半球形氣膜建筑與鋼纜設(shè)置研究

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1、球形氣承式膜結(jié)構(gòu)（充氣膜）穹頂建筑與鋼纜設(shè)置研究分析焦亮自古羅馬時(shí)期，球形或半球形的屋頂就已有很成功的應(yīng)用，最典型的就是各種神殿建筑大多使用這種建筑形式。以前，長(zhǎng)度為43米（142英尺）直徑的球形頂大約需要十年以上的時(shí)間才能完工。砌體的形成和放置穹頂非常耗時(shí),但由于使用奴隸勞動(dòng)的成本非常低，因而那一時(shí)期建設(shè)如此巨大的工程一般不會(huì)有什么問(wèn)題?，F(xiàn)如今，建設(shè)更大直徑的穹頂?shù)男枨罅吭絹?lái)越大，很多應(yīng)用于此方面的研究成果也不斷開(kāi)發(fā)出來(lái)。比如建設(shè)直徑100米（300英尺）的穹頂如果有足夠的量經(jīng)濟(jì)支持的情況下，并排除各種其他困難的情況下現(xiàn)實(shí)起來(lái)已不是問(wèn)題。應(yīng)用新操作方法,

2、建設(shè)直徑小于80米（260英尺）穹頂?shù)慕ㄔO(shè)成本已經(jīng)大大降低了。1976年位于西雅圖的穹頂一直是1996年以前世界上最大的穹頂，采用了水泥薄殼結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)超凈空，共65000個(gè)座位，造價(jià)為平均1000美元一個(gè)座位。其造價(jià)與其他結(jié)構(gòu)、相同跨度的建筑形式比非常的經(jīng)濟(jì)。早在1940年以前，由于經(jīng)濟(jì)效率的原因，充氣式（氣承式）膜結(jié)構(gòu)建造穹頂?shù)募夹g(shù)不斷被推廣應(yīng)用。應(yīng)用此項(xiàng)技術(shù)一個(gè)跨度80米（260英尺）的穹頂可以在兩到三個(gè)月的時(shí)間內(nèi)，建造完成。氣承式膜結(jié)構(gòu)已成為速度和效率都非常高的建筑穹頂?shù)姆椒?。?duì)于跨度超過(guò)80米（260英尺）的穹頂由于建筑膜材應(yīng)力數(shù)值的限制尚沒(méi)有推

3、廣應(yīng)用。不過(guò)應(yīng)用氣承式膜結(jié)構(gòu)（充氣膜結(jié)構(gòu)）建造大跨度穹頂已經(jīng)成為一個(gè)非常有效和經(jīng)濟(jì)的建立方式。目的氣膜建筑和羅馬神殿的構(gòu)造模式類(lèi)似，需要鋼網(wǎng)在徑向和縱向的網(wǎng)格間隔尺寸相等，這樣水平和垂直方向的力將被有效分配。架設(shè)于氣膜建筑外部的鋼纜網(wǎng)格將用于控制充氣建筑形成后的變形量，此系統(tǒng)的應(yīng)用使建造較大直徑穹頂建筑成為可能。這篇文章的主要研究?jī)?nèi)容就是基于現(xiàn)有氣膜建筑材料的情況，如何在低高跨比值穹頂?shù)臍饽そㄖ惺褂?、設(shè)計(jì)和安裝放射狀外部鋼纜輔助系統(tǒng)(圖1.1)或網(wǎng)格狀鋼纜輔助系統(tǒng)(圖1.2)。將鋪設(shè)兩種不同鋼纜網(wǎng)格系統(tǒng)的氣膜建筑，進(jìn)行不同環(huán)境下測(cè)試，觀(guān)測(cè)不同應(yīng)力作用下氣

4、膜建筑膜材的變形和鋼網(wǎng)所受張力大小變化情況。使用空間尺寸變化分析法進(jìn)行標(biāo)志點(diǎn)變形數(shù)據(jù)比較，以指導(dǎo)未來(lái)氣膜建筑的構(gòu)建。目前為止最大的穹頂建造直徑約為80米（260英尺）。如果使用了加載有網(wǎng)格鋼纜系統(tǒng)的氣膜建筑構(gòu)造技術(shù)，相信可以勝任于建造直徑100米（300英尺）的氣膜穹頂。一般可接受的安全系數(shù)的條件下，建筑膜材抗拉強(qiáng)度只能承受小于50米（170英尺）的曲率半徑的拉力。這里介紹的研究成果，將表明使用帶鋼網(wǎng)系統(tǒng)的氣膜建筑技術(shù)可以用構(gòu)建直徑240米（800+英尺）以上大直徑低高跨比值的建筑穹頂。這一模形展示給大家的是一種應(yīng)用了網(wǎng)格狀鋼纜輔助系統(tǒng)的氣膜建筑。此系統(tǒng)能

