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ETFE充气膜

  ETFE膜建筑是一类新型的膜建筑结构体系,其设计方法与普通膜结构有着较大区别。先介绍ETFE薄膜的物理力学基本特性,ETFE充气膜系统构成;给出了ETFE充气膜基本设计过程,重点阐述了其设计分析过程与普通膜的区别,及其充气找形、载荷分析、裁剪分析的特点;根据试验资料,给出了ETFE薄膜材料参数(弹性模量、剪切模量、泊松比、屈服强度、设计强度)及设计确定方法;详细给出了充气系统设计和压力控制设计方法,主要工作状态(正常状态、异常状态如超压态、积雪态、强风态)的控制设计逻辑,以及管道设计、风机选型、传感器元件(压力传感器、风速风向计、温度计)、控制系统的注意事项等。


ETFE充气膜


  以ETFE 薄膜为代表的氟树脂薄膜因其出色的透明性、耐候性和环境适应能力等特性,于近几年在国内开始了工程应用。随着2008 年奥运会主体育场和国家游泳中心对ETFE 膜的应用之后,工程项目逐年增多。因此对于常规的ETFE充气膜结构的设计方法研究有着重要意义。但目前ETFE 充气膜结构工程的一些设计、制作、安装方法掌握在少数几家膜结构工程公司手中。国内外很少有公开发表的文献。作为一种新型的建筑结构形式,各个公司的ETFE 充气膜结构工程设计方法也不能认为已经达到十分成熟,都需要通过实际工程以及各种试验来加以完善。

  本公司主要利用近几年参与的ETFE 实际工程设计积累的经验,结合国内外的一些资料,对常规ETFE充气膜结构的一般设计方法进行了研究。

  1 ETFE 薄膜特性及充气系统构成

  ETFE薄膜是由乙烯-四氟乙烯共聚物占95%以上的树脂形成的薄膜,是透明建筑结构中品质优越的替代材料。对于减少紫外线的透射率、防止结露、图案设计(着色、粘贴图案)、赋予遮光性能等不同要求,还可通过加入添加剂、涂刷表面改良剂和印刷等方法予以解决。下文表 1 和表 2 分别列出了ETFE 氟树脂的代表特性和ETFE膜材的技术参数。

  ETFE 膜厚度通常为 12?m~250?m 之间。以旭硝子公司的产品为例,用于民用建筑的 NJ 型透明膜,厚度分为 100,150,200,250?m 几种。从目前技术工艺,最厚尺寸可达300?m。NJ 型膜材常规供货宽度为 1600mm。膜材一般按70 公斤/卷或140公斤/卷进行制作。以200?m 厚ETFE 膜材为例每卷供货长度为 125m 或 250m。但如果是250?m厚ETFE膜材,每卷供货长度为 100m或200m。

  ETFE 充气膜结构的加压设备主要由动力源、送风机、通风管道和压力调整装置构成。根据运行、用途和规模,还需配备控制干瘪现象发生的内压自动控制装置或逆流防止阀、备用送风机和备用动力源等设备。除了平常内压,在积雪时和暴风时,在运行过程中应调整其内压。因此除了压力调整装置structure以外,还需配备内压计、风速计等检测设备,以及配套空气除湿设备和自动控制设备。在气枕式板块中,通过加压设备提供稳定内压,用于控制外力产生的变形和防止兜水现象的发生。下图 1 为ETFE充气膜结构系统的基本构成。

  2 ETFE充气膜结构的设计方法及基本过程

  ETFE 充气膜的结构设计方法与一般的玻璃纤维、聚酯纤维单层膜结构有所不同,它的设计过程

  不仅包括找形设计,荷载响应分析,裁剪设计等几个主要部分,还增加了充气系统设计这一部分。

  ETFE 气枕形态为正高斯曲率双曲面,是靠膜面内外的气体形成的压力差成形、施加预张力和保持稳定。膜面内力与其曲率成比例,曲率半径越大,内力越大。膜结构的找形设计方法目前主要采用计算机模拟技术,有力密度法、动力松弛法、小模量几何非线性方法等。可以从相关的文献到详细的方法和过程,在此不再赘述。

