20膜结构中膜片间的连接构造

第!卷 第#期 建 筑 结 构$%年#月膜 结 构 中 膜 片 间 的 连 接 构 造张 婀 娜 王 高 宁 那 向 谦（ 清 华 大 学 土 木 系 北 京&%(） 提 要 膜 片 间 的 连 接 是 将 两 块 膜 材 连 接 在 一 起 。 基 于 对 膜 结 构 中 基 本 单 元 （ 膜 、 索 ） 的 认 识 ， 全 面 系 统 地 从 构造 原 则 及 受 力 原 理 上 介 绍 并 分 析 了 膜 片 间 连 接 的 各 种 典 型 节 点 ， 希 望 能 对 膜 结 构 的 设 计 和 应 用 有 所 帮 助 。 关 键 词 膜 片 间 连 接 缝 合 节 点 焊 接 节 点 粘 结 节 点 螺 栓 节 点 束 带 节 点 拉 链 节 点!#$%&(%)#*+,-.&/#,0)#%$)#+,-.&/#,1%&(%&,$)*+,-.,/0，1+,3,-，4+53+,（789+:;3?3.,8:3,-，*/+C,3?8:，&%(，*3,+）2.$%&/(%：B+:83,-0:8+,H0:8390:;+,;，=0:;*88I:+,8B;:/J;/:8/8,80+:J+9+,H;*8H/:+;*8L*08B;:/J;/:8-:8+;8*8N,0L8+,3;8I:+,8+,8，;8I:+,8B=:0;*8:8=00,:/8+,H0+:J+9+L+:83,;:0H/H+,+*3J*8/=0:;*8,H+993J+;30,0=8I:+,8B;:/J;/:85&6$：8I:+,8B；03,;；8；-/8；8；+；B;8,8:膜 片 间 的 连 接 ， 要 使 节 点 强 度 和 膜 材 强 度 接 近 ， 又要 使 两 者 的 延 伸 率 尽 量 达 到 一 致 。 此 外 ， 节 点 要 具 有防 水 性 ， 在 充 气 式 膜 结 构 中 ， 节 点 还 要 求 不 能 漏 气 。 膜节 点 可 分 为 永 久 节 点 和 可 拆 卸 节 点 。7缝 合 节 点缝 合 节 点 的 优 点 是 缝 具 有 灵 活 性 ， 可 以 根 据 实 际应 力 来 选 择 缝 线 的 类 型 、 缝 的 行 数 、 缝 脚 的 数 量 等 。 缝合 节 点 非 常 适 合 于 由 氟 塑 料 制 成 的 织 物 或 承 受 低 荷 载的 膜 材 ， 尤 其 在 不 能 采 用 其 它 连 接 方 法 （ 例 如 焊 接 ） 的膜 部 位 ， 主 要 采 用 缝 合 节 点 。 在 制 作 加 工 上 ， 缝 合 节 点是 最 经 济 的 膜 节 点 。 常 见 膜 片 缝 合 节 点 如 图&所 示 。图&缝 合 节 点 连 接 方 法为 了 尽 最 大 可 能 使 节 点 强 度 与 织 物 强 度 达 到 一致 ， 缝 合 节 点 处 的 膜 材 应 采 用 三 层 或 四 层 进 行 加 强 ， 这可 以 通 过 折 叠 膜 边 来 得 到 。 但 这 将 引 起 在 受 力 时 膜 片单 层 膜 和 节 点 处 双 层 膜 延 伸 率 的 不 同 。 在 力 学 性 质 受到 损 害 的 情 况 下 ， 此 区 域 将 会 表 现 出 极 低 的 抗 撕 裂 能力 。 一 些 调 查 表 明 ， 撕 裂 主 要 发 生 在 传 力 区 域 的 多 层缝 附 近 。 缝 合 区 域 的 疲 劳 强 度 对 整 个 建 筑 的 耐 久 性 起决 定 性 作 用 。 