膜结构加工制作与施工技术

刘昌伟

(大连伟霖膜结构工程有限公司,辽宁 大连 116021)

膜结构加工制作与施工技术

刘昌伟

(大连伟霖膜结构工程有限公司,辽宁 大连 116021)

膜结构作为一种新型的结构体系,在大跨度空间结构中应用越来越广泛,本文依据多年的工程实践,论述了膜结构施工前、后的若干问题,详细的介绍了膜结构的加工制作方法和施工技术,总结了膜结构现场施工过程中的注意事项,为该类型结构的施工和制作提供了一定的依据。

膜结构;加工制作;施工技术

1 概述

膜结构是一种由高强薄膜材料及加强构件(钢结构或拉索)通过一定方式使其内部产生一定的预张应力以形成某种空间形状,可作为覆盖结构并能承受一定的外荷载的空间结构形式。膜结构以良好的自洁性、隔热性以及高强耐久、造型新颖、自重轻等优点广泛应用于各类休闲小品、轻型大跨度无柱空间或轻型屋盖建筑结构。由于膜结构是张力结构的一种,只有在一定的张力作用下,膜结构才有一定的形状和刚度,因而膜结构建筑表现了力的平衡美,是一种受力最为合理的结构形式。采用轻质膜材,同时辅以柔性拉索、轻型钢桁架的结构形式,可以很好地达到大跨度、覆盖大空间的目的。

2002年设计制作安装的"大连老虎滩国际划水表演看台 1800平方米膜结构工程"是大连市的形象工程,被评为优质工程 (见图 1所示),大连老虎滩国际划水看台膜结构工程大型挑檐式钢结构和索、膜结构 (膜材采用法国法拉利FERARI1202T预应力膜材)作为大型公共建筑的主要受力部分和新型屋面系统,其建筑结构形式和质量直接影响到建筑物的安全和使用功能,在国内尚属首创。该工程位于虎滩乐园内,按设计展示面积 1800m2,根据地基承载力标准值160kpa,设计单弧型立梁钢结构 (见图 2所示),其中单弧型立梁 10支,梁长 29米,总跨度 100米。该结构经历了 2007年 3月 7日大连 (正月十五)特大台风和十年的使用洗礼,至今仍在老虎滩海岸上屹立如新,实践证明大型挑檐膜结构在恶劣环境下经久实用是完全可行的。

图 2 单弧型立梁钢结构

本文依据多年的工程实践经验,对空间膜结构的加工制作、安装、张拉等过程中的注意事项和关键技术进行了介绍,并总结了施工中需要注意的一些问题。

2 膜结构施工前的准备工作

施工过程是由业主、设计、监理、质检等多个单位多个部门共同合作完成的,如何协调组织各方的工作和管理,是能否保证工期与施工质量的关键之一。因此,为了保证这些目标的实现,应注意以下几点,确保将各方面的工作协调好:

(1)制定设计图纸交底、安装与设计的配合等会审制度。施工单位的项目部应组织有关技术人员配合设计,充分考虑设计与施工整体安装方案的匹配,参加业主组织的图纸交底会审等协调工作。

(2)建立例会制度。应定时召开业主、设计、施工、监理等多方参加的例会,商讨工程施工和配合情况。制定专题讨论会。对施工中的重大技术问题,各方的有关人员应集中在一起,共同商量解决。

由于膜工程的施工技术质量要求高,故需选择技术熟练、责任心强,有经验的施工员、班组长组织各项工作,并签订施工组承包范围、质量技术要求、工期进度、安全指标等责任书。根据工程需要,劳动力要合理调配,杜绝窝工现象。

3 材料的加工制作过程

3.1 钢结构的加工制作

钢结构的主要加工流程包括[1]:进料→开料→检验→拼装焊接→除锈→编号包装→出厂。其中注意事项有:材料必须有材质合格证书。根据设计人员所计算的每种杆件的下料长度、杆件规格进行分类堆放,以便于下一步施工。根据钢管的相贯尺寸,考虑壁厚和坡口的影响,利用自动切割机自动切割相贯线。在焊接过程中,为了尽量减少节点处应力集中的不良影响,支管与主管的连接焊缝应全周连续焊接并平滑过渡,若主管出现对接焊缝时,营口应刨坡口以确保焊缝焊透。由质检专业人员对焊缝进行超声波探伤检验,若发现有不合格的焊缝,应作记号,并及时通知焊工进行返工。主桁架与次桁架要进行预拼,组成一个单元组,并且编号。对构件表面进行干喷砂除锈处理,刷二遍油性防锈底漆,再涂表面面漆。

