建筑膜材的強度性能及連接技術論文

建筑畢業論文 時間:2019-01-08 我要投稿

  【關鍵詞】:膜材; 建筑材料

  【摘要】薄膜結構是近幾十年國際上正在研究并逐漸發展的一種新型空間結構,是一種效率極高的張力集成體系,可以充分發揮鋼索的強度與張拉整體結構的空間作用,現代的薄膜材料已具有防水、透光、阻燃、化學和機械性能穩定等優點。

  薄膜結構一經問世便以其新穎的造型、巧妙的構思、經濟的造價得到青睞,并成功地應用于體育場館;娛樂商業中心、展覽館、候機大廳等大跨度建筑物中,被譽稱為“21世紀的建筑”。薄膜結構以建筑織物——膜材為張拉主體,由于材料自身性能的改善,現代的薄膜材料已具有防水、透光、阻燃、化學和機械性能穩定等優點。

  1. 薄膜材料的材料性能

  薄膜材料一般由兩部分組成:基布(編織物)和涂層。材料的強度和彈性性能主要取決于基布,而進一步的性能如防火、防水、抗紫外線侵蝕以及對機械、化學等因素的不敏感性都必須依靠涂層來加強。

  1.1 基布材料

  大部分基布的編織方向呈直角,亦可有所偏移,屬于各向異性材料。在編織過程中,經線拉得較緊,柔性較緯線差。基布材料主要有聚酰胺、聚酯纖維、玻璃纖維、芳酰胺纖維。

  1.1.1 聚酰胺

  聚酰胺一般稱為尼龍,其耐磨性、強度較高,能耐低濃度酸,耐強堿,但易吸濕,其電性質和機械性能會受到吸濕的影響而降低。如果溫度較高,可能發生氧化而變黃、變脆。此外,聚酰胺抗紫外線能力較弱,強烈的陽光照射會降低它的強度。

  1.1.2 聚酯纖維

  聚酯纖維一般稱為滌綸,與聚酰胺相比,其抗拉強度較低,抗紫外線能力稍強,不易吸濕,因此尺度穩定性好,價格較便宜,應用較廣泛,可用于一般性的膜結構建筑物中。

  1.1.3 玻璃纖維

  玻璃纖維由各種金屬氧化物的硅酸鹽類經熔融后抽絲制成。玻璃纖維拉伸強度高,耐水,耐腐蝕,化學穩定性好。但一般玻璃纖維耐酸性好,耐堿性卻較差。依據玻璃成分的改變可以制得有各種特殊性能的玻璃纖維,如耐高溫、優良電性能、耐酸堿、抗拉強度高和剛性大以及吸收有害射線耐老化等。玻璃纖維也有一些不足之處,如易脆裂,在荷載條件下伸縮性很小,裁剪精確度要求很高,其強度因表面缺陷而削弱,因此在加工使用過程中需采取保護性措施。由玻璃纖維制成的膜材通常用于永久性建筑中。

  1.1.4 芳酰胺纖維

  芳酰胺纖維是一種優良的有機纖維,比玻璃纖維質量更輕、剛性更大、強度更高,密度小,有良好的電性能和絕熱性能,更能吸收機械振動和聲音的振動。具有低的蠕變性和高的抗沖擊性,極低的缺口敏感性和優良的抗蠕變斷裂性。

  1.2 涂層材料

  1.2.1 有機硅樹脂

  有機硅樹脂是高分子量的半有機聚合物,具有優異的耐高溫、耐低溫、憎水、防潮、電絕緣、耐輻射、氧化穩定等特性,常用作玻璃纖維的涂層,其抗拉強度和彈性模量較高,具有很好的透光性。

  1.2.2 聚氨酯樹脂

  聚氨酯樹脂是一種較新的聚合物,具有良好的粘合性,涂層光澤度高,耐磨、耐候性好。有良好的耐化學性、電絕緣性質,彈性好,透氣性低。但是由于其耐水解、蒸汽和高溫性不良且價格較貴,所以采用不多。

  1.2.3 合成橡膠涂層。

  合成橡膠(如丁腈橡膠、氯丁橡膠)韌性好,對陽光、臭氧、熱老化穩定,且具有突出的耐磨損性、耐化學性和阻燃性,可達到半透明狀態,但由于容易發黃,故一般用于深色涂層。

  1.2.4 聚氯乙烯(PVC)

  由于原料豐富、價格便宜,機械性能和耐腐蝕性好,加工方便,顏色多樣化且透明度高,所以在歐洲90%以上的合成織物(聚酰胺、聚酯纖維)均采用聚氯乙烯(PVC)作涂層。

  1.2.5 聚四氟乙烯(Teflon)

  聚四氟乙烯觸摸起來像蠟一樣光滑,一般采用粉末冶金的加工技術,依據加工條件通常呈白色或帶藍灰花紋璉點。由于其使用溫度范圍很寬(-100~300OC)而且耐老化、耐化學侵蝕性能優于現在的任何其他有機聚合物,再加上優良的電絕緣性能以及低的摩擦系數,使其成為各工業部門都十分感興趣的材料。