5、夠修正氣膜建筑的變形問(wèn)題，從而可以實(shí)現(xiàn)氣膜建筑安全的應(yīng)用于超大直徑穹頂。模型還可以表現(xiàn)出，鋼網(wǎng)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)減少氣膜建筑局部應(yīng)力過(guò)大的問(wèn)題，通過(guò)減少氣膜建筑的曲率半徑，使氣膜建筑形成自我調(diào)節(jié)的應(yīng)力系統(tǒng)。建筑膜結(jié)合應(yīng)用鋼網(wǎng)系統(tǒng)使超大跨度氣膜建筑屋頂結(jié)構(gòu)成為可能，而且其整體造價(jià)非常經(jīng)濟(jì)、建設(shè)時(shí)間也非常短。背景球形穹頂?shù)慕ㄖl(fā)展已有很長(zhǎng)的歷史了，古羅馬時(shí)期的神殿和教堂很多都是圓球體的，最大的直徑能夠達(dá)到38米（142英尺）。2.1氣承式膜結(jié)構(gòu)上世紀(jì)70年代開(kāi)始，隨著大家對(duì)氣膜建筑認(rèn)識(shí)的深入，氣膜建筑應(yīng)用于小跨度的穹頂數(shù)量的增長(zhǎng)速度非?？臁Ｔ谀げ牧霞夹g(shù)的不斷升級(jí)和人

6、員成本的增加的條件下，氣膜建筑的建造的經(jīng)濟(jì)性?xún)?yōu)勢(shì)越來(lái)越明顯，很多項(xiàng)目由于使用氣膜建筑結(jié)構(gòu)形式大大的減少了費(fèi)用和總體成本。氣膜建筑的施工機(jī)械也非常簡(jiǎn)單，只需要吊車(chē)和叉車(chē)即可。借助機(jī)械的條件下，整體施工只需要10-15個(gè)工人就可以完成。對(duì)于直徑小于60米（180英尺）的項(xiàng)目可以使用兩臺(tái)吊車(chē)同時(shí)使用。使用兩組同時(shí)施工的條件下，可以使很短的時(shí)間內(nèi)即可完成施工，節(jié)省大量的費(fèi)用。氣膜建筑制造的大跨度建筑可以很好的控制屋頂雨雪的流向和流動(dòng)效率是其又一個(gè)超過(guò)傳統(tǒng)建筑結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)。穹頂直徑對(duì)比圖2.2膜結(jié)構(gòu)材料和物理特性對(duì)于氣膜建筑來(lái)說(shuō)，建筑膜材和鋼纜的強(qiáng)度非常重要。膜材必須

7、能夠承受和鋼纜一起傳導(dǎo)到圈梁和基礎(chǔ)的張力。膜材是平織方式纖維織物作為抗拉強(qiáng)度的主要材料，其外部的PVC涂層作為保護(hù)層來(lái)保理論上聚脂纖維的壽命和強(qiáng)度。纖維織物編織的非常緊密，PVC涂層通過(guò)刮涂的方式與纖維層結(jié)合，防止其由于光照和腐蝕而老化。PVC和熱的四氟乙烯通過(guò)不同的軋軌緊密的貼合在聚脂纖維的表面，使之永久的組合在一起。加工好的PVDF膜按照克重的不同進(jìn)行分類(lèi)。通常膜材構(gòu)成為0.23千克/米2（7盎司/碼2）的聚脂纖維需要0.92至1.358千克/米2（27-40盎司/碼2）的PVC涂層。一般膜材是打成卷進(jìn)行運(yùn)輸，通過(guò)裁切機(jī)裁成構(gòu)筑建筑所需要的膜片，用高頻

8、焊接機(jī)焊接形成一個(gè)整體。焊接寬度一般為4-8厘米，焊接溫度一般為3