3.2 膜结构的加工制作

膜材的主要加工流程包括:进料→检验膜材→膜片下料、编号→膜片编排放样→膜片初粘→驳接→包装。由于膜材的裁剪、包装过程都较为复杂,各种角度变化较多,且加工精度要求非常高,所以在制作过程中要加强质量管理,保证制作精度。

膜材经检验后要运进已除尘的清洁车间。在下料区、编排放样区、驳接区及三个区的连接处铺上柔质的板胶,避免膜片直接接触地面,防止磨损或者弄脏膜材。进入车间的人员必须穿洁净的衣服,换上车间专用的柔软拖鞋或只穿袜子。

抽样取 20组膜片和背贴条样品,采用60mm宽的驳接刀,确定 4组不同的驳接温度、电流、压刀时间,驳接好后进行双向拉断试验,获取最佳受力和外观的驳接数据,填好确定的数据贴在驳接机上进行驳接。热熔合方案应根据排水方向和膜片连接节点确定。在正式热合加工前,要进行焊接试验,确保焊接处强度不低于母材强度。高频热合机是在高频电场的作用下对膜材高分子化合物高频振荡产生分子间的剧烈运动产生的热量使其粘合。

膜片下料按顺序要经三道程序:读取裁剪设计的坐标,取点;复核坐标,划下料线;复检坐标,落刀下料。然后贴上编号标签,抬到放样区。

由于索、膜结构通常均为空间曲面,裁剪就是用平面膜材表示空间曲面。这种用平面膜材拟合空间曲面的方法必然存在误差,所以裁剪人员在膜材裁剪加工过程中加入一些补救措施是相当必要的。对已裁剪的膜片要分别进行尺寸复测和编号,并详细纪录实测偏差值。裁剪作业过程中应尽量避免膜体折叠和弯曲,以免膜体产生弯曲和折叠损伤而使膜面褶皱,影响建筑美观[2]。

在放样区,对已完成下料的膜单元的所有膜片进行放样,核对无误后划骑缝线。擦拭驳接缝的膜和背贴条时要用柔软的棉质布。

上驳接机时,背贴条设在膜的下底面,膜片与驳接刀对中后,压平压稳膜片,使膜片在高频驳接过程中不产生移动。超重的膜单元,驳接时再细分,最后驳接缝用小型起重车搬移膜块,折叠包装。

在包装前,应根据膜体特性、施工方案等确定完善的包装方案。如聚四氟乙烯为涂层的是玻璃纤维为基层的膜材料可以以卷的方式包装,其中卷芯直径不得小于 100mm;对于无法卷成筒的膜体可以在膜体内衬填软质填充物,然后折叠包装。包装完成后,在膜体外包装上标记包装内容、使用部位及膜体折叠与展开方向。

4 现场施工的关键技术

4.1 钢结构的拼装与吊装

对于钢结构,可根据构件的长度、重量选用合适的车辆运输。注意在车辆上的支点要合理,捆扎要牢固,保证在运输过程中钢构件不产生变形,不损伤涂层。

钢结构运抵现场后,施工安装顺序一般为:分段拼装→吊装→安装其它构件→拆临时支撑钢塔架。对于一些大型的钢桁架,吊装时可利用几台汽车式吊车,分别在场内、外把主桁架及主预应力索吊到作业面上,有支承段的放在砼柱旁,并在业面上设置若干个支座。然后根据厂内预拼装情况进行焊接,焊缝质量经检验合格后涂油漆,再进行吊装;斜柱拼装后,用临时备用索固定安装斜拉桁架索,通过顶升斜柱来拉紧斜拉索,并在索上安装可调法蓝来调节斜拉索的松紧。由于钢结构安装误差的大小直接影响到结构内的预应力分布,严重者甚至还影响结构的安全性,所以在安装支承钢结构前,应按规范和设计要求对钢结构基础的顶面标高、轴线尺寸做严格的复测,并作复测纪录。