  1.3 常用建筑膜材

  1.3.1 涂聚氯乙烯(PVC)的織物

  尼龍織物、聚酯織物通常以聚氯乙烯(PVC)為涂層,這種PVC涂層織物的造價相對較低,抗折性能好,運輸方便,顏色多樣化,但抗腐蝕能力較差,易老化,使用壽命短,自潔能力差,可用于一次性投資不高的建筑,當薄膜污染破壞后可修補或重新更換。也有以PVC為涂層的玻璃纖維織物,1970年日本大阪國際博覽會美國館首次采用該膜材,取得了很好的效果。通常規定PVC涂層在織物經緯線交點上的厚度不能少于0.2mm,但若涂層太厚,在價格及膜材重量上都是不經濟的。若PVC色淡透明,則宜加0.5%紫外線吸收劑(如Tinuvin或Uvinul晶牌的紫外線吸收劑);若涂層的顏色較深(可加碳黑),那么可提高膜材的抗老化能力和耐久性。如果需要,還可在涂層上面加一層極薄的金屬薄膜或噴射鋁霧,用云母或石英來防止表面發粘和污染,防止PVC涂層褪色,這種表面平滑有光澤,可減少污染,有利于排水。

  1.3.2 涂聚四氟乙烯的玻璃纖維膜材

  由于聚四氟乙烯涂層和玻璃纖維基布的優良性能,其膜材是目前建筑薄膜材料中綜合性能最優的膜材。它的優點是抗拉強度很高,抗化學侵蝕性能好,耐溫差,抗老化,自潔性能好,使用壽命長,但抗折能力較差,運輸安裝要格外注意,裁剪加工精度要求高,加工困難,價格昂貴。這種膜材適用于永久性建筑物。

  1.3.3 涂橡膠的聚酰胺織物

  涂橡膠的聚酰胺膜材造價低,耐磨損,韌性好,但重量大,且橡膠容易發黃,影響美觀,一般可以在深色的膜結構中使用。

  2. 薄膜材料的強度性能

  2.1 膜材的抗拉強度

  膜材抗拉試驗有單軸抗拉試驗和雙軸抗拉試驗。在實際結構中膜材處于雙向受拉應力狀態,所以應對薄膜的雙軸張拉試驗進行充分的研究。

  由于膜材織物的織線沒有明顯的可測截面,最好的測定方法是對材料進行重量和斷裂試驗。編織物的拉力通常按kP/5cm計。膜材的斷裂強度一般是指膜的單軸應力狀態下的極限拉斷強度,這不符合膜雙向受拉的實際情況。一般編織物的受拉強度取決于每厘米中織線的數目、織線的登尼爾(900cm長度的線的重量)以及編織方式。高壓結構中對幾毫米厚的膜材強度需要超過1000kP/5cm;而低壓結構對強度及延伸性能要求較低,通常0.7—1.2mm的膜材達到200-600 kP/5cm的強度即可。也可通過爆破試驗測定材料的強度和伸長,對周邊夾住的試件用氣壓或液壓充脹至爆破點,爆破壓力通常以kP/cm2表示。例如,某種經緯向都具有400kP/5cm拉力的聚酯織物其爆破壓力為20 kP/cm2。

  建筑膜材在雙向受拉時,其應力一應變關系呈明、顯的非線性性質,且隨兩軸之間應力比的變化而變化。復雜的非線性材料規律很不實用,應用近似線性化的材料應力一應變關系導致的誤差很小。因為模型制作的誤差、裁剪式樣的變形、接縫處剛度的增大以及產生的皺折,常會進一步改變應力的分布,加之老化和永久荷載所引起的強度降低等,這種種因素都是很難測定的。所以在對膜結構進行設計時,通常僅考慮結構的幾何非線性性質,認為膜材是彈性材料或正交各向異性的材料進行設計計算。

  2.2 膜材的抗撕裂強度與粘結強度

  可以用中間有小洞或一邊有缺口的試件對膜材進行撕裂試驗,以取得抗撕裂一延伸性能。粘結強度(kp/cm)是指由于材料受拉時涂層與編織物之間的粘結力。將兩塊5cm寬的試件用較小的壓力疊合,再將其脫開,這種試驗被稱為“剝皮試驗”。與粗纖維織物比較,光潔纖維織物的涂層機械附著能力較差。

  膜材的撕裂破壞是由初始的小洞、裂縫及缺陷引發的,應保證建筑膜材在正常使用條件下,產生微小的裂縫或缺陷,但不會迅速擴展導致更大面積的撕裂破壞。膜的抗撕裂能力與其粘結強度有關。粘結強度增加時,抗撕裂一延伸性能會減小。因為膜材的抗撕裂破壞能力主要取決于初始裂縫形狀的改變,應調整布絲的受力,而不應限制它的滑移,所以粘結強度不宜過大。此外,抗撕裂一延伸性能還會受到基布材料、編織方法及涂層的影響。

