充气膜结构的内压设定与设备设计初步

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1、第七届全同现代结构1程学术研讨会充气膜结构的内压设定与设备设计初步+王珏‘吴明儿1罗晋2张其林1(1．同济大学建筑工程系．上海200092：2迈进工程世计各御(上海)有限公司，上海舯0。31)摘要：充气膜结构是一种特殊的膜结构形式，它利用内外的气压差使膜面张紧以抵抗外部荷载。甲在上世纪六十年代，国外就开始对这类结{勾进行研究和应用，并制定了相关规范。本文主要参考国外有关规范和研究资料、并进行了相蔗菹验，肘充气膜结构的内压设定基本方法、{殳备设计中充气设备的设计要点进行归纳总结-关键词：充气膜结构，内压，设备，漏气量一、弓l言充气膜结构按照形态可分为荦

2、层充气膜结构、双层充气膜结构和管式充气膜结构三种形式(图1)。按照工作原理又可分为气承式充气膜结构和气胀式充气膜结构。气承式充气膜结构采用密闭的室内空间，利用室内外的气压差使膜面张紧以抵抗外部荷载，单层充气膜即属于此类；气胀式充气膜结构则采用开放的室内空间，通过在膜面形成的密闭空问中充气使膜面张紧以获得抵抗外部荷载所需的张力，管式充气膜、双层充气膜以及气枕结构均属于此类。＆们铲邋．盎单层充气膜管式充气膜双层充气膜图1充气膜结构的种类气承式充气膜结构的内压比气胀式充气膜结构所要求的内压要小得多．更容易形成大跨度的内部空间，加上其简洁的屋面形式、低廉的造

3、价和施工的便利性，在上世纪六十年代到八十年代得到广为建造⋯。九十年代以后，大规模永久性气承式充膜结构因R常维护的复杂性已很少建造：但是，对于那些要求建造迅速、造价低廉的大型临时性建筑，气承式充气膜结构仍然具有很好的应用价值。气胀式充气膜结构很好的克服了气承式充气膜结构室内外空间割断以及需要不闻断大流量供气的不足，并极大程度上继承丁气承式充气膜结构的优点。随着2006年德国安联体育场以及2008国家游泳中心一一，水立方”的建成，气胀式充气膜结构形式正逐渐受到建筑师的青睐。内压的设定和维持是充气膜结构的关键技术。内压设定要考虑结构在正常使用时强风条件下的

4、稳定性以及在暴风等极端恶劣气候条件下的安全性等：内压维持系统是为保证结构成立不发生瘪塌而提供足够内压的一整套系统，它通常由送风设备、监测设备、控制系统以及备用系统等组成。充气膜结构技术在国外已经有较长时期的发展，拥有比较详细的设计规范，例如日本规范”’、加拿大规范“’和IAss设计指南“’。日本在上世纪八十年代对充气膜结构进行了细致的研究·1988年建成的跨度达200m的东京穹顶至今还在正常使用“’。我国曾经对充气膜结构有过一些尝试，但到技术积累不足⋯’。+上海市浦江人材计划资助项目(05PJl4091)蚰口工业建筑2007增刊第七届全倒现代结构工程

5、学术研讨会二、内压设定充气膜结构的内压应随结构所受荷载的不同而采用相应的数值以维持结构的稳定形态。通常情况下，根据使用状态和气候条件按正常工作时内压、暴风时内压和积雪时内压进行分段设定。气胀式充气膜结构和气承式充气膜结构的内压设定方法基本相同，由于气胀式充气膜结构在膜面形成的密伢}空间内充气，内压较气承式充气膜结构可适当升高。(一)正常工作时内压正常工作时内压是指充气膜结构在正常使用时的内压。正常工作时内压应满足以下要求：①在屋面自重及悬挂物自重下膜面应保持稳定形状；②初始降雪时以及没有达到暴风等级的强风时膜面不戍发生很大变形；③大雨时膜面不发生局部

6、积水。日本规范规定了正常工作时内压应大于200Pa口J；加拿大规范则规定了当结构的矢跨比大于0．25时昂小内压应取按风压计算所得值和380Pa两者中的较大值，当矢跨比小于或等于0．25时最小内压则可取与上述相比稍小的内压”’。作为低矢跨比气承式膜结构的代表建筑，1970年大阪世博会美国馆的『F常工作时内压为270Pa，东京穹顶为300Pa；采用ETFE气枕结构的国家游泳中心的每个气枕正常工怍时内压按气枕尺寸的小同约在300．500Pa问”’。(二)暴风时内压矢跨比较大。或者形状比较复杂的结构，风茼载下膜面会出现局部正压区域。除非正压区域很小，内压的设

7、定应大于风的最大正压，以防止膜面出现大血积的褶皱和很大的变形。暴风时内压可参考下式选用％p．≥cq式中p。为暴风时最小内压，c为最大正压体型系数，q为风压设计值(不含体型系数)。对于复杂形状的屋面。应根据风洞试验等得到最大正压体型系数c，对于球形和圆筒形的屋面，各国标准给出了大致相I司的系数，表1是日本的取值”’。表l最大正压体型系数矢跨比“-球形圆筒形o-76LO0．8O．50O．70．60．375O．60．5袭中；h为球形或圆筒形建筑物高度．-为宽度。当膜屋面的矢跨比较大时，膜面上会出现较大的正压区域，为保证膜面的整体稳定，避免出现大变形，必须提

8、高内压；对于矢跨比较小的充气膜结构，风荷载对膜面的作用主要是吸弓I，因此膜面不会发生下凹现象并能保持较为稳定