4.2 膜结构的安装与张拉

在膜材运输过程中要尽量避免重压、弯折和损坏。同时在运输时也要充分考虑安装次序,尽量将膜体一次运送到位,避免膜体在场内的二次运输,减少膜体受损的机会。膜体安装包括膜体展开、连接固定、吊装到位和张拉成形四个部分。

打开膜体前,在平台上铺设临时布料,以保护膜材不被损伤及膜材清洁,严格按确定的顺序展开膜体。打开包装前应核对包装上的标记,确认安装部位,并按标记方向展开,尽量避免展开后的膜体在场内移动。在展开的膜面上行走时要穿软底鞋。

打开膜体后,用夹板将膜材与索连接固定。夹板的规格及夹板间的间距均应该严格按设计要求安装。对一次性吊装到位的膜体,也必须一次将夹板螺栓、螺母拧紧到位。

目前索膜结构吊装较多应用多点整体提升法,是将已经成熟的整体"提升"技术加以改造用于索、膜结构这种柔性结构的施工过程中,该工艺要求整个过程必须同步。起吊过程中控制各吊点的上升速度和距离,确保膜面传力均匀。亦可采用分块吊装的方法,将膜体按平面位置分为若干作业块,每块膜体同样采用多点整体吊装技术,整体吊装到位。

未张紧的膜材在风载下容易鼓起造成破坏,所以在整个安装过程中要特别注意防止膜体在风荷载作用下产生过大的晃动,施工时应尽量在无风情况下进行。该阶段的任务是使膜布张紧,不再松弛以承受载荷,操作上特别要注意避免由于张拉不均造成膜面皱褶。预应力的大小由设计人员根据材料、形状和结构的使用荷载而定,要求其最低值不能使膜面在基本的荷载工况组合 (风吸力或者雪荷载)下出现局部松弛,一般常见的膜结构预应力水平在 1-4KN/m,施工中通过张拉定位索或顶升支撑杆实现。对伞形膜单元,一般先在底部周边张拉到位,然后升起支撑杆在膜面内形成预应力;马鞍形单元则要对角方向同步或依次调整,逐步加至设定值;而对于由一列平行桁架支撑的膜结构,惯常作法是当膜布在各拱架两侧初步固定的情况下,首先沿膜的纬线方向将膜布张拉到设计位置[3]。在施工过程中应注意无论张拉是否能顺利到位,均不应轻易改变预先设定的张拉位置。若确定怀疑是设计问题,则应经结构工程师研究同意后方可做出修正。

综上所述,安装质量的总体要求是:膜面无渗漏,无明显褶皱,不得有积水;膜面颜色均匀,无明显污染串色;连接固定节点牢固,排列整齐;缝线无脱落;无超张拉;膜面无大面积拉毛蹭伤。

5 结语

膜结构在国内是一种比较新颖的结构形式,大家对这种结构还不是非常熟悉,因此施工时要注意其加工制作与施工技术,以保证工程质量与施工安全。本文详细论述了膜结构施工前、后若干需要注意的问题,可供广大工程技术人员参考。

[1]中国钢结构协会空间结构分会,中国建筑科学研究院.膜结构技术规程[S].北京:中国计划出版社,2004.

[2]陈务军.膜结构工程设计[M].北京:中国建筑工业出版社,2005年.

[3]欧洲张力薄膜结构设计指南[M].北京:机械工业出版社,2007.

Processing and Construction M ethod ofM embrane Structure

L IU Chang-wei

(DalianWeilinMembrane Structures Engineering Company,Dalian,116021,China)

Membrane structures as a new type of structural system are more and more widely applied in long-span spatial structures.In this paper,based on many years engineering practice,it discussed a number of issues during the construction of membrane structures,gave a detailed introduction about the manufacture method and construction technology ofmembrane structure,summarized some precautions in construction-site ofmembrane structures,provided a certain evidence for the construction and production ofmembrane structures.

membrane structures;processing and construction;construction technology

TU502 < class="emphasis_bold">文献标识码:A文章编号:

1008-2395(2010)06-0065-03

2010-03-20

刘昌伟 (1958-),男,工程师,Email:wl1958@vip.163.com