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津騰論述關(guān)于PTFE張拉膜雨棚的結(jié)構(gòu)

導(dǎo)讀:本文闡述了張拉膜結(jié)構(gòu)的材料特性、力學性能和分析方法,對一個 PTFE 張拉膜雨棚工程實例進行設(shè)計,介紹該結(jié)構(gòu)的設(shè)計過程,包括膜材選擇、膜材邊界設(shè)計、降溫法輸入預(yù)張力、初始


返回列表 來源:未知 發(fā)布日期:2020-07-04 09:48【
建筑膜材在一定的預(yù)拉力作用下具備一定的剛度,從而獲得了承擔外荷載的能力,這就是張拉膜結(jié)構(gòu)的基本作用原理。據(jù)天津津騰實驗設(shè)備有限公司了解到現(xiàn)代膜結(jié)構(gòu)建筑中,常用的膜材有聚酯纖維、玻璃纖維等。膜材料自重非常輕,同時具有不俗的抗拉強度和變形能力。張拉膜結(jié)構(gòu)使用膜材屋面替換傳統(tǒng)的混凝土屋面板和金屬屋面板,可以十分有效地降低結(jié)構(gòu)的整體自重,使得結(jié)構(gòu)更加輕盈、美觀;同時,張拉膜結(jié)構(gòu)通常由充滿整體性與韻律感的空間曲面組成,可以大大豐富建筑師對于建筑造型的想象力。因此,在交通建筑、體育建筑、會展建筑等大跨度空間結(jié)構(gòu)以及雨棚這一類結(jié)構(gòu)外露、造型多變的室外建筑中,張拉膜結(jié)構(gòu)已經(jīng)獲得了較為廣泛應(yīng)用。

1膜材
張拉膜結(jié)構(gòu)中常用的膜材均為復(fù)合材料,由纖維基材和涂層構(gòu)成。根據(jù)復(fù)合材料組分的差異,一般可以分為三大類:
①玻璃纖維基材和聚四氟乙烯涂層,又稱為PTFE膜材;
②玻璃纖維基材和硅酮涂層;
③聚酯纖維基材和聚氯乙烯涂層,又稱為PVC膜材。
天津津騰實驗設(shè)備有限公司認為相比PVC膜材,PTFE膜材的抗拉強度和彈性模量較高,也具有較好的透光率、自潔性以及抗紫外線性能,經(jīng)受太陽光的長期照射后,也不會像PVC膜材那樣發(fā)生較大的徐變,因此,PTFE膜材常用于設(shè)計使用年限較長的建筑中,PVC膜材則多用于臨時建筑。

2張拉膜結(jié)構(gòu)的基本力學性能與分析方法
膜材料本身在自然狀態(tài)下只能承受拉力,并不具備剛度。張拉膜結(jié)構(gòu)張拉后形成一個相對穩(wěn)定的曲面形態(tài),在理論上,這一形態(tài)只與結(jié)構(gòu)的膜邊界條件以及預(yù)張力有關(guān),在結(jié)構(gòu)上稱之為膜的初始形態(tài)。因此,外荷載使膜發(fā)生變形后,膜內(nèi)張力始終是趨向于使膜形態(tài)回到張拉完成后的初始形態(tài)。進行找形分析目的,是通過調(diào)整結(jié)構(gòu)膜面邊界和初始預(yù)張力,來獲得一個可以滿足建筑師的造型功能要求、也能滿足結(jié)構(gòu)穩(wěn)定可靠工作的膜面形狀,使結(jié)構(gòu)獲得較大的剛度,并使膜面的應(yīng)力分布更加均勻。

為了使張拉膜結(jié)構(gòu)處于一個穩(wěn)定的工作狀態(tài),必須使膜面為負高斯曲率曲面,包括馬鞍形雙曲拋物面和類錐形雙曲面。天津津騰實驗設(shè)備有限公司發(fā)現(xiàn)這類曲面的共同特點是,在膜面內(nèi)存在相互正交的兩個法平面,法平面內(nèi)的膜面切線是彎曲方向相反的兩條曲線纖維單元。膜面在不同方向的荷載作用時,各個方向荷載會有相互獨立的傳力路徑。例如向下作用的恒荷載和向上作用的風荷載,分別由下垂的纖維單元和上拱的纖維單元來承載。

這一特性保證了膜面能夠承受不同方向的荷載,也不會因為外荷載反向而松弛。值得注意的是,相比混凝土與鋼材等常規(guī)建筑材料,膜材的彈性模量較小而具有較強的變形能力,膜承受外荷載進一步變形后,膜內(nèi)力增大、膜內(nèi)力角度變化,從而達到受力平衡狀態(tài),膜的變形與張拉膜結(jié)構(gòu)的剛度有一定的相關(guān)關(guān)系。因此,進行膜結(jié)構(gòu)計算分析時,必須采用大變形非線性的分析方法。

3.結(jié)語
本文對一個PTFE張拉膜雨棚工程實例進行設(shè)計,介紹了膜材選擇、膜材邊界設(shè)計、降溫法輸入預(yù)張力、初始態(tài)找形分析、施加荷載、非線性計算分析等設(shè)計過程。從計算結(jié)果看,膜面形態(tài)呈馬鞍形雙曲拋物面,膜面初始態(tài)應(yīng)力分布均勻,在荷載作用下應(yīng)力水平、變形和排水能力均滿足規(guī)范要求。本文對于有相似特征的膜結(jié)構(gòu)雨棚的工程設(shè)計有一定的參考意義。


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