  2.3 膜材的強度性能關系

  膜材的抗拉強度、粘結強度與抗撕裂強度之間有很大的相關性。基布編織緊密的膜材有很高的抗拉強度,但抗撕裂強度相應較低,這是由于其很高的彈性模量及基布與涂層間的粘結強度較大的緣故。高的彈性模量限制了基布的拉伸、延展,而粘結作用又阻止了基布和涂層間的滑移,進一步限制了膜材的拉伸延展,這種特性使高抗拉強度膜材實際可用的抗拉強度大大降低,因為在實際工程中,膜材的破壞主要是抗撕裂強度不足引起的撕裂破壞。

  膜材的疲勞強度比抗拉強度小得多,接縫的強度通常比材料強度小,且由于紫外線的照射會老化、變質,因此需對膜材在外部氣候條件下進行性能試驗,進行長期的觀測。從經濟的角度看,膜材的耐久性還是令人滿意的。微小的損傷可以修補,除稍加清洗改善透光度外,不需其他的養護和維修。

  3. 薄膜材料的裁剪和連接技術

  薄膜材料像服裝一樣需裁剪,再縫合、膠接或焊接。在歐洲市場上制成的商業半成品薄膜或涂層薄膜材料的門幅寬度通常是150cm,也有120cm、140cm、160cm或200cm的膜材。目前對標準形體的膜結構的裁剪式樣,已可以用程序控制標繪器來完成,用計算機操縱自動樣片切割機進行裁剪,節省了制圖步驟。但是,對于多種多樣的膜結構,要根據具體的幾何形狀確定與之相適應的裁剪式樣,盡可能地簡單、經濟。有時幾何形狀不同的單片膜材接合在一起,出現多向薄膜拉力,很容易出現皺折,這時需制作尺寸精確的模型來估計薄膜拉力并確定裁剪方案。根據所采用的連接方式,膜材兩邊需重疊2-4cm。裁剪方式的選擇應遵循以下規則:

  (1) 單片形狀規則、面積大的裁剪式樣比小而不規則的裁剪式樣好,接縫清晰、美觀;

  (2) 接縫長度要盡量短,以減少浪費;

  (3) 對于無法避免的重疊接縫,應盡量使最少的接縫集中于一個地方;

  (4) 由于接縫處的強度比膜材強度低,所以沿主應力方向的接縫比同其垂直方向的接縫要經濟;

  (5) 沿薄膜表面最陡方向的接縫使雨、雪易于滑落,保持表面的干燥,防止出現由于大的雪載引起陷落。

  單片的薄膜需通過一定的方式連接起來,為保證膜結構整體的強度和穩定性,接縫的強度應與主要膜材的強度接近,接縫處平整,韌性好,彈性盡可能大,保證幾何曲面的美觀。此外,接縫處無破損,在安裝使用過程中無硬褶,表面不能滲水,對于充氣薄膜要保證不漏,接縫要能具有一定的耐化學侵蝕能力。主要的接縫形式有縫制、粘合、焊接、鉚接和夾鉗。其中前三種是最經常使用的接縫形式。縫制和粘合接縫的強度可能因受紫外線和高溫作用而降低,有效的保護辦法是在接縫處涂一層保護性的上光涂層或在薄膜上噴鋁霧。焊接是最佳的接合技術之一,焊接處的強度比膜材的強度還要高,焊接方法有熱氣、熱烙以及高頻熱壓。鉚接是很少采用的方法,而夾鉗一般用于臨時結構。所有這些接縫都屬于不可分接縫。有時膜建筑比較龐大,對此可制造分段標準構件,根據不同需要進行組合。建筑物擴建需增加或減少構件時,使用可分接縫來連接。可分接縫形式有拉鏈搭接、加壓搭扣、套環連接、栓接和聯系帶連接等。可分接縫也可具有很好的氣密性,但與不可分接縫相比,其造價昂貴,應盡量減少使用。

  4. 結論

  薄膜材料屬于柔性極大的高分子化學建材,它的材料性能、強度性能不同于一般的傳統建筑材料,并需通過特別的裁剪和連接技術才能應用于膜結構。薄膜材料的開發是一項系統工程,需要各系統及部門的共同努力。幾十年來,全世界膜結構發展迅速,建筑膜材的銷售額每年已達到30多億美元,我國目前每年大約有10萬m2的膜結構工程,基數很小,發展前景廣闊。但在膜材的開發制作方面我國同國外發達國家有很大差距,市場上尚沒有合乎標準可作為永久性材料的建筑織物,很多膜結構建筑要依靠國外進口膜材,造成建筑造價進一步提高。對此必須引起重視并深入研究。

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