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      充氣膜結構發展與研究現狀的探討

      發布時間:2019年10月16日 點擊數:2071

      膜結構是一種代表當今建筑技術和材料科學發展水平的新型結構,是現代空間結構體系的一個重要分支。膜結構外觀造型新穎,滿足現代人的審美觀念,成為現代建筑結構的新風格[1,2,3]。同時膜結構具有充分利用陽光、空氣以及與自然融合的特性,尤其近年隨著空氣質量日益惡化及人們健康觀念的提升,可隔絕霧霾等污染、智能凈化空氣的充氣膜結構符合目前提倡的“可持續發展”重大戰略,也為高科技生態建筑的發展提供了廣闊的空間,因此受到世界各地綠色建筑倡導者們的青睞。膜結構在世界范圍內迅猛發展,主要應用于體育建筑、商場、展覽中心、交通服務設施等大跨建筑中。

      充氣膜結構的概述

      1.1 充氣膜結構的分類與特點

      現代膜結構一般可分為充氣膜、張拉膜、骨架式膜及索穹頂膜結構等結構體系[1,4],其中充氣膜結構是膜結構最初發展過程中的主要形式。充氣膜結構利用帆船原理[3],由膜內的空氣壓力支撐膜面,具有穩定的形狀和一定的剛度,同時可以抵抗外力的作用。根據力學性質,可分為氣承式和氣囊式膜結構。氣承式膜結構是固定膜面周圍邊緣,對膜建筑內加壓使膜面鼓起至設計空間曲面,保持內外壓差使膜面受壓以確保剛度,從而維持形態并抵抗荷載[5]。氣囊式膜結構則是充氣于特定形狀的氣囊內,使之成為具有一定剛度的結構或構件,并由此來承受荷載。

      充氣膜結構建筑不僅可以滿足傳統建筑的功能要求,還具有跨度大、造型奇特和自潔性強等特點[6]。同時,膜結構建筑造價合理,其造價僅為傳統建筑造價的一半左右。同時,與傳統建筑結構相比,其施工周期可縮短一半,且施工期內其他工程的施工不受影響。

      1.2 膜材料概述

      國內外目前應用的建筑膜材料主要包括涂層織物類膜材和熱塑化合物類膜材兩大類?椢镱惸げ氖悄そY構工程中應用最廣泛的膜材,在紡織學里也稱為涂層織物[7],其由基布纖維、涂層、面層等構成(圖1)。早期基布的原料通常采用棉、麻等天然纖維,而新型的涂層織物材料則采用滌綸和玻璃纖維,通過機織、針織等編織方式加工成基材,基質則采用聚氯乙烯(PVC)、聚四氟乙烯(PTFE)、天然橡膠等材料[8],最后通過涂層、壓延等加工方式制得。內部織物決定了膜材的主要力學性能[9],涂層和面層具有粘結增強和傳遞應力的作用,同時決定膜材的物理特性[10,11,12,13]。

      圖1 涂層織物類膜材的結構示意

      涂層織物類膜材的結構示意   下載原圖

      充氣膜結構的發展

      2.1 國外充氣膜結構的發展

      20世紀初現代充氣膜結構逐漸開始發展。1917年,英國人W.Lanchester申請了通過鼓風機吹氣支撐膜材而建立野外醫院的專利,但由于當時技術和設備的限制并沒有實現[14]。

      1970年日本萬國博覽會上,膜結構被系統地推向世界。博覽會上橢圓形的美國館(見圖2a)采用PVC涂層的玻璃纖維織物,無柱大廳的屋面由32根沿對角線交叉布置的鋼索和膜材所覆蓋,它是世界上第一個大跨度低輪廓的氣承式膜結構。另一個具有代表性的建筑是富士館(見圖2b),該館是香腸充氣型氣肋式膜結構,它也是迄今為止建成的最大的氣肋式充氣膜結構。

      在2000年以前,單純氣囊膜在大跨建筑體系較少應用,其主要應用于飛艇技術[15]。EXPO’2002瑞士在蘇黎世建造了名為藝術沙灘(Arteplage)的展館(見圖2c),3個直徑100m圓形蝶狀的氣囊膜,是迄今最大的一組氣囊膜建筑。另外瑞士自行車競技場(見圖2d),屋面為橢圓形氣囊膜,平面為90.8m×66.83m,整體形似自行車轱轆[16]。