  ETFE气枕的初始预张力一般取0.4~1KN/M,不应超过1KN/M,避免初始预张力过大。内压一般 2T (a b )取200Pa~300Pa,跨距3m 以内的气枕取低值,3m以上取高值。

  对于圆形平面

  在方案设计时,可以采用以下方法 进行快速确定预张力水平及其内压水平的关系和取值范围。

  采用等张力设计时,假设气枕式ETFE 膜结构在气压P 作用下,薄膜单位长度所受的拉力为T, c气枕式膜结构的边界条件,周边的Z=0。由弹性力学导得的薄膜微分方程可以推导出以下方程。

  2.2 荷载分析

  ETFE 充气膜结构的设计荷载取值除了需要遵循《建筑结构荷载规范》、《膜结构技术规程》的要求外,还应根据建筑环境、造型、使用功能等仔细分析确定。

  需要说明的是,与一般的膜结构设计一样ETFE 膜结构设计实际为非统一可靠度设计方法。根据目前膜材的情况,其使用年限是小于50 年的,一般来说25 年左右就需要更换膜材。但在荷载分析时,膜材荷载设计取值应与主体结构取值一致。

  2.2.1. 荷载类型与荷载组合

  荷载包括风荷载、雪荷载、预张力、自重、活荷载、施工荷载等,其中风、雪荷载、预张力一般为膜结构工程设计中的控制荷载。

  在进行膜结构计算分析时,应按下面表3 所列的两种组合类别进行荷载效应分析。

  2.2.2. ETFE材料参数及强度的确定

  通过ETFE 薄膜的单轴拉伸试验数据和相关文献 ,得出的应力-应变关系可知,从张拉初期到材料断裂,曲线都有两个明显的屈服点。图2 为ETFE膜材应力应变曲线图,可取两段切线的交点处的应力作为容许应力法设计时的拉伸屈服应力。

  根据深圳奥克金鼎膜结构有限公司提供的大量单轴拉伸试验数据,结合国内外公开发表的文献。对容许应力设计法和极限状态设计法下的ETFE 膜材弹性模量、剪切模量和泊松比的取值可如表 4。同样的对于ETFE 薄膜的最大设计应力,亦可通过试验数据得到[9] [10] [11]在不同的设计方法下的参数,如图3,最大设计抗拉强度取值如表5。

  2.3.1. 充气控制系统

  因为一台送风机要控制多个气枕,所以气枕内压的控制只能是通过开启或关闭靠近送风机排气端的阀门来控制,而不是通过改变送风量。气枕的内压由三个参数来决定,它们分别是常时的内压,强风时内压,积雪时内压。由于气枕式有很高的气密性,气枕内部的空气在受到阳光照射时会膨胀,导致内压的升高。因此气枕还需要一个排气阀来避免压力的异常上升。下面就具体说说运行的方法。图4 是控制系统的基本工作流程图。

  1) 常时状态下的内压控制

  内压控制监测与设计内压有关。根据实际的工程经验,一般取设计内压A(Pa)的+10%作为上下限。当气压低于设计内压的10% (下限)时,送风机开始启动并送风。当气枕内压回复到设计荷载时,送风机停机。

  2) 内压异常时的控制

  当阳光暴晒导致气枕内压超过设计内压的20%时,排气阀门就会打开,用来将内压降至设计内压。但是需要注意的是,阵风吹袭也会造成内压的突然上升,为了避免这一点。必须想办法让充气系统能识别这种异常情况。所以要采用延时装置,当异常情况持续一段时间(大约10秒左右),充气系统才会开始工作。

  3)强风时的内压控制

  当风速计测得的风速信号超出设定值,系统将会发出强风信号并启动强风控制系统。这里测得的风速是瞬时风压。强风时的内压控制工作逻辑与常温下的内压控制相同。

  当气枕受到风压作用时,气枕的体积会减少,内压会开始上升,上涨的内压强度会维持一段时间。与此同时,气枕的空气体积会因气体渗漏有所减少。

  当风荷载作用结束后,再补充气体回到常规状态。

  当气枕受到风吸作用时,体积会增加而内压减小。当内压的减小达到下限时(设计内压的-10%),送风机就会给气枕充气,直到内压回复到设计值。

  当控制系统在持续一定的时间(超过30 分钟)没有收到新的强风信号时,即可关闭强风时的工作状态。但若是接收到新的信号,系统会再次重启工作保证结构的安全。

  4)积雪时的内压控制

  当测雪计监测到积雪达到一定程度时,就会发出信号,启动积雪时的工作状态。

  当气枕受到雪荷载作用时,体积会减小同时内压上升。要注意的是,当积雪荷载超出设计荷载,气枕内压会异常上升。此时若打开排气阀,很可能因为排气降压导致气枕塌陷。为避免这种情况,程序在积雪控制工作状态时不对内压上升进行响应。

