插件由不銹鋼材料進(jìn)行機(jī)械加工而成，主要在梁－梁、梁－柱連接節(jié)點(diǎn)處使用，作為梁－梁、梁－柱連接間的橋梁。由于不銹鋼的各種力學(xué)性能均比鋁合金的高、插件與鋁合金構(gòu)件連接時(shí)在連接處具備一定的連接長度，并且在梁柱等連接部位還用不銹鋼蓋板進(jìn)行了加強(qiáng)，保證了連接節(jié)點(diǎn)的受力性能（圖6、圖7）。
（三）支撐布置
為保證展示廳結(jié)構(gòu)的橫、縱向水平剛度及空間整體性，在柱與柱之間（除結(jié)構(gòu)一側(cè)出入口處）設(shè)置了柱間支撐，并在兩側(cè)山墻處斜梁之間、跨中斜梁之間設(shè)置了撐桿。
柱間支撐屬柔性支撐，由兩條鋁板交叉布置，每道撐桿由兩條分別固定在斜梁兩側(cè)的鋁板構(gòu)成，鋁板間布置適量墊塊并用螺栓夾緊，使兩塊鋁板協(xié)同工作。
各種支撐的布置加上作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)的鋁合金欄桿的輔助作用，使結(jié)構(gòu)各向剛度增大，保證了整體穩(wěn)定性。
（四）受力分析
結(jié)構(gòu)主要受結(jié)構(gòu)自重、枕式結(jié)構(gòu)膜面對周圍鋁合金構(gòu)件的拉力兩類力的作用，其中前者因鋁合金和ETFE膜材自身輕質(zhì)的特點(diǎn)相比后者對結(jié)構(gòu)的作用可忽略不計(jì)；由于鋁合金材料的彈性模量較低，僅為鋼材彈性模量的1/3，作用在梁上的外力易造成較大的撓度，不利于結(jié)構(gòu)承載并可使ETFE膜面產(chǎn)生褶皺，應(yīng)予避免，故膜面產(chǎn)生的拉力是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需應(yīng)主要考慮的作用力。
膜面產(chǎn)生的拉力作用在枕式結(jié)構(gòu)四周的鋁合金構(gòu)件上，其中屋脊和位于兩塊枕式結(jié)構(gòu)間的斜梁均同時(shí)受到兩側(cè)膜面拉力作用，因此只需驗(yàn)算山墻處斜梁和各水平梁的最大撓度。山墻處斜梁和水平梁的截面及梁長一樣、所受作用力亦相同，梁端節(jié)點(diǎn)均有不銹鋼插件連接的約束，可視為半剛性連接。ETFE枕式結(jié)構(gòu)中，膜材厚度為0.2mm，上、下共兩層膜，計(jì)算變形時(shí)假設(shè)膜面應(yīng)力為10MPa，則作用在鋁合金構(gòu)件上的均布拉力為4kN/m。假定梁端鉸接，計(jì)算得到梁跨中撓度為7.189mm（L/270），符合規(guī)范（4）要求。
四、雙層ETFE氣枕設(shè)計(jì)
（一）結(jié)構(gòu)原理
氣枕結(jié)構(gòu)是充氣膜的一種，由雙層或雙層以上薄膜組成，通過在膜層之間充入一定內(nèi)壓的空氣，使膜面張緊從而抵抗外載。與氣承式充氣膜結(jié)構(gòu)一樣，大型ETFE氣枕結(jié)構(gòu)的內(nèi)壓也分成正常工作內(nèi)壓、暴風(fēng)時(shí)和降雪時(shí)內(nèi)壓等，并通過傳感器、控制系統(tǒng)、送風(fēng)系統(tǒng)對內(nèi)壓進(jìn)行全天候監(jiān)控。氣枕結(jié)構(gòu)是全封閉的，內(nèi)壓一般比氣承式的高，但氣枕結(jié)構(gòu)漏氣量少，充氣能耗較低。
（二）膜面設(shè)計(jì)
膜面設(shè)計(jì)包含膜面的找形分析、應(yīng)力分析、裁剪分析和連接設(shè)計(jì)。膜面的裁剪分析方法與一般膜結(jié)構(gòu)是一樣的，這里不再贅述。
