对于长期荷载, 即《规程》中的第一类荷载, 包括预应力及雪荷载, 采用第一屈服强度。对于短期荷载, 即《规程》中的第二类荷载, 主要是风荷载, 采用第二屈服强度。

之所以对于风荷载的情况下, 提高ETFE的设计强度, 考虑的因素有以下几点:

一是根据同济大学的试验结果[2] (图3) , 快速加载时, ETFE的第一及第二屈服强度都会有所提升, 且第一屈服强度提升的速度更快。试验拉伸速度为50mm/min时, 得到第一屈服强度1 5 N/m m2;而拉伸速度为500mm/min时, 第一屈服强度可达16.8 N/mm2, 提高12%。风荷载作为短期荷载, 其峰值作用在ETFE表面的时间是极短的, 在此极短的瞬间, 材料的强度提高, 在峰值瞬间之后, 作用在ETFE表面的已经是较小的荷载。

二是现有的国外规范及国内外的试验, 几乎都是针对单轴受力状态, 而实际工程中ETFE膜材多为双轴受力。根据德国Duisburg Essen大学 (SAXE) 的试验结果[3] (图4) , ETFE在双轴受力时, 其第一及第二屈服点对应的应变均明显小于单轴试验的结果。

工程实践中, 对于第二屈服强度22.5 N/mm2, 我们除以1.1的折减系数, 按20.45 N/mm2取用。根据双轴试验结果, 其对应的双轴应变为2.3%, 而非单轴试验结果下的10.6%, 与单轴试验结果中第一屈服点的对应应变1.7%较为接近了。

三是对于某些项目, 单层ETFE采用可调式边界进行二次张拉, 或是采用气枕结通过气体内压使膜面始终处于张紧状态。根据图4双轴试验结果, 循环加载后的第一屈服强度将接近原始的第二屈服强度。

我们期待着, 通过国内更多的科研结果和工程实践, 以及更广泛地借鉴国外的经验, 能早日以规范的形式确定ETFE膜材的设计强度及安全系数, 既提高材料使用的经济性, 又保证结构的安全性, 同时对膜结构企业也是一种保护, 可以促进整个行业的发展。

ETFE设计强度低, 单层ETFE适用于跨度较小的结构, 比较典型的百富策略白菜网是设置于桁架弦杆之间, 形成采光带, 且通过ETFE与PVC/PTFE不同材质的组合使用, 产生更为丰富的视觉效果。

表1算例1-1至1-9给出了跨度1m~2.6m, 按承载能力极限状态, 在荷载设计值下, 长度12m的ETFE应力等于或接近第一屈服强度时, 可以承受的荷载 (以风荷载为例) 。

《规程》规定, 膜面变形应小于跨度的1/15, 按正常使用极限状态, 在荷载标准值下, 算例1-1至1-9的结果均可满足。

目前, 由于规范的缺失, 有些国内外企业在ETFE设计时采用荷载标准值, 并以应力与设计强度比值小于1.0即认定为计算通过, 这样, 安全度是较低的。

按照上海轨道交通八号线车站雨棚膜结构工程 (ETFE面积约3 260m2, 膜结构:柯沃泰) 的荷载, 基本风压0.55 k N/m2, 高度系数1.14 (B类15m) , 风振系数经设计院认可按《规程》最小值取1.2, 体型系数按-1.2, 风荷载标准值为0.903 k N/m2, 那么单层ETFE只能做到近1.60m宽度。