在 双 层 底 缝 情 况 下 ， 节 点 的 防 水 性 能 得到 了 保 证 ； 然 而 ， 抗 撕 裂 能 力 比 膜 材 自 身 又 差 了 很 多 。缝 合 节 点 的 设 计 包 括 缝 的 宽 度 、 条 数 和 缝 线 的 确定 。 缝 合 节 点 的 宽 度 取 决 于 以 下 四 个 方 面 ：&） 节 点 应力 （ 纵 向 、 横 向 或 双 向 ） ；$） 连 接 的 膜 材 （ 织 物 类 型 、 渗 透性 、 涂 层 类 型 ） ；!） 缝 线 （ 线 材 的 类 型 、 预 应 力 、 粗 糙 度 ） ；(） 加 工 方 法 。 在 较 高 的 拉 应 力 情 况 下 ， 加 宽 膜 节 点 有一 定 的 作 用 ， 但 效 果 有 限 ， 因 为 较 宽 边 的 外 缝 可 能 比 内缝 先 行 失 效 。缝 合 节 点 通 常 需 要$!(条 缝 ， 条 数 的 多 少 依 赖 于需 传 递 的 拉 应 力 和 缝 合 材 料 的 防 水 性 要 求 。 然 而 ， 为了 达 到 膜 材 强 度 的%P， 至 少 应 该 有 三 条 缝 线 。 专 门的 机 器 能 同 时 生 成&$条 缝 线 。 两 条 缝 线 之 间 的 距 离可 以 通 过 机 器 调 整 ， 幅 度 在!$之 间 。 单 条 缝 线适 用 于 两 条 膜 边 的 初 连 接 （ 预 固 定 ） 。缝 线 的 选 择 取 决 于 它 的 弹 性 强 度 和 延 伸 能 力 。 为了 通 过 缝 线 尽 量 均 匀 地 传 递 荷 载 ， 建 议 采 用 比 织 物 弹性 强 度 更 高 的 缝 线 。 从 变 形 的 角 度 来 说 ， 缝 线 在 织 物内 应 该 有 较 好 的 粘 结 ， 以 避 免 在 应 力 下 缝 合 节 点 的 过度 变 形 ， 同 时 又 必 须 允 许 变 形 。 因 此 ， 缝 线 的 延 伸 能 力应 该 与 织 物 在 不 同 应 力 下 的 延 伸 能 力 一 致 。8焊 接 节 点焊 接 节 点 是 在 节 点 处 覆 盖 单 层 或 双 层 膜 片 ， 通 过加 热 ， 使 覆 盖 膜 片 和 需 连 接 的 膜 片 的 涂 层 由 于 热 熔 焊接 在 一 起 。 几 种 常 见 的 焊 接 节 点 如 图$所 示 。 一 般 情况 下 ， 此 种 节 点 要 求 单 层 膜 焊 接 ， 可 以 防 止 焊 接 缝 和 膜块 间 的 应 力 集 中 和 延 性 差 异 ； 只 有 高 强 度 双 层 膜 材 是个 例 外 。 简 单 的 焊 接 节 点 只 有 一 种 标 准 的 安 装 即 单 面焊 ， 如 图$（+） 所 示 ； 复 杂 的 焊 接 技 术 可 以 采 取 多 种 形 式见 图$（I）!（8） ， 但 必 须 保 证 节 点 具 有 足 够 的 强 度 和 防水 能 力 。 在 受 力 状 态 下 ， 单 面 焊 对 焊 缝 和 膜 材 的 相 互#作 用 降 低 到 最 小 ， 因 为 没 有 不 连 贯 的 力 传 递 ， 这 点 要 优于 双 面 焊 。 然 而 ， 单 面 焊 的 延 伸 率 太 低 ， 会 降 低 纵 向 焊缝 节 点 的 抗 撕 裂 强 度 。 焊 接 节 点 的 宽 度 根 据 需 要 传 递的 应 力 、 所 选 的 膜 材 、 采 用 的 焊 接 类 型 来 确 定 。 