薄膜结构讲义.ppt
大跨空间结构之,5.薄膜结构(上)Membrane Structures,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,5/72,不同材料特性比较Comparison of Material Properties,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,9/72,1.古老的膜结构,5.1.2 薄膜结构的发展,Nomad shelters in Iran,10/72,18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,11/72,1918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。,13/72,20世纪50年代,Walter Bird推动了早期充气膜结构的发展，并用于商业中。,Walter Bird atop a Birdair radome（15m）,14/72,20世纪50年代,德国建筑师 Frei Otto 在张拉膜结构领域进行了开创性工作。,联邦花园帐篷Dance Pavilion,Federal Garden Exhibition,1957,15/72,蒙特利尔博览会德国馆 German Pavilion at the Montreal EXPO67,16/72,二十世纪中期，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。,17/72,3.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，14083m,18/72,1970大阪博览会富士馆 The Fuji Exhibition Hall at Osaka Expo70,19/72,20/72,1.Silver Dome，Pontiac,1975 220 x168m 2.Metro Dome,Minneapolis,1982 215x180m 3.B.C.Place Stadium,Canada,1983 232x190m,上世纪7080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，1982，420000m2,22/72,汉城奥运会体操馆和击剑馆Olympic Gymnastics Arena&Fencing Arena,Seoul,1986,体操馆，D=120m,击剑馆，D=93m,上世纪80年代，美国工程师Geiger(19351989)基于 Fuller的“张拉整体”概念，提出一种新型“lighter than air”体系“索穹顶”（cable dome）,23/72,佐治亚穹顶 Georgia Dome,Atlanta,Georgia,1992,1996年第26届亚特兰大奥运会主场馆。椭圆形平面240m192m，是世界上最大的索膜结构。,24/72,千年穹顶Millennium Dome,Greenwich,UK,1999,Architects:Richard Rogers ParthnershipStructural Engineers：Buro Hoppold,Span:320m,Height:50m,25/72,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 OSAKA,2002韩日世界杯新建球场,26/72,4.膜结构在我国的应用,1 0.33,5 1.02,12 5.08,21 4.8,26 5.64,26 8.59,40 11.7,27/72,北京房山游泳馆 Beijing Fangshan Swimming Stadium,1996,28/72,天津保税区区标 Tianjin Tax District,Tianjin,29/72,长沙世界之窗剧场A Theater in Changsha，1997,30/72,上海八万人体育场 The Shanghai Stadium,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 A Game Center in Shenzhen，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Shanghai Ferry Terminal Roof，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 The Art Square at Expo99,34/72,杭州健身中心 Hangzhou Sport Center,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Weihai Stadium，2001,36/72,直径310m,佛山世纪莲体育中心体育场，2006,37/72,843米,103米,膜总展开面积：64000,索总长度：21000m,2010上海世博会世博轴膜结构,38/72,39/72,40/72,5.1.3 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,42/72,3.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,43/72,4.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（1015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 Student Center(University of La Verne)，California,USA,1973,52/72,膜材的基本性能,力学性能：Mechanical properties 耐久性：Durability自洁性：Self-Cleaning Property透光性：Translucent防水性：Water-Resistancy耐火性：Fire-Resistancy工艺性要求：Technical Properties,53/72,1.力学性能 Mechanical Properties,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 1/3 ESteel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。,57/72,经向试件,纬向试件,58/72,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,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,Tongue tear test,Trapezoidal tear test,Mono-axial slit tear test,61/72,62/72,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,63/72,2.光学性能 Optic Properties,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%,64/72,Day and night,The interior of Hajj Terminal illuminated by the natural daylight,Artificial light goes through the membrane to dramatize its wonderful sculptural shape,65/72,3.自洁性 Self-Cleaning Properties,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)于上世纪70年代初在美国开始研究。目前仅日本、美国、德国等国少数几个公司可生产。是替代玻璃和其他高分子采光板的理想材料。,67/72,ETFE 膜材的性能,厚度：0.05mm-0.25mm；密度：质量约150350g/m2，是玻璃的1%；颜色：透明、白色，可印制成各种颜色的图案；透光率：单层透明膜材的透光率高达95%，防火性能：为阻燃材料，熔融温度达200；耐久性：使用年限达25年以上；抗拉强度：大于40Mpa；破断伸长率：达300%以上。,68/72,ETFE 膜材的应用形式,单层张拉式双层或多层气垫式,69/72,控制系统及充气设备,ETFE 气垫内的气压需要不间断地监控、调节充气压力在200750Pa之间。,充气连接管 充气阀门,70/72,英国伊甸园（Eden Project）,建于2001年，是全球最大的温室植物园。由座测地线穹顶组成，最大跨度100m，高度约50m。穹顶表面呈蜂窝状，六边形网格尺寸为9m到11m。采用3层ETFE气枕，每个气枕高2米。,71/72,72/72,德国慕尼黑的Allianz Arena,2005年建成悬挑长度约50m3层ETFE膜材覆盖2816个扁菱形气垫气垫边长为48m，跨度24.25m每个气垫可抵抗1.6m高的雪荷载。,73/72,To Be Continue,