当单元长宽比大于2时, 相同跨度下, 结构长度对计算结果的影响很小 (表2) 。

比较直桁架和拱桁架, 相同的边界长度时, 弧形桁架ETFE应力较小, 或者说弧形桁架具有较高的承载力。计算模型如图5, 计算结果如表3。

工程案例:上海轨道交通八号线车站雨棚膜结构 (图6) , 单层ETFE位于倒三角桁架上弦杆之间, 桁架宽度按钢结构设计需要, 为0.7m。

工程案例:常州莱蒙都会商业广场膜结构 (ETFE面积约1 120m2, 膜结构:深圳市欣望角空间膜技术开发有限公司 (以下简称欣望角) /柯沃泰, 图7) , 单层ETFE位于正三角桁架下弦杆之间, 桁架宽度按钢结构设计需要, 最大为3.0m。该项目位于市中心区域, 荷载较小, 地况取C类, 荷载标准值0.50 k N/m2 (基本风压0.35 k N/m2, 高度系数0.92, 风振系数1.2, 体型系数-1.3) 。

当单元跨度较大, 或者荷载较大, 以至于ETFE强度无法满足设计要求时, 可以采用ETFE结合钢索的方式, 其中最简单的是采用单向钢索, 这些钢索根据膜的造型可以平行布置或辐射布置。

计算模型如图8, 计算结果如表4。

钢索预应力按10k N, 弹性模量已乘以截面积, 风荷载标准值1.00 k N/m2, 设计值1.40 k N/m2 (以下的算例都相同) 。

说明:

1.对于5mx5m模型, 比较算例2-1和2-3:

*算例2-3采用14mm钢丝绳, 从钢索强度考虑, 3根即可, 间距1 250mm, 算例2-1采用12mm钢丝绳, 需5根, 间距833mm。从价格考虑, 5根12mm钢丝绳 (长6m, 含索头) 的成品价格约比3根14mm钢丝绳高25%左右, 算例2-3较优。

*从ETFE的强度考虑, 算例2-3的强度使用充分, 算例2-1则有一定的安全储备。

*从变形控制考虑, 算例2-1优于算例2-3。

2.对于6mx6m模型, 比较算例2-4和2-5:

*算例2-4较好符合强度检核。算例2-5钢丝绳安全系数略低于2.5, ETFE安全系数略低于1.0。

3.对于6mx6m模型, 比较算例2-5和2-6:

*算例2-5采用14mm钢丝绳, 算例2-6采用16mm钢丝绳, 其余设计条件相同。

*算例2-6的钢索及ETFE安全系数均满足要求。二者ETFE应力相差不多, 但算例2-6的略低。

*算例2-6钢丝绳弹性模量较高, 引起其索力高于算例2-5。

4.比较5mx5m算例2-2和6mx6m算例2-4, 钢索间距都是1 000mm:

*索间距相同时, 较大的模型其ETFE应力及索力都较大。

5.可以推断, 对于6mx6m模型, 如果采用3根钢索, 间距1 500mm, ETFE应力将超过设计强度。经验算, 即使取用3根30mm的钢丝绳, 也不能使ETFE强度满足要求。

6.与钢丝绳相比, 相同索径的钢绞线具有更高的净截面面积、弹性模量及破断力, 所以较小直径的钢绞线可以代替较大直径的钢丝绳。

工程案例:安徽省合六叶高速叶集主线收费站膜结构工程 (ETFE面积约1 030m2, 膜结构:欣望角/柯沃泰) (图9) , 收费站端部两根弧梁弦长约18m, 弧长分别为约24m和33m, 弧梁中点间距5.66m。钢丝绳直径10mm, 间距1 500mm。

工程案例:常州莱蒙都会商业广场膜结构中庭圆顶 (图10) , 直径约14.3m, 辐射状布置26根直径10mm钢丝绳, 圆周处钢索间距约1 700mm。

采用双向钢索, 可以产生较多的单元区格, ETFE应力将会降低。在每个方向上, 与单向钢索的结构形式相比, 钢索的间距或索径可以降低。膜面变形也有所降低。

计算模型如图11, 计算结果如 (表5) 。

说明:

1.算例3-1采用10mm钢索, 即使索间距做到1 000mm, 钢索安全系数仍是偏低的, 除非继续减小索间距, 这样钢索根数过多, 不适合采用。

2.比较算例3-2和2-4:

