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膜结构的风损事故及防范

信息来源:www.cgmjggc.com | 发布时间:2019年01月16日

沈阳膜结构是一种造型新颖、富有现代时尚气息的空间结构,工程形态优美,优点颇多。近年来我国膜结构设计及建造水平都已趋成熟,而在行业迅速发展的同时,一些膜结构局部缺陷如褶皱、积水甚至撕裂损伤等也相应出现,在一定程度上影响了膜结构的整体形象。有的工程由于设计、制作、安装不当给结构留下了安全隐患,在台风、暴雪自然灾害下很可能 引发不同程度的膜结构工程事故。

我国浙江、福建、广东沿海及海南、台湾为台风多发地区。前段时间台风“山竹”肆虐深圳,在遭受损害的公共设施中,就有为数不少的膜结构破损,如充气膜结构场馆倒塌、膜结构看台撕裂破损等。下图中某学校膜结构看台破坏模式主要自跨中拉索连接膜的圆形拉环,沿着环边膜完全撕裂,只剩下很少一点连接,破坏发生在拉力最大的圆环边,这个位置拉力最大,一点撕开后,延续开裂,直至彻底拉断,悬挂两侧。

强风作用下膜材撕裂在国外也曾多次发生,膜结构工程事故的发生主要与台风的强度直接相关,如一些台风登陆时的最大风速在60ms左右,即使在风速低于最大风速时,但由于台风的不确定性、复杂性,造成建筑物的破损也在所难免,这些工程事故也暴露出与膜结构工程设计及安装过程的不当直接相关,值得我们从中认真总结经验教训,以防后患。

风对结构物的作用是十分复杂的。当风绕过结构时,会产生旋涡和气流的分离,形成复杂的空气作用力。当结构刚度较大时,结构保持静止不动,当结构刚度较小时,结构震动收到激发,这时空气力产生动力作用,而动力作用可能激发风致振动。设计时应考虑当风速达到某一临界值时,结构振幅不断增大直至结构毁坏的自激振动(颤振等)。同时还应考虑低风速时所产生的限幅振动(涡激共振、抖振等)。此外长拉索因风雨作用也会产生较大幅度的振动。而膜结构自重轻、刚度小、自振频率低,是一种典型的风敏感结构,特别是一些开敞式或是有悬挑、体型变异较大的膜结构,这时风的动力作用不容忽视。

在进行膜结构设计时,风荷载往往是其主要控制荷载。在确定风荷载标值时,基本风压常根据《建筑结构荷载规范》(GB50009-2001)(简称《规范》)给出的当地50年一遇的风压采用。为更准确的确定结构表面的风压分布系数,只有依赖于风洞模型试验。在做风洞试验时,应对风的速度剖面。自然风湍流、雷诺效应等进行较准确的模拟。由于膜结构属轻型结构,在风载作用下呈强几何非线性,受特征湍流影响大,风与结构的耦合作用不可忽略。因此有条件时应进行膜结构气弹模型试验,以获得更符合实际情况的风振特性、风压分布资料。但目前国内仅对伞形、鞍形、脊谷式膜结构的风压进行了一些研究,工作还有待深入。

进行结构设计时为考虑风荷载的动力效应,在确定风荷载标值时,还应考虑风振系数。《膜结构技术规程》规定,对骨架支承式膜结构的风振系数取1.2--1.5;对整体张拉式伞形、鞍形膜结构的取1.5--2.0。

膜面撕裂是在强风、暴雪、骤雨等恶劣天气下常易发生的一种破损现象。其主要原因是膜材虽具有较高的抗拉强度,足以承受经纬向所承受的张力,但其抗撕裂强度低,因此他们在撕裂方向的损远比直接受到拉伸的损坏严重得多。如果膜面由于局部应力集中略有破损,迅疾转变为撕裂力的作用,逐渐或瞬间切断一根或数根织物纤维后发生撕裂现象。因此设计中通过找形分析使膜面处于常受拉状态。《膜结构技术规程》规定,在第一类荷载效应组合下膜面不得出现松弛,各种荷载组合作用下的最小主应力值大于维持膜结构曲面形状所需的最小应力值,在第二类荷载效应组合下,膜面由于松弛而引起的褶皱面积不得大于膜面面积的10%。
沈阳膜结构
安装中通过对膜面施加预张力,使膜面在给定几何形状和边界条件下张紧而获得抵抗外荷载的能力。但是由于膜面过于扁平、预张力施加不到位或膜材徐变导致膜面松弛等原因都有可能使膜面整体刚度降低,在强风作用下膜面出现大幅度的反复摆动,最终引起膜材的撕裂。连接松动、节点转动受约束或边索断裂等也会造成膜材的撕裂。膜面形状凹陷、膜材松弛引起的不均匀积雪、积水,施工过程中由于吊装、张拉不当而使膜面局部产生的应力集中,施工、实用过程中利物穿刺膜面等,都可能导致膜面的撕裂。

