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膜結構裁剪設計的目的及一般原則
1. 裁剪設計的目的
膜結構建成后的膜面是預應力作用下的空間曲面。裁剪設計(或者 稱裁剪分析)的目的是用無應力、平面狀態并有幅寬限制的膜材(卷材)去制作膜面,使這個膜面在張拉后符合找形所得的形狀和應力分布,且膜面接縫布置美觀, 膜材用料節省。
2. 裁剪設計的內容與步驟
膜結構裁剪設計的內容與步驟如下:(1)在找形得到的空間膜面上布置裁剪線,將空間膜面劃分成若干個空間膜條;(2)將空間膜條展開為 平面膜片;(3)釋放預應力,對平面膜片進行應變補償(即考慮預應力釋放后膜材的彈性回縮);(4)根據以上結果,加上膜片接縫處及邊角處都放量,得到平 面裁剪片;給出膜材的下料圖及膜面的加工圖。
3. 裁剪線的布置原則
裁剪線是指空間膜曲面上膜條與膜條之間的連接線,也就是裁剪片與裁剪片拼接時的接縫。
裁剪線的布置應遵循以下原則:(1)美觀,有良好的視覺效果;(2) 受力性能良好,通常將裁剪線布置成與膜材的經向一致,沿膜面主應力方向;(3)便于加工,避免裁剪線過于集中,以方便邊角處理;(4)節省,即節省膜材且 使接縫總長度盡可能地短。
通常,裁剪線的方向就是膜材的經向,即膜材的長度方向。習慣上,圓錐形(傘形)膜面的裁剪線按經向布置,馬鞍形膜面的裁剪線沿平行于高點對角線的方向布 置,拱支承形膜面的裁剪線多垂直于拱的跨度方向,而脊谷式膜面的裁剪線多平行于脊谷索布置;剛性邊界的膜結構,裁剪線多平行于邊界支承構件,如圖1 所示。設計實際工程時,不要墨守陳規。適度地改變習慣做法,有時會收到意想不到的新奇效果,參見圖2。
4. 裁剪的應變補償
膜材裁剪時的應變補償值(預縮量)受許多因素影響,如膜材本身的雙軸拉伸性能、徐變性能、膜面應力水平、裁剪片的形狀及材料經緯方向、 結構尺度及支承方式、膜面熱合時的收縮情況、成型時的張拉難易程度等等。應變補償常以補償率的形式實施。嚴格說來,需根據膜材在特定應力比及應力水平下的 雙軸拉伸試驗結果,結合上述諸因素綜合確定應變補償率。
需要注意的是,膜材經、緯向的應變補償率通常是不同的,且不同的應力分區也應采用不同的補償率。大體上來說,常用聚氯乙烯(PVC )涂層覆蓋聚酯織物的應變補償率在0.5% 至0.8% ;而常用聚四氟乙烯(PTFE )涂層覆蓋玻璃纖維膜材的應變補償率經向為0.5% 至1.0% ,緯向在1.0% 至3.0%之間。
膜結構
、裁剪、應變補償、連接、加工除找形外,膜結構設計
的另一大特
點是需要進行裁剪設計,即在完成找形、荷載分析
和構件設計(含膜材、索、支 承鋼結構的設計等)并獲批準后,要購買膜材料,進行裁剪設計,加工制作膜面。本文將就膜結構加工制作階段的工作內容,如裁剪設計的原則、裁剪方法、膜材連接方法與接縫設計、裁剪加工圖、膜面制作工序與質量要求等!
放樣、排版與下料
放樣有自動放樣與手工放樣之分,取決于加工廠商的設備情況。自動放樣是將包含各膜片X、Y 坐標的數據文件輸入電腦,經排版、優化后打印在膜布上或直接由電腦控制的切割機將膜布裁剪成片。當采用手工放樣時,通常要先做出1:1 的紙樣,再將紙樣放置在膜布上排版,最后劃線、下料,參見圖5至圖8。手工放樣、下料的精度應控制在+/-2 mm 以內。
圖1 自動放樣 圖2 手工放樣
熱合試驗與焊接加工
在正式進行焊接加工前,需進行熱合試驗以便為熱合加工提供參數依據。試驗樣條的抗拉強度應不低于其母材強度的80%。在焊接加工過程中,也需定時試驗并記 錄結果,以便隨著環境溫、濕度的變化及加工部位的不同,隨時修正相關技術參數。
正式加工時,先將膜片在接縫處對齊,檢查膜材的正反面及接縫順序是否正確;清潔待焊區域;如為PVC 膜材拼接接縫放置“背貼條”,如為PTFE 膜材需在接縫處兩層膜片間放置EFP 條;根據熱合試驗所得到的參數進行加工。最后根據設計圖紙對邊角進行諸如埋繩、焊接穿鋼索的“褲子”(cable cuff)及補強處理。
熱合時宜采用張拉焊接(tension weld),即要對待焊區域的膜材施加一定的預張力,以減小因熱合造成的膜材收縮、改善張拉成型后焊縫處的應力狀態。圖9 及圖10 為一些常用的熱合設備。
圖1 用于PTFE 膜高溫熱合的設備
圖2用于PVC 膜材高頻焊接的設備
包裝
設計者需根據施工現場及安裝設備等情況,確定膜面的展開方向及折疊包裝的順序,加工好的膜面在兩面清洗后,按指定要求進行折疊包裝。為防止在膜表面留下明顯折痕,PTFE 成品膜在折疊時應襯入圓紙筒,ETFE 成品膜不能折疊,需放置在專用保護容器中。軟質包裝袋上應標識好展開方向,再加木箱包裝以方便運輸。
附件的設計與加工
與裁剪關系密切的附件設計主要包括用于膜角的膜節點板設計、連接件選用及邊索長度的確定等等。膜節點板的設計主要涉及形式、大小、角度、連接孔及安裝孔的位置及大小、板厚、膜與節點板的連接方式以及邊索與結節板的連接設計等內容。設計時,根據膜面形狀及膜角處的應力大小確定其基本幾何參數,驗算抗拉強度、 局部承壓及焊縫長度等等,并由此計算連接件及邊索長度。膜節點板應簡潔、角度準確、傳力順暢。膜節點板常用鋼板制作、熱鍍鋅處理或以不銹鋼材料制成。
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