*算例3-2采用双向各4根12mm钢丝绳, 算例2-4采用5根14mm钢丝绳, 钢索造价方面, 算例2-4较优。

*算例3-2的ETFE应力较低, 变形也较低。算例3-2可使用200μm膜材。

3.比较算例3-2和3-3:

*算例3-2采用双向各4根12mm钢丝绳, 算例3-3采用双向各3根14mm钢丝绳, 钢索造价方面, 二者接近。

*算例3-2的ETFE应力较低, 变形也较低。按照设计强度, 算例3-3需要250μm膜材, 算例3-2可使用200μm膜材。

工程案例:首都机场南线收费大棚索膜建筑工程 (ETFE面积约1 950m2, 膜结构:北京纽曼帝莱蒙膜建筑技术有限公司 (以下简称纽曼帝) /柯沃泰, 图12) , 包括30个三角形ETFE膜单元, 最大三角形尺寸约21mx17mx11m。双向钢索间距分别约1 200mm和900mm。最小三角形单元尺寸约6.5mx6.5mx6m。双向钢索间距分别约1 300mm和1 400mm。钢索索径22mm。仅一个方向的索设置索袋, 另一方向的钢索起平衡作用, 无索袋, 两个方向的钢索交点位置采用索夹连接。

在与单向钢索垂直的方向设置钢梁, 在梁和索交叉的位置设置支座以约束钢索的位移, 可以有效地降低膜面的变形, 同时可以采用较小的索径。

计算模型如图13, 计算结果如表6。

说明:

1.比较算例2-4和4-1:

*算例2-4采用5根14mm钢丝绳, 算例4-1采用5根12mm钢丝绳, ETFE应力基本相同。由于索支座约束了钢索的位移, 算例4-1的变形小很多。

2.比较算例3-2和4-1:

*算例3-2采用双向共8根12mm钢丝绳, 算例4-1采用5根12mm钢丝绳, 由于膜面被钢索划分为更多的区格, 所以双向钢索算例3-2的ETFE应力较低, 但算例4-1的变形比算例3-2小很多。

工程案例:国家体育场 (鸟巢) 膜结构工程 (ETFE面积约3.7万m2, 膜结构:柯沃泰, 图14) , 共880个ETFE单元, 单元面积最小的仅0.6m2, 最大的为216m2。在不同的单元, 钢索间距800~1 400mm, 梁间距2 500~4 200mm。钢索采用直径10mm不锈钢钢绞线。

采用双层ETFE气枕, 每层ETFE均主要只承担其法向向外的荷载, 如一个封闭建筑的屋顶采用ETFE气枕, 其外层抵抗风升力, 内层抵抗风压力。由于初始的表面曲率, 使得相同尺寸的气枕比平面的单层ETFE膜具有更高的承载力。

表7算例5-1采用10%的初始矢高以及300Pa气体内压。比较算例5-1和1-11, 气枕在相同荷载下, 可以用于更大的跨度。

工程案例:苏州时代广场天幕 (ETFE气枕投影面积约9 500m2, 膜结构:柯沃泰, 图15) , 共292个气枕, 标准单元气枕边界尺寸约4.2mx8.4m。

ETFE气枕矢高越大, 可以承受的荷载越大, 但是同时加工和安装的难度也越大, 容易造成角落的皱褶。

其他可采用的结构形式还包括多层ETFE气枕、ETFE气枕与钢索的结合使用等方式。结构形式的确定, 需要结合边界尺寸、荷载条件、膜材厚度、变形要求、经济性、美观性、加工和安装的方便性等因素综合考虑。

ETFE的设计缩率一般小于1%, 而且其强度低, 所以比PVC/PTFE膜材对钢结构精度有更高的要求。国家规范对钢结构加工和安装的精度已有规定, 然而实际工程中却往往难以达到。如果完全依据钢结构设计图纸来确定膜材边界线, 现场必然造成膜与钢构无法吻合, 一旦过度张拉, 极易造成膜材损坏。