日本熊本穹顶是一座具有特色的膜结构,但在1999年9月的一次台风袭击时,一楼的旋转门被风冲开,一根上拉索和节点板破断,内外膜面撕裂破损,屋盖顶部玻璃破损碎片加剧了膜面撕裂。


膜结构是一种张力结构体系,它通过对膜面施加预张力而使结构在设计给定形态下获得刚度和承载能力。因此,应从设计、施工和实用多方面采取相应措施,确保膜面稳定地处于受拉状态。

1、膜结构在概念设计阶段进行方案构思时,即应根据工程所在地的自然条件缜密分析。对于多雨、雪的地区不宜采用曲面起伏较多的外形,应使膜面具有较大坡度,以利排水。对于台风多发地区不宜采用刚度差异较大或作局部悬挑的造型。曲面设计构形时忌使膜结构曲面平坦,否则既需施加较大的预张力才能构成所需曲面,又会使膜面受力呈受弯状态,而不能有效利用膜材的抗拉强度。曲面还应光滑连续,避免出现拐点、尖角,否则这些区域的膜面易出现褶皱或应力集中,更不应该使膜面直接搁置于墙体上。此外,台风多发地区设计时宜选用抗撕裂强度较高的膜材。


2、膜结构设计时应使膜材强度具有足够的安全裕度,保证膜面张拉后能正常承载。同时节点构造要考虑膜面因材料徐变、连接松动、膜面积水等发生膜面松弛而需进行二次张拉的可能性。节点连接应具有足够强度、刚度,防止失效。连接件外援应经加工处理,使之光滑而无棱角,防止局部翘曲而划伤膜材,对有转动要求的节点,构造上应保证能自由转动。

拉索是组成膜结构的重要原件,合理使用拉索的强度,控制索长的准确对膜面成形与结构安全至关重要。设计师应防止由于拉索强度不足而危及结构整体。

双层膜结构的内膜节点连接一般不作防水处理。对于一些重要工程也可考虑进行适当防水、排水处理,以免万一外膜破坏,雨水直接进入室内而造成损失。

3、膜结构制作安装过程中应确保膜面处于设计要求的张力状态。裁剪下料时应根据膜材型号、批次,考虑沿经、纬方向的收缩量,并及时剔除有色差、划痕、断丝、跳纱、涂层剥落等局部缺陷的膜材。膜结构安装前应对下部土建结构进行认真检测验收,复核相关几何尺寸与具体构造是否与原设计图纸相符。并根据膜结构的具体形式编制合理的安装施工方案。利用拉索、周边节点对膜面均匀施加张力,使膜面呈现设计形态。施力时宜均匀分批张拉,防止加载速率变化太大而造成膜面应力超过材料的抗拉强度或出现膜材撕裂。

4、膜结构中的金属构件应采取有效的防锈措施。这对于沿海地区或潮湿环境中的金属构件尤为重要,钢构件应对钢材基层经抛丸除锈后,涂敷无机富锌漆,并涂装与之相应的面漆,或采用镀锌防腐。钢索可根据形式不同采用相应方法防腐。钢丝索、钢棒常用镀锌防腐。

5、膜结构建成后使用期间的维护保养也是膜结构能否正常工作的一个重要环节。由于膜材徐变、节点松动等膜面可能因预张力损失而松弛,金属构件外表可能锈蚀,膜面涂层坑能局部脱落等。因此在使用过程中的维护保养也很重要。一般龚恒竣工两年后宜对膜面施加第二次预张力,对金属构件也应在使用4-5年后重新涂刷面漆。

膜结构相对于其他传统结构更为年轻,经验尚不足,在强风、暴雨暴雪的袭击下出现一些问题也比较正常,只要认真总结教训、精心设计、精心施工、确保工程质量,加强维护保养,膜结构的安全是可以保证的。