充氣膜的找形分析是尋找內(nèi)壓與膜面預(yù)張力的平衡曲面。給定正常工作內(nèi)壓，膜面預(yù)張力,通過有限元計(jì)算得到平衡曲面，比較平衡曲面與設(shè)計(jì)要求曲面（例如矢跨比），調(diào)整膜面預(yù)張力直至平衡曲面滿足設(shè)計(jì)要求。若調(diào)整后的正常內(nèi)壓下的預(yù)張力過小或過大，則需綜合分析，修正正常工作內(nèi)壓或設(shè)計(jì)方案。本論文利用自行開發(fā)的程序進(jìn)行氣枕的找形和應(yīng)力分析(5)。本雙層ETFE氣枕找形分析時(shí)正常工作內(nèi)壓取400Pa，膜面預(yù)張力取3MPa，得到矢跨比為1/10的膜面形狀（圖8）。
本論文對ETFE薄膜進(jìn)行單向拉伸試驗(yàn)，測得ETFE薄膜的屈服強(qiáng)度、彈性模量和泊松比。應(yīng)力分析時(shí)考慮ETFE薄膜為各向同性材料，彈性模量為750MPa，泊松比為0.45，屈服強(qiáng)度為15.3MPa。本實(shí)驗(yàn)展示廳為臨時(shí)設(shè)施，只進(jìn)行了簡單的應(yīng)力計(jì)算，設(shè)定全膜面一致的風(fēng)荷載700N/m2（風(fēng)吸）和雪荷載100N/m2，風(fēng)荷載和雪荷載僅作用于上層膜面，且假定風(fēng)荷載和雪荷載下氣枕內(nèi)壓仍然為400Pa。計(jì)算結(jié)果顯示風(fēng)荷載下膜面最大應(yīng)力為8.43MPa，膜面不會積雪。
ETFE薄膜在60℃以上時(shí)材料蠕變較大。ETFE薄膜透光性極高，不會因吸收太陽光產(chǎn)生高溫，但固定邊界等連接部通常為金屬材料，易產(chǎn)生高溫導(dǎo)致ETFE薄膜變形。因此連接設(shè)計(jì)在防止漏氣以外，還應(yīng)防止連接處的ETFE薄膜溫度過高。本氣枕的邊界連接采用鋁合金材料，并用橡膠墊片進(jìn)行絕熱（圖9）。
（三）充氣設(shè)備
實(shí)驗(yàn)展示廳采用氣枕的體積小、數(shù)量少、氣密好，氣枕在正常工作氣壓下漏氣量少。一般的微型氣泵商品可以提供高氣壓（約2500Pa）、低流量（約15L/min）的氣流，體積微小，移動方便，既能滿足為氣枕充氣的需要又易于控制，可隨用隨充，按需補(bǔ)壓，是本展示廳的理想充氣設(shè)備。
五、彈簧支撐ETFE枕式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
（一）結(jié)構(gòu)原理
圖10為展示廳采用的彈簧支撐ETFE枕式結(jié)構(gòu)原理圖。上下兩層ETFE薄膜周邊固定于鋁合金框架上，薄膜中央套筒和頂桿相連，壓縮的彈簧安裝于套筒中，通過頂桿將上下膜面張緊。彈簧的變形量可以通過調(diào)節(jié)螺栓調(diào)整，在膜面安裝和日后膜面再張緊時(shí)進(jìn)行。
受壓的彈簧可以追隨膜面可能發(fā)生的松弛和變形，從而使膜面保持張緊狀態(tài)，同時(shí)膜面還可以通過調(diào)整螺栓進(jìn)行再張緊。彈簧支撐ETFE枕式結(jié)構(gòu)省略了氣枕的充氣系統(tǒng)，不存在漏氣隱患，對薄膜結(jié)構(gòu)的密封要求也大大降低。
（二）膜面設(shè)計(jì)
膜面周邊的連接采用與氣枕膜完全相同的方法，膜面與套筒和頂桿通過壓板進(jìn)行連接。