与 缝 合节 点 类 似 ， 增 加 焊 缝 宽 度 的 效 果 不 是 很 明 显 。图!焊 接 节 点焊 接 节 点 的 控 制因 素 是 涂 层 和 织 物 间的 粘 结 和 焊 接 本 身 的质 量 。 焊 接 有 不 同 的形 式 ：） 热 气 焊 ， 即 两层 膜 边 互 相 搭 于 其 上的 涂 层 由 热 空 气 加 热 ，通 过 滚 筒 压 在 一 起 ， 进行 粘 接 ， 适 合 于#$%屋 顶 膜 材 、 帐 篷 ；!） 高 频 焊 ， 即 加 热 需 焊 接 的 膜 边 传 递区 域 ， 达 到 焊 接 要 求 的 温 度 ， 同 时 紧 压 在 一 起 ， 通 过 高频 域 中 的 焊 接 机 器 电 极 加 热 ， 适 合 于 聚 酯 #$%。焊 缝 的 纵 向 收 缩 应 引 起 足 够 的 注 意 。 对#&(涂层 膜 材 ， 收 缩 量 比 较 高 （!)*+） ， 因 此 ， 缝 在 焊 接 时 就应 施 加 预 应 力 。#$%涂 层 膜 材 ， 收 缩 量 比 较 低 ， 仅 对长 缝 有 较 明 显 的 影 响 。 对 于 将 会 存 在 的 永 久 收 缩 ， 在施 加 预 拉 力 时 就 需 考 虑 到 ， 并 预 留 出 来 。 这 种 情 况 下 ，所 有 的 缝 必 须 在 焊 接 前 进 行 预 张 拉 。 此 外 ， 节 点 防 紫外 线 的 性 能 、 温 度 、 湿 度 和 化 学 影 响 ， 都 随 涂 层 的 性 能而 变 化 ， 因 而 应 尽 量 保 护 节 点 的 涂 层 。 在 焊 接 的 过 程中 （ 如 热 气 焊 ） ， 接 缝 区 域 的 织 物 纤 维 由 于 反 复 加 热 同一 区 域 或 由 于 加 热 温 度 过 高 而 被 破 坏 。 由 于 织 物 和 涂层 之 间 的 连 接 被 破 坏 ， 焊 接 缝 的 质 量 也 同 时 会 降 低 。而 相 互 叠 合 部 分 通 过 光 （ 如 对 透 明 膜 ） 和 湿 气 （ 主 要 通过 裁 剪 边 浸 入 ） 也 会 被 破 坏 ， 这 将 影 响 节 点 的 耐 久 性 。!缝 合 和 焊 接 组 合 节 点在 需 要 现 场 焊 接 的 情 况 下 ， 因 为 无 法 使 用 工 厂 焊接 设 备 ， 暂 时 用 粗 针 将 膜 片 缝 合 ， 再 利 用 现 场 设 备 焊接 。 另 一 个 使 用 组 合 缝 的 原 因 是 混 合 荷 载 的 传 递 。 尤其 是 在 一 种 节 点 连 接 类 型 不 能 满 足 较 大 荷 载 传 递 的 情况 下 ， 例 如 ， 宽 大 于!, 接 缝 ， 或 在 高 温 （./0）不 安 全 的 荷 载 传 递 情 况 下 。 由 于 第 一 种 情 况 缝 合 更 多的 是 起 辅 助 作 用 ， 下 面 主 要 讨 论 第 二 种 情 况 。组 合 节 点 加 工 方 法 有 两 种 ： 先 缝 合 ， 再 焊 接 ； 先 焊接 ， 再 缝 合 。 如 采 用 第 一 种 方 法 ， 当 混 合 缝 受 力 时 ， 仅仅 当 焊 接 缝 自 身 不 能 再 承 受 荷 载 开 始 滑 移 时 ， 荷 载 的传 递 才 由 线 来 承 受 ； 即 节 点 传 力 是 交 错 传 力 ， 而 不 是 混合 传 力 。 