  2.3.2. 充气管道的配管设计

  充气管道配管设计包括线路布置和材料选择两部分。线路布置应尽可能使用直线。材料上应优选压力损失最小的材料。配管设计应综合考虑安全性、易维护性、经济性这几个指标。配管设计分为并联配管和串联配管两种基本形式,两者可以复合使用。

  串联配管与并联配管相比,管件用量少。但气枕的内压与其在体系中的位置有关系,例如气枕离主管的远近。并联配管可以保证气枕之间的内压的平衡和相互独立性。但是并联配管必须给每个气枕配置内压监测仪和阀门,这对成本有着极大的影响。

  在选择配管是串联还是并联的时候,需要考虑到有气枕损坏或者凹陷的可能。如果采用串联配管,当其中一个气枕损坏,那所有与其相连的气枕均会凹陷,因为其余气枕的空气会从这个损坏的气枕泄漏出去。若采用并联配管损失就会小得多了,只需要将配置在这个气枕上的阀门关闭就可以了。但随着气枕数目的增加,并联配管的成本会不断上升。所以无论采用哪种配管方式,都需要考虑和制定一个周密的计划,将气枕损坏造成的损失降低到最小。一般采用一个阀门来对多个气枕进行压力控制的时候,气枕数目不宜超过5 个且气枕总的面积不超过150平米。一定体积的空气在导管中流动时就会产生压力损失。压力损失的大小取决于充气管的属性,例如长度、表面粗糙度、弯头形式和数量、充气管横截面的变化程度,以及空气在管中的流速。

  送风机在控制系统成本组成中占有较大的比重,对整个结构的建设成本和维护成本都有较大的影响。送风机的选择,需要根据压力损失和必要送风量两个指标来选择。

  目前市面可以选择的送风机,主要有离心式风机、涡轮风机、多级风机等等。在选择送风机时, 要关注风机的机外静压这一指标,这是决定风机送风能力的一个关键指标,数值远大,送风能力越佳。

  每一个ETFE 气枕外周都是通过热合焊接,将两张或多张ETFE 膜片复合在一起的,所以气密性很好,气体的渗漏很少。在设计时,可以取泄漏量为0.15m /h/m (展开面积)进行计算(根据上海太阳膜结构有限公司进行的一次六边形气枕泄漏量试验,泄漏量测定一般在0.05m /h/m 左右)。算例:计算5 个气枕的气体泄漏量,每个气枕50m2 (水平投影面积)×2 (表+里)×0.15×5 (气枕数)=75m /h=1.25m /min

  2.3.4. 导管和配件的选择

  送风导管应该选择在工作压力时变形小、气体泄漏量少的导管。还应根据运行荷载、外荷载、环境来选择合适的形状和材质。ETFE 气枕在受到风荷载作用或充气时都会发生一定的位移,所以在靠近气枕一端应选择能够跟随膜面位移的软导管。

  除导管之外的配件,还有电动阀门、排风口、送风口等等。阀门可以选择能自动运作的电动阀或电磁阀。为防止电力中断,电动阀门最好有弹簧复位功能,当电力中断时能自动关闭阀门。

  2.3.5. 压力调整装置

  压力调整装置包括风速计、积雪计、微差压传感器(用于监测气枕内压变化)以及控制台(用于除此之外,还可以通过以下的措施来保障整个操控电动阀门的开关)。

  风速计应该安放在能够确保正确探测到风速的位置。对于规模较大、建筑立面复杂的结构或者其他特殊场合,需要设置多个风速计。积雪计的设置要求同风速计(如果假定积雪会长期残留在气枕上时,则需要给程序设定一个区间值,让控制程序能自行判断是否需要降低气枕内压)。