      圖2 國外充氣膜結構建筑

      國外充氣膜結構建筑   下載原圖

      2.2 國內充氣膜結構的發展

      同國外相比我國的膜結構發展起步比較晚,存在相當大的差距。1997年,上海體育場(圖3a)的建成標志著我國的現代膜結構發展進入應用階段[17]。目前膜結構在我國已經引起了普遍的重視,具有廣泛的應用前景。2008年北京奧運會游泳場館“水立方”(圖3b)充分展現了膜結構的獨特優勢,建筑整體由3 000多個氣枕組成,采用環保節能的ETFE膜材料,“水立方”是世界上最大的膜結構工程。天津于家堡高鐵站(圖3c)采用三層ETFE膜材制成的氣枕,氣枕總數783個,外層、中層采用深銀印點膜材,內層采用全透明膜材。該項目還采用獨特的熔斷技術,能在火災發生時熔化氣枕以保證及時排煙。廣州火車南站(圖3d)建筑總面積達5.6×105m2,屋蓋投影面積為2.1×105m2,其中屋面ETFE膜結構面積達2.45×104m2,分1 187個單元,是亞洲最大的火車站。

      圖3 國內充氣膜結構建筑

      國內充氣膜結構建筑   下載原圖

      2.3 充氣膜結構的發展趨勢

      隨著國內霧霾天氣頻繁發生和人們健康觀念的提升,國家及相關部門不斷加大環境治理和保護的力度,在防止霧霾天氣影響正常生產生活方面做出了一些努力。比如,2008年竣工的中共中央黨校氣膜網球館(圖4a)是我國第一個自然采光的氣膜網館,該網球場采用二次反光照明系統,運動時完全看不到光源,環境舒適不會晃眼,氣膜的頂部配合使用透光膜(透光率25%),達到日間充分利用自然光的效果。2008年建成的深圳大生網羽館(圖4b)采用微風送風系統,室內超靜氣流,恒溫恒濕運動環境舒適。由于采用了智能化節能的機電設備,從而在得到良好舒適度的同時也節約了大量能源耗費和運營成本。2016年河北石家莊某小學成功建設一氣膜體育館(圖4c)在,其占地面積1 000m2,可容納上百人,保障了學生在霧霾天氣也可正常上課,這是充氣膜結構建筑的又一重要應用。

      圖4 國內氣膜體育館

      國內氣膜體育館   下載原圖

      充氣膜結構的研究現狀

      3.1 膜材拉伸力學性能研究

      國內外在建筑膜結構領域的研究較廣泛,并取得了許多科研成果,特別是在膜材單雙軸拉伸試驗力學性質的研究較為全面。

      2002年,衛東等[18]對PES/PVC膜材進行了單軸拉伸試驗,并求解了膜材在經緯向和45°方向的彈性參數和剪切模量。同時把試驗結果與國外的雙軸試驗結果進行了對比,單軸試驗下的彈性參數小10%。2004年,Kumazawa等[19]分別對條形試樣和十字形試件進行了單軸和雙軸拉伸試驗,獲得織物膜材的單雙軸受力下的基本性能。顯微鏡觀察和單紗拉伸試驗結果表明,織物表面的涂層加熱后,緯紗的強度降低,致了經紗和緯紗方向的強度差異。2005年,易洪雷等[20]對膜材進行了7個偏軸方向上的拉伸試驗,證明了3次加載后的材料性質更穩定,可以用來求解材料的彈性參數,且測得的參數復合正交各向異性的本構關系。同時,證明了Tsai-Hill強度準則不適合預測拉剪混合破壞模式下膜材的抗拉強度。2007年,李陽[21]研究了建筑膜材料抗拉強度、撕裂強度和徐變等力學性能,并闡述了膜材的物理性能,并獲得了膜材的彈性模量和剪切剛度等力學參數。羅仁安等[22]對PVC膜材進行雙軸拉伸循環試驗,研究了膜材在雙軸受力狀態下應力-應變、滯回曲線和殘余應變的變化規律。同時,提出了廣義泊松比的定義,并對其非線性進行了驗證。2008年,陳守輝[23]對膜材料進行了單軸、雙軸和多軸拉伸試驗,并研究了膜材的力學性能在不同試驗狀態下的差異;提出了建筑膜材在雙軸拉伸作用下彈性模量的計算方法,并驗證了其適用性。2009年,Bridgens B[24]提出不能用單軸拉伸的數據來分析雙軸拉伸的彈性參數,這是因為經緯向紗線之間存在摩擦力,同時緯向紗線在拉伸中存在屈曲。2011年,羅斌等[25]對PVDF膜材進行了單軸和雙軸拉伸試驗研究,對應力應變關系進行了分析;計算了單軸和雙軸的彈性模量,并進行了對比。同時,對試驗膜材的彈性常數給出了建議數值。2014年,Dinh T等[26]基于單雙軸拉伸試驗數據,提出了一種新的涂層織物彈塑性模型,該模型能夠反映材料的非線性和正交異性,同時對PVC涂層織物材料進行試驗,驗證了模型的準確性。2015年,倪靜等[27]進行了PES/PVDF膜材7種應力比的雙軸拉伸試驗,根據應力-應變關系,提出兩階段雙模量模型。