鉴于此况, 一方面, 应通过充分沟通, 使钢结构企业理解ETFE的要求, 提高其制作精度;另一方面, 在ETFE膜加工下料之前, 应对钢结构尺寸进行复测, 一旦超过允许误差, 应与相关单位及时协调, 钢构能整改则整改, 不能整改则应根据测量值确定膜边界。这时, 膜加工进度会比按原图设计晚很多, 需及时与相关单位协调, 甚至在项目初期, 膜结构企业就应与相关单位进行充分沟通, 使各方对此作出预期, 在总工期中安排出一定空间。

如果条件许可, 应同时采用皮尺和全站仪测量, 并对比测量结果, 才能给设计师提供可靠的信息以确定膜材边界。从该点要求出发, 是需要ETFE膜结构公司配置专业的资深测量人员的。

工程案例:国家体育馆 (鸟巢) , 原设计为中心对称结构, 会有一半的单元是相同的, 但是由于误差原因, 最终必须根据测量结果对每个单元分别进行设计。某些单元在设计、加工或安装时仍发现有问题, 则再次进行了测量确认。

膜结构方案应由建筑师和膜结构工程师共同确定, 这一点, 目前很多设计院的设计师也是认同的, 有时候, 甚至还需要ETFE加工和安装各环节的技术人员共同参与确定。对于新兴的ETFE膜结构更是如此。

一些建筑方案中, 建筑师偏爱采用弧形边界 (指平面弧线, 对于拱桁架, 其展开后仍为直线, 故不存在问题) , 以产生丰富的美学效果, 但是目前国内ETFE加工机器只能加工直线边界。弧形边界也是采用折线模拟的方式来处理。

对于严格的弧线边界, 目前的设备和工艺是无法实现的;如果弧线的半径较大, 有经验的膜结构企业尚可直接用机器熔接来近似处理;对于半径较小的弧线, 只能用折线代替, 采用手工熔接, 不但无法做到圆滑弧线, 而且加工速度慢, 品质不易有保障。这种处理方式是需要建筑师及业主预见的。对于膜结构企业, 需要根据自身的设备和工艺, 实事求是地面对方案。

工程案例:江阴市体育中心 (ETFE投影面积约1 780m2, 膜结构:纽曼帝/柯沃泰, 图16) , 膜单元为近似椭圆形状, 端部弧线半径仅500mm, 此处弧形边界的加工时间与相同长度的直线边界相比竟达50倍。同时, 当ETFE采用折线拟合曲线时, 铝合金应弯曲或同时采用折线拟合, 且折线转折位置应与ETFE折线一致。

另有某工程在ETFE边界有一处钢结构以半圆形法兰连接, 考虑到ETFE的加工工艺, 将半圆形法兰的螺栓孔仍按直线排列 (图17) 。但是应当指出, 这种大于180°的角度, ETFE存在剪应力, 受力性能远低于拉应力, 在安装过程中极易被撕裂。

ETFE强度低, 即使设计和加工环节处理得再完美, 现场安装时, 如果对材料的特性以及ETFE膜材的安装工艺不了解, 仍然可能造成工程的缺陷。

比如一个典型情况是, 拱桁架的上弦杆之间做单层ETFE, 从中间向两端拉伸, 会比从一端向另一端拉伸合理。在拉伸的过程中, 与直线边界相比, 由于弧度的存在, 拉伸总是沿着切线方向, 而不是弧线本身, 这样就易造成张拉不到位。在边界端部位置, 则会发现膜材看起来“偏短”。由于ETFE断裂延伸率很高, 可能会最终将ETFE拉到边界位置, 但实际上, 在端部已经超张拉了。安装虽然完成了, 但结果一定不理想, 甚至膜角被拉破。

正确的张拉方法, 应比较慢速均匀地进行张拉, 在膜材及钢构的对应位置均作出标记, 张拉时使ETFE与钢构的标记一一对应, 并用螺栓分段定位 (图18) , 确保均匀张拉, 这样到达端部时, ETFE才能很好地符合钢构边界。

