膜结构膜材的设计

膜材通常存在以下几种失效模式:

1 ) 膜材内的拉应力超过其经向或纬向抗拉强度,导致膜材被拉断;

2 ) 由于膜材接缝处或膜与其他构件的连接处的连接强度不足所导致的开裂;

3 ) 在膜材安装过程中或由于构造不当所导致的膜材撕裂。从结构角度讲, 对膜材的选择就是要保证膜材的抗拉强度、连接强度和抗撕裂强度满足膜结构设计的要求。

   对于第一种失效模式,可以通过增大膜材的安全系数来避免。通常在永久性荷载(如自重、预张力 )作用下, 膜材的安全系数取 8; 对于风荷载起控制作用的组合,安全系数取4;对于雪荷载, 安全系数则取5。因为雪荷载通常会持续一段较长的时间 ,可以认为是一种半永久性荷载。由于膜材的经纬向抗拉强度及膜面在各个方向的应力并不相同, 上述校核要按方向分别进行。
   对于第二种失效模式,可在接缝计算时加大安全系数、保证必要的接缝宽度来避免。当采用焊接连接时,通常 PVC及 PTFE 膜材的接缝宽度为 40-75mm,小品中也有采用25mm的; ETFE 膜材的焊接接缝宽度一般为 10mm; 具体宽度取决于膜面设计应力及焊接加工的质量。接缝强度还与温度相关, 温度越高, 强度越低。除设计选定外,实际加工时还需试焊、测试接缝强度。
   第三种失效模式, 往往与应力集中有关, 这也是设计和安装过程中尤其要注意避免的。由于膜材的撕裂强度仅为其抗拉强度的十分之一左右,从国内 、外已有膜结构的工程经验来看, 膜材撕裂是最易发生的工程事故。膜材安装过程中的临时固定措施不当是导致膜材撕裂的主要原因之一, 此时的膜材已经展开但尚未绷紧, 在阵风的作用下极易导致膜材撕裂。设计中所采用的构造措施不当 , 也是导致膜材内的应力集中并最终撕裂的原因之一。在膜面与其他构件的连接处容易产生应力集中 ,对这些部位应进行适当的补强, 即增加边界处膜的层数。

   此外 ,由于膜结构的变形比较大,在膜结构钢结构的连接部位应保证具有足够的自由度; 同时要防止膜面在风作用下与周围其他物体相碰撞或摩擦而使膜面受损。

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