      3.2 膜材剪切力學性能研究

      膜材料在實際結構中往往處于多樣性的雙向應力狀態下,而膜材為正交異性材料,具有復雜的微細觀復合結構,材料的剪切性能對結構穩定性的研究有重大意義。為了研究材料的剪切性能,需要精確估計材料的剪切剛度。然而,到目前為止,對膜材剪切響應的研究還較少。

      2004年,Blum等[28]在歐洲膜結構結構規范中提出,在45度偏角的十字形試樣上施加雙軸載荷方法,通過測量3個方向應變計算張量剪應變。2008年,Launay J等[29]提出了一種測量圖框法測張力的實驗裝置。研究表明,初始張力改變了剪切響應,特別對剪切曲線的第一部分影響較大。在圖框法試驗期間,當張力減至零時,剪切力明顯減小。Bner等[30]對膜材進行了雙軸剪切試驗,選取為偏軸角度為45°的十字形試件進行試驗,得到了材料在不同應力比狀態下的剪應力-應變曲線。2010年,Galliot等[31,32]提出了一種新的剪切梯度法來測量剪切性能,并通過試驗驗證了其加載方案的準確性。2012年,Harrison P等[33]用有限元對織物材料在大剪切變形下的行為進行了模擬,對織物材料的平面內張力與剪切剛度和褶皺之間的耦合關系進行了預測。并提出了雙軸下偏軸試樣拉伸試驗,研究表明這是一種研究拉剪耦合和織物褶皺的新方法。2015年,王利鋼等[34,35]對F1302膜材進行了正負剪應力循環加載的雙軸剪切試驗,得到了膜材的剪應力-應變曲線和剪切模量。2016年,陳務軍等[36]對建筑織物膜材進行雙軸剪切試驗,對比分析了兩種膜材在不同循環下塑性剪切變形的差異。

      3.3 膜材撕裂力學性能研究

      對于建筑膜結構,不可避免的偶然刺破、風力拉扯、材料的固有損傷和拼接焊縫等因素,都引起膜結構的撕裂損傷破壞。因此對膜材的撕裂強度進行分析,對膜結構的安全性設計具有重要意義。目前,國內外對于膜材撕裂性能的測試主要有中心撕裂、單舌撕裂和梯形撕裂。

      1967年,Minami[37]對非涂層和涂層織物膜材料進行了中心撕裂試驗,并推導了膜材撕裂的應變能釋放率公式,同時對膜材的撕裂強度進行了預測和分析。1975年, Ko[38]對織物膜材進行了中心撕裂試驗,并對比了Hedgepeth[39,40]的線性離散化分析方法,發現線性離散化模型和試驗結果存在差異,但經過“圖像平移”后的Hedgepeth的線性離散化分析結果與試驗結果較接近。1978年,Timothy[41]對PVC涂層織物材料進行了單向撕裂試驗,并分析了撕裂失效強度和切縫長度之間關系。同時,對于織物類膜材撕裂分析不可以直接應用傳統的斷裂力學。1992年,儲才元等[42]對梯形撕裂和單縫撕裂的撕裂破壞機理進行了分析,得到了兩種撕破強力的理論表達式,并試驗測定了16種不同織物材料的撕裂強力和抗拉強度。通過試驗的對比分析和理論的計算,結果表明理論預測和試驗結果較一致。2003年,Bigaud D等[44]研究了單軸和雙軸拉伸下復合材料的中心撕裂性能,獲得兩種斷裂模式的影響因素以及裂縫方向與撕裂性能之間的關系。2005年,葛振余等[44]研究了紗線性能和織物結構指標等因素與單縫法撕裂強力間的關系。分析計算表明,影響單縫法經向撕裂強力的主要因素是經紗強力,其次是經紗從涂層織物抽出時的抽出阻力、緯密和經密,而經紗斷裂伸長率和其他因素的影響則較小。2009年,羅以喜等[45,46]對雙軸經編膜材進行了中心撕裂性能試驗研究,特別對不同初始裂縫長度及角度的撕裂進行了觀察及分析。研究表明撕裂強力與應變主要依賴于初始裂縫長度及角度。2016年,陳建穩等[47]對膜材Uretek3216LV中心切縫撕裂破壞強度進行分析,基于Hedgepeth細化模型,應用Griffith能量理論,針對傾斜切縫模型推導了蒙皮材料抗撕裂強度公式。