由 于 焊 接 缝 的 强 度 比 缝 合 节 点 的 强 度 高 ， 尤其 是 在 混 合 缝 不 进 行 折 叠 的 加 工 过 程 中 ， 可 以 认 为 在焊 接 缝 失 效 后 ， 缝 合 缝 不 能 避 免 混 合 缝 的 局 部 或 全 部破 坏 。 考 虑 到 焊 接 缝 的 进 一 步 滑 移 会 暂 时 受 到 缝 合 线的 限 制 ， 破 裂 可 能 会 延 缓 ， 焊 接 缝 仍 有 残 留 的 强 度 。 此外 ， 在 高 温 下 ， 由 于 受 热 ， 焊 接 缝 开 始 滑 移 ， 这 时 缝 合 线将 发 挥 作 用 。 如 采 用 第 二 种 方 法 ， 织 物 中 的 线 是 受 力的 ， 可 以 认 为 是 混 合 传 力 。第 二 种 方 法 在 焊 接 后 ， 防 水 性 不 能 保 证 ， 要 求 采 取一 种 附 加 的 表 面 保 护 措 施 （ 如 用#$%或 氟 塑 料 条 覆 盖在 缝 上 ） 。除 了 特 殊 情 况 ， 膜 的 节 点 趋 向 于 使 用 一 种 连 接 技术 来 做 。 只 有 在 单 种 连 接 不 适 用 的 情 况 下 （ 大 多 是 较高 应 力 情 况 ） ， 才 采 用 混 合 缝 。 为 了 承 受 较 大 应 力 ， 在大 多 数 情 况 下 ， 混 合 缝 做 得 相 当 宽 ， 可 以 达 到!),-， 此时 焊 接 缝 有 好 几 条 缝 。 然 而 ， 一 些 专 家 更 倾 向 于 采 用较 窄 的 混 合 缝 代 替 焊 接 缝 ， 即 使 是 在 低 应 力 状 态 下 。粘 结 节 点粘 结 节 点 有 搭 接 、 单 层 或 双 覆 盖 膜 片 方 式 ， 在 下 面几 种 情 况 采 用 ：） 当 其 它 节 点 形 式 不 可 行 ， 或 与 粘 接 膜节 点 相 比 做 工 太 繁 琐 时 ；!） 对 于 作 为 次 要 用 途 的 热 塑性 塑 料 ， 例 如 ， 当 缝 的 强 度 不 是 重 要 因 素 时 或 在 现 场 维修 时 ；1） 对 于 不 可 焊 接 的 塑 料 或 合 成 橡 胶 ， 它 们 都 不 会在 分 解 的 温 度 下 熔 化 ；2） 对 于 无 涂 层 的 膜 材 ， 缝 合 的 费用 比 粘 结 高 ， 而 且 还 更 复 杂 。 有 两 种 不 同 的 方 法 来 构造 粘 结 节 点 ： 通 过 叠 合 节 点 或 通 过 平 接 缝 ， 额 外 加 覆 盖膜 条 。 其 双 层 覆 盖 膜 条 可 以 使 荷 载 对 称 传 递 ， 但 粘 结节 点 的 工 作 量 比 缝 合 和 焊 接 都 要 大 。对 于 膜 片 的 每 个 连 接 ， 粘 结 节 点 承 受 拉 伸 力 和 剪切 力 ， 通 过 粘 合 剂 或 化 学 分 解 熔 接 的 涂 层 来 传 递 。与 膜 材 的 强 度 相 比 ， 粘 结 节 点 承 受 荷 载 的 能 力 有限 ， 为 了 避 免 粘 结 层 的 偏 移 ， 需 要 较 大 的 宽 度 。 叠 合 的宽 度 或 覆 盖 膜 条 的 宽 度 ， 由 拉 伸 测 试 的 结 果 来 确 定 ， 应考 虑 到 短 期 强 度 和 抗 疲 劳 强 度 也 取 决 于 粘 合 剂 的 粘 结强 度 。 经 验 表 明 ， 节 点 强 度 受 到 生 态 （ 如 空 气 污 染 、 防紫 外 线 辐 射 、 潮 湿 的 变 化 ） 的 破 坏 。 