单层ETFE节点防水的问题主要产生于ETFE膜材与PVC/PTFE膜材交接的位置, 尤其是低点角落处。不同材质的膜材之间无法熔接, 需要采用其他的节点方式加以处理。

一种方式是采用铝挤型压板, 将PTFE及ETFE压住 (图19) , 重点是在角落部位要小心施工, 减小因膜材焊缝位置厚度不等而造成压板不能压紧, 从而导致渗水的可能。这种方式在首都机场和上海八号线项目中均有百富策略白菜网。

另一种方式是将ETFE边界与PVC/PTFE边界作出一定的高差或不同的内外位置, 从而分别进行防水处理, 这种方式在上海青浦建设工程质量检测中心中庭膜结构顶棚 (4个天窗, 直径分别为1.2m、1.3m、1.4m、1.5m, 膜结构:柯沃泰) 得到百富策略白菜网 (图20) 。

最为保险的做法是采用水槽, 进行有组织排水, 这种方式百富策略白菜网在国家体育场 (鸟巢) 中 (图21) 。但是这种方式在某些项目中难以被建筑师或业主接受, 比如上海轨道交通八号线车站雨棚膜结构, 桁架间轴线宽度只有700mm, 如果在两根上弦之上分别设置一定宽度的水槽, 那么ETFE的范围就几乎没有了。

对于重要项目或是新的节点方式, 如果条件许可, 应该进行试验以验证节点方式的可行性, 是柯沃泰为新广州站工程 (ETFE气枕投影面积约1.5万m2) 进行的防水试验 (图22) 。

根据Hoechst AG的研究[4] (图23) , ETFE膜材10%应变下的强度 (接近单轴测试第二屈服强度) 在20℃时约为25N/mm2, 在0℃时可达约29N/mm2, 但40℃时仅为约21N/mm2。其应变随着温度的升高而升高, 弹性模量随着温度的升高而降低。

根据柯沃泰委托同济大学的测试结果 (图24) , ETFE材料本身也有明显随温度膨胀或收缩的特性。大约温度每变化20℃, 其膨胀或收缩的比例将达到约0.5%。

我国幅员辽阔, 北方冬季和南方夏季的温差达到60℃, 即使在同一建设地点, 其冬夏温差也可能达到40℃。在初始状态下, 膜材的长度就会相差1%。图25可以直观地显示当边界固定时, 长度相差1%, 将会使膜面造成明显的松弛, 其松弛曲面的矢跨比达到约6%。

从这个角度来讲, 单层ETFE的跨度不宜太大, 边界考虑做成可调式 (在必要的时候进行二次张拉) , 或者采用气枕的形式, 通过气体内压使膜面始终处于较为理想的状态。膜材缩率应认真确定, 设计时应考虑工程建设地点的安装季节和气候条件。

ETFE做为一种新型材料, 从国家体育场 (鸟巢) 膜结构工程2007年底安装结束算起, 它在国内大型工程中的百富策略白菜网尚不足两年时间。这些工程有做得比较成功的, 也有存在瑕疵的, 这是ETFE膜结构在国内发展所必经的阶段。它在国内更为广泛的百富策略白菜网, 需要高校、科研院所、建筑师和膜结构专业企业和技术人员多方进行理论和实践的探索。

在设计、加工和安装环节, 有太多的课题值得思考。本文无法对目前ETFE在国内的百富策略白菜网提出全部的要点及其对策, 但是期望通过本文能使建筑师和业主对ETFE膜材在不同建筑方案以及荷载下可以采用的结构形式有所了解, 以及膜结构在设计、加工和安装过程中, 哪些典型的难点和要点是需要目前已经具备或即将具备ETFE生产能力的膜结构企业需要共同注意以及共同提高的。在整个行业的共同努力下, ETFE才能更为健康、成熟地发展, ETFE的市场也会更加繁荣。