      3.4 有限元模擬分析研究

      由于試驗材料、器械及方法等因素的限制,很難全面的把握材料的力學性能。為深入探討膜材變形和撕裂損傷發展的過程,基于織物微觀結構模型,從細觀層面上研究膜材的力學響應是由必要的。目前,國內外已有許多學者采用有限元的方法對膜材的力學性能進行了研究。

      1994年,Galliot C等[48]使用有限元手段分析研究了PVC涂層聚酯織物雙軸拉伸性能,對其非線性的性能通過一種簡單的模型加以解釋,得到了較滿意的結果。1999年,Luo[49]采用能量分析法和Lagrangian Strains 理論對涂層織物材料的本構關系進行了推導。同時,進行了雙軸拉伸試驗對理論預測公式進行了驗證。2009年,Mallikarachchi[50]建立單胞模型對復合材料的力學性能進行了分析,同時研究了不同鋪層角度對材料力學性能的影響。2011年,王平等[51]從實驗和有限元分析兩個方面對織物的撕裂損傷進行了研究。對兩種平紋和兩種斜紋織物的撕裂性能進行了測試,得到了撕裂載荷-位移曲線和撕裂損傷照片;诳椢镂⒂^結構模型,采用有限元分析方法對織物的撕裂損傷進行了分析,并與實驗結果進行了比較。通過有限元分析直觀地顯示了撕裂三角區的應力分布,并探討了織物結構、織物密度等因素對織物撕裂強度的影響。2014年,Misra等[52]采用TexGen的建模方式建立了織物復合材料在平面剪切載荷作用下的模型,利用有限元模擬軟件ABAQUS對具有非線性的橫觀各向同性材料進行了數值模擬,得到了剪切應力與剪切角的關系,同時發現由于紗線的壓縮,大部分能量在較高的剪切角下消散。2017年,Erol等[53]用顯式有限元程序建立了織物宏觀非正交本構材料模型。通過對兩種不同平紋Kevlar織物的進行單軸拉伸和30°偏軸拉伸試驗驗證了材料模型的正確性,結果表明所建立的模型能夠在不同的加載條件下對織物進行力學響應。

      充氣膜結構未來研究方向

      膜材是膜結構的主體材料,起著承擔外載或內壓的關鍵作用,膜材與膜結構二者相輔相成共同發展。膜材料的性能是進行結構設計時需要考慮的重要指標,因此,對膜材料的性能進行研究對于膜結構的精確設計與安全性評估具有重要意義。

      ①對膜材料物理特性的研究還有待進一步深入,如耐久、耐火、隔熱、透光、自潔等方面的研究還需要不斷完善。②膜結構在實際結構中往往處于復雜的應力狀態下,膜面往往處于拉剪耦合的作用之下。因此有必要對膜材在拉伸與剪切共同作用下的力學響應進行深入的研究。③在膜結構使用過程中,撕裂破壞是結構失效破壞的基本形式之一,含有損傷的膜材料的撕裂性能是研究的熱點問題。中心撕裂在展現膜材料的撕裂行為方面優于梯形或舌形等方式,可有效測試膜材料的撕裂性能,因此有必要對膜膜材的中心撕裂損傷性能進行深入研究。④有限元作為一個計算工具,不僅計算精度高,而且能適應各種復雜形狀,因而是一種有效的工程分析手段。有限元在一定程度上可以替代部分試驗,實現參數的系統分析。因此通過有限元模擬來研究膜材料的力學性能具有工程實用價值。

      結束語

      充氣膜結構的發展與研究是一項龐大的系統工程。雖然充氣膜結構在我國的發展起步較晚,但目前已經取得了一定的研究進展。筆者基于國內外的前沿研究成果,對充氣膜結構發展和研究過程中的熱點問題進行了概述,旨在總結和交流。希望在不久的將來,充氣膜結構能夠得到更廣泛的應用,相關研究進一步完善。

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