彈簧支撐ETFE枕式結(jié)構(gòu)由柔性的膜面和彈簧以及剛性的邊界、壓板和套筒（頂桿）組成。結(jié)構(gòu)分析時(shí)將膜面和彈簧作為柔性體、圓盤和套筒（頂桿）作為剛性體，將結(jié)構(gòu)作為整體進(jìn)行分析，利用自行開發(fā)的有限元程序進(jìn)行找形分析和應(yīng)力分析(5-7)。膜面找形分析時(shí)，按膜面矢高比為1/10、膜面初張力為5MPa為條件，確定彈簧的預(yù)壓力為0.48kN，得到圖11所示的膜面形狀。
應(yīng)力分析時(shí)，可根據(jù)荷載規(guī)范確定風(fēng)荷載和雪荷載進(jìn)行應(yīng)力和變形計(jì)算，計(jì)算結(jié)果應(yīng)保證膜面應(yīng)力不超過ETFE薄膜強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，膜面不易產(chǎn)生積雪。本實(shí)驗(yàn)展示廳為臨時(shí)設(shè)施，與氣枕相同，設(shè)定全膜面一致的風(fēng)荷載700N/m2（風(fēng)吸）和雪荷載100N/m2，風(fēng)荷載和雪荷載僅作用于上層膜面。計(jì)算結(jié)果顯示風(fēng)荷載下膜面最大應(yīng)力為12.82MPa，膜面不會積雪。
（三）彈簧設(shè)計(jì)
彈簧為膜面提供預(yù)張力，同時(shí)彈簧應(yīng)具有合理剛度使膜面不會發(fā)生很大變形。彈簧的預(yù)壓力由找形分析過程確定，為了使彈簧具有追隨膜面松弛變形以及風(fēng)荷載（風(fēng)吸）變形的能力，彈簧在預(yù)壓力下應(yīng)具有足夠的壓縮量，即彈簧的剛度不應(yīng)過大。但彈簧剛度太小會使上層膜面在雪載下產(chǎn)生很大變形，因此彈簧的剛度也不能過小。由此可確定彈簧剛度的合理范圍，再根據(jù)彈簧的最大受力，確定彈簧的幾何參數(shù)（8）。
展示廳的彈簧采用市販規(guī)格品，彈性系數(shù)為58N/mm，初始壓縮量為8.3mm，風(fēng)吸時(shí)（700N/m2）彈簧的壓縮量減小為3.5mm。
六、制作與安裝
在各部件加工完成后，展示廳進(jìn)行預(yù)拼裝，以檢驗(yàn)構(gòu)件加工及結(jié)構(gòu)安裝的正確性。預(yù)拼裝包括鋁合金主體結(jié)構(gòu)及部分ETFE薄膜屋面等的安裝（圖12、13）。
通過檢查，實(shí)驗(yàn)展示廳各構(gòu)件的制作基本達(dá)到了要求，結(jié)構(gòu)安裝簡單、高效，整個(gè)結(jié)構(gòu)輕巧、美觀，基本達(dá)到了設(shè)計(jì)預(yù)想的目標(biāo)。
七、結(jié)論
鋁合金、ETFE薄膜是近幾年發(fā)展起來并開始使用的新型建筑材料，相關(guān)規(guī)范也將相繼頒布實(shí)施。本實(shí)驗(yàn)展示廳采用鋁合金結(jié)構(gòu)作為結(jié)構(gòu)主體，通過設(shè)計(jì)合理的構(gòu)件截面、插件進(jìn)行連接；采用ETFE薄膜枕式結(jié)構(gòu)作為屋面，其中的彈簧支撐枕式結(jié)構(gòu)首次在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中采用，也是對枕式膜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的有益嘗試。
本論文設(shè)計(jì)、制作的ETFE屋蓋鋁合金實(shí)驗(yàn)展示廳外形美觀、受力合理、施工簡便，作為易拆卸、可重復(fù)安裝使用的臨時(shí)性建筑的可選形式，具有良好的應(yīng)用價(jià)值和前景。
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