缝 抵 抗 辐 射 、 温 度 、空 气 化 学 变 化 的 抗 疲 劳 强 度 ， 主 要 取 决 于 胶 的 质 量 。因 为 在 涂 层 熔 解 之 后 ， 没 有 任 何 物 质 存 留 在 节 点 中 ， 所以 在 用 熔 剂 焊 接 加 工 的 节 点 内 不 会 发 生 问 题 。 如 果 节点 受 力 上 未 超 载 ， 且 未 受 到 潮 气 的 影 响 ， 那 么 节 点 可 以和 膜 材 达 到 同 样 的 使 用 寿 命 。#螺 栓 节 点螺 栓 节 点 主 要 用 作 现 场 节 点 。 体 积 或 重 量 太 大 的膜 面 ， 可 以 在 工 厂 整 片 或 分 片 加 工 ， 然 后 在 现 场 螺 栓 节点 连 接 。 节 点 的 双 层 膜 套 通 过 卷 边 来 得 到 ， 其 它 构 造单 元 还 包 括 金 属 板 、 螺 栓 、 垫 圈 和 螺 栓 绳 ， 如 图1所 示 。金 属 板 采 用 的 材 料 主 要 是 铝 （ 电 镀 或 漆 涂 层 ） ， 也 可 用不 锈 钢 ， 形 状 和 尺 寸 由 实 际 情 况 确 定 。 螺 栓 和 螺 帽 一3/般 用 不 锈 钢 ， 也 可 采 用 镀 锌 钢 ， 螺 栓 之 间 的 距 离 取 决 于金 属 板 的 长 度 ， 通 常 每 对 板 用 两 个 螺 栓 固 定 。 用 于 螺栓 绳 的 材 料 取 决 于 膜 的 涂 层 类 型 和 可 传 递 的 拉 伸 强度 ， 大 多 数 情 况 下 ， 采 用!#单 纤 维 丝 ， 有 时 也 选 用 聚丙 烯 制 成 的 螺 栓 绳 。图$螺 栓 节 点 组 成螺 栓 节 点 中 ， 膜 拉 力 主 要 由 膜 包 覆 的 螺 栓 绳 承 受 ，螺 栓 绳 固 定 在 配 件 板 的 两 端 ； 金 属 板 的 压 紧 ， 可 以 使 一部 分 力 通 过 摩 擦 来 传 递 。由 于 螺 栓 节 点 采 取 金 属 配 件 ， 使 得 膜 结 构 出 现 了不 连 续 性 ； 因 此 ， 使 用 过 程 中 的 副 作 用 难 以 避 免 ， 例 如由 伸 长 率 不 均 和 防 水 性 不 足 造 成 的 后 果 。 节 点 纵 向 的伸 长 率 过 低 ， 将 会 引 起 膜 曲 面 平 行 于 节 点 移 动 ； 且 会 降低 膜 材 的 长 期 强 度 。 这 种 现 象 在 刚 性 边 界 的 每 一 个 连续 的 固 紧 过 程 中 都 能 够 发 生 ， 应 该 引 起 足 够 的 注 意 。若 金 属 板 边 不 是 圆 滑 的 ， 在 螺 栓 绳 边 处 将 直 接 破坏 膜 材 ， 随 之 就 会 发 生 撕 裂 和 开 孔 。 所 有 边 均 圆 滑 的金 属 板 最 有 可 能 满 足 荷 载 传 递 的 要 求 ， 但 由 于 造 价 较高 ， 几 乎 没 有 使 用 。 鉴 于 此 ， 通 过 金 属 板 四 角 圆 滑 过渡 ， 并 另 加 一 块 膜 条 作 为 垫 层 ， 可 以 得 到 安 全 、 持 久 的构 造 。 膜 条 承 受 压 力 ， 起 隔 振 作 用 。 隔 振 作 用 还 可 以由 弹 簧 垫 圈 来 取 得 ， 见 图$（%） 。 但 是 ， 存 在 一 个 问 题 ，就 是 每 块 板 的 长 度 。 