  连接气枕与微差压传感器的压力导管要尽可能的短。若用一个微差压传感器来监测多个气枕的压,传导到传感器的压力值实际为这些气枕的平均内压,此时连接这些气枕的导管总长不应超过50m。

  为了保证整个系统的稳定性,要配置两组相同规格的送风机,其中一组备用。两组设备间隔使用能延长设备的使用寿命。

  2.3.6. 备用设备及保障对

  从运行角度考虑,如果发生停电时,最好能有一套紧急发电装置保持系统工作。这样初期投入成本会较高,因此应根据功能性和必要性来综合考虑。除此之外,还可以通过以下的措施来保障整个结构的安全和使用功能:

  1) 内压的降低会导致气枕凹陷和积水,在设计阶段的时候,对气枕上层膜坡度应控制在至少5以上,最好是10 以上。

  2) 在送风机出气口处设置一个止回阀,这样至少能保证在充气过程中发生突然停电,导致电动阀门无法关闭,这时止回阀能够防止气体回流,防止气枕内压的快速下降。

  3) 设置两组或多组送风机,当一组送风机无法工作时,其他的机组可以替代。

  对具体工程还可结合建筑物的形状、坡度来具体制定更多的保障性措施。

  2.3.7. 其他注意事项

  在ETFE 充气膜结构的使用过程中,还应考虑防结露,防尘,防浸等措施。相应的对策分述如下。

  1) 内部结露:在多雾或者平均相对湿度大于75%以上的地区,会在ETFE气枕内部产生结露现象。应该在送风机进气口处连接一台除湿机,来保证充入气枕的气体是干燥的。推荐采用处理风量大的干式除湿机。外部空气的湿度由湿度计进行监测,大于设定值就启动除湿机。

  2) 防尘措施:在送风机进气口设置过滤器可以有效防止灰尘或者外部异物进入。

  3) 防浸措施:对于需要考虑某些情况导致水流渗入的气枕,可以在下层膜底部根据需要设置一个易于操作的排水旋塞。

  2.4 裁剪分析

  裁剪分析就是将在一定预张力及内压作用下的空间曲面,在平面上展开,再进行拼接的过程。当膜面为不可展曲面时,需要采用特定算法和准则展开为近似平面。

  裁剪设计主要分为确定裁剪模型,选择裁剪方法,膜裁切线布置,确认膜面的应变补偿值,裁剪作业,裁剪片排版等几个步骤。

  由于计算机模型是用三角网格来模拟光滑的膜一般而言至少应为88,同时网格边长应小于250mm。

  一般常用的裁剪方法为测地线法、切面法[1] [35]。

  测地线法为曲面两点间距离最短的一条线。将测地线作为膜裁切线,对于可展曲面而言,展开后的测地线是直线。用测地线作为裁剪线可以使裁剪片幅宽大致相等,从而达到拼接简单和减少损耗的目的。目前测地线是裁剪设计中最常用的方法。

  膜的裁切线一般而言宜与荷载下的最大主应力方向平行,还要考虑膜拼接裁剪片之间的搭接强度,制作的工艺性、经济性。除此之外,膜拼接焊缝的布置应结合建筑效果整体考虑,保证布置的均匀性、对称性、韵律性,与建筑造型、韵律性协调统一。相邻膜片之间裁切线宜对缝,保证视觉连续和整齐。

  需要说明的是,ETFE 焊缝的连续性主要是针对同一层膜面来说的,不同膜面之间的焊缝是有一定的间距的。由于ETFE 气枕是由两个以上的膜片复合而成的,且ETFE 膜片很薄,从气密性考虑,上下层膜片的焊缝应该错缝布置。而且从焊接性能角度考虑,若上下层甚至中间层都在同一位置拼接的话,焊缝处由于焊接硬化,在受外荷载作用时,极易在焊缝接合处撕裂。所以不同层之间的焊缝按构造应至少错开20mm。

  现在主要的几家ETFE 充气膜结构工程厂商均使用膜材裁剪的全自动化系统,设定排版控制程序,主电脑控制裁剪机,实现从设计到裁剪的无缝连接,避免了人工排版可能出现的误操作。



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