原 则 上 ， 可 以 假 定 曲 率 越 小 ， 板 越长 ； 但 是 ， 为 了 保 证 足 够 的 弹 性 ， 板 也 不 能 过 长 。 而 某些 建 筑 的 曲 率 是 变 化 的 ， 应 采 用 短 板 作 为 安 全 保 证 。!束 带 节 点束 带 节 点 包 括 ： 膜 边 界 、 垫 圈 、 系 带 、 覆 盖 膜 片 等 。 膜边 界 是 双 层 的 ， 通 过 膜 材 环 包 螺 栓 绳 而 形 成 。 垫 圈 缠 绕在 双 层 膜 条 上 ， 靠 近 螺 栓 绳 ， 可 以 采 用 金 属 或 合 成 纤 维 制成 的 垫 圈 ， 一 般 为 圆 形 ， 很 少 采 用 椭 圆 形 。 系 带 由 防 紫 外线 的 单 纤 维 丝 制 成 ， 并 不 扭 成 螺 旋 形 。 覆 盖 膜 片 缝 合 或焊 接 于 较 高 位 置 的 膜 材 上 。 节 点 构 成 如 图&所 示 。图&束 带 节 点在 荷 载 作 用 下 ， 膜 上 的 拉 力 从 一 块 膜 片 传 向 另 一块 膜 片 ， 经 由 下 列 部 分 ： 膜!螺 栓 绳!垫 圈!绳 索!垫圈!螺 栓 绳!膜 。 膜 上 的 荷 载 先 由 螺 栓 绳 承 担 ， 再 传递 给 垫 圈 ， 以 避 免 垫 圈 附 近 的 膜 出 现 应 力 集 中 。 因 此 ，垫 圈 应 该 在 螺 栓 绳 旁 边 布 置 。束 带 节 点 的 优 点 在 于 安 装 时 便 于 调 整 形 状 ， 根 据情 况 增 减 拉 应 力 。 其 缺 点 在 于 大 量 的 人 工 将 消 耗 于 扎紧 和 放 松 系 带 上 。 另 外 ， 这 种 节 点 的 优 点 还 在 于 弹 性大 ， 从 而 纵 向 可 移 动 性 大 ， 因 此 能 够 补 偿 膜 和 节 点 之 间引 起 的 相 互 作 用 ， 否 则 这 种 作 用 可 能 会 引 起 超 载 。随 着 拉 紧 或 放 松 绳 索 ， 束 带 节 点 的 宽 度 也 在 变 化 。这 种 变 化 可 以 为 不 精 确 的 裁 剪 作 补 偿 。 更 重 要 的 是 预应 力 可 以 逐 步 加 到 结 构 上 。 而 且 ， 膜 内 永 久 预 应 力 的连 续 提 高 或 降 低 都 可 以 通 过 束 带 节 点 得 到 。 然 而 ， 这仅 适 用 于 低 预 应 力 的 膜 。 另 外 ， 这 种 节 点 可 能 导 致 张紧 的 失 败 。 应 力 不 同 造 成 的 伸 长 可 由 膜 和 束 带 节 点 进行 补 偿 ， 因 为 束 带 节 点 的 弹 性 防 止 了 膜 和 束 带 节 点 之间 的 应 力 集 中 。 如 果 束 带 节 点 不 作 为 现 场 节 点 进 行 张紧 ， 那 么 它 将 会 靠 拢 ， 也 就 是 说 ， 连 接 膜 片 的 螺 栓 绳 将会 向 彼 此 靠 拢 。束 带 节 点 的 膜 上 环 孔 的 抗 撕 裂 能 力 是 其 强 度 的 一项 重 要 指 标 。 大 多 数 情 况 下 ， 它 的 抗 撕 裂 能 力 很 低 ， 不足 以 防 止 受 拉 时 环 孔 周 边 向 外 挤 压 。 决 定 束 带 节 点 防水 性 能 的 决 定 因 素 是 束 带 上 膜 条 的 精 确 安 装 ， 其 耐 久性 主 要 由 绳 索 抗 紫 外 线 辐 射 的 能 力