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膜结构在混凝土模板中的应用

发布时间:2020年7月8日 点击数:2787

膜结构是21世纪具有代表性的建筑结构形式之一,为现代空间结构体系和建筑设计提供了较大发展空间。优秀的膜结构强度高、柔韧性好,同时厚度小、质量轻,防火性、耐久性、气密性均较强[1],可单层、多层或充气使用,可较好地保持曲面结构。在建筑领域中既可作为结构材料又可作为模板材料,充分发挥其抗拉强度高的特性。其透水不透浆的特性,作为模板时可提高模注混凝土强度,且适用于规模大或狭窄的施工场地。膜材优良的物理性能及化学性能支撑着膜结构的设计,性能优异的新型膜材的研发带动着膜结构在混凝土模板中的应用日渐广泛。

1 膜结构

膜结构区别于传统刚性结构,是由柔性膜材料为主体组成的结构。膜材是由基材和涂层组合而成的一种涂层织物,增强纤维材料编织而成的基材决定其是否具有优良的力学性能,涂层则保证着材料的气密性、自洁性,并在一定范围内保护并支撑纤维,将附加在上面的荷载均匀地进行传递[2]。膜结构随着膜材的不断发展,集建筑技术、材料工艺、设备管理技术等为一体,成为当今结构的重要分支[3]

早期的膜结构由帐篷结构演变发展而来[4],在发展初期这种结构最明显的优点是不采用任何金属、塑料等硬质杆件,可在最大程度上避免因杆件破损导致内部物质受到损伤或破坏。发展至今,由于其具有包装后体积较小,且包装后形状较为规则,便于储存与运输;对施工空间要求较少,需要的设备与仪器简便;部分膜结构采用充、排气设备,无需支护结构或需少量支护结构,施工便捷,空间利用率高;有相对较少的单位面积造价等优点,逐渐应用于混凝土模板中。

2 膜结构在混凝土模板中的应用及优势

发展初期的膜结构被用于搭设临时性军用建筑[5,6],随着研究的不断深入逐渐被用于各种临时展览馆、仓库的建造。时至今日膜结构已广泛应用于各个领域,生活领域中各类体育场馆的建设[7],军事领域中的临时急救站、医疗仓库、临时指挥部等,随着航空航天技术的不断发展也有学者正在研究如何使用膜结构构建大型的月球居住结构[8]

现如今膜结构因其造价低、形状可变、施工简便、易运输等优势逐渐被运用于混凝土模板中,多位专家学者对其进行研究,旨在将其运用于更多领域的现浇混凝土工程中。柔模混凝土作为一种新型组合结构,有着普通混凝土无法比拟的优点,可应用于土坡开挖、基坑支护、边坡加固等工程,也可用于铁路加固、房屋软基础加固、挡土墙加固[9],桥梁混凝土柱与地下工程等。在边坡治理方面,柔模混凝土支护被用于基坑开挖以及边坡稳定,是一种新型的支护挡土结构同时也是一项国际上非常先进的边坡治理技术,适用于开挖规模大或者施工场地狭窄的工程[10]。其优势在于柔性模板透水不透浆,可增大现浇混凝土的密度与强度;柔性模板面积大且整体性良好,可针对工程需要制作不同形状、尺寸、厚度的模板,制作速度快、用料少、施工便利。在地下工程的支护方面,柔模混凝土的研究处于起步阶段,主要是其在沿空留巷中的研究与应用(见图1)。柔模混凝土用于加固围岩并与围岩形成整体,不仅能对围岩起到加固作用同时会与围岩组成一个整体,共同承受位移与变形,维护巷道稳定[11]。在基坑支护领域柔模混凝土支护技术也是一项新技术,利用柔性模板制成的混凝土挡土墙抗渗透力强,支护强度大、效果好,架设简单方便,工程实用效果良好。膜材亦可制作成充气膜结构用于浇筑曲面较多的混凝土结构或需水上浇筑的结构,如浮式风电的基础部分(见图2),克服传统模板曲面拼装率低、运输困难、支护结构多、水中施工难度大、造价高等问题,浇筑完成后不进行拆除还可以为结构提供浮力,有很大的应用前景。

图1 膜结构在沿空留巷中的应用

图1 膜结构在沿空留巷中的应用  下载原图

图2 膜结构在水上工程中的应用

图2 膜结构在水上工程中的应用  下载原图

3 存在的问题

膜结构作为混凝土模板时多与现浇混凝土结合成为柔模混凝土使用,存在较为独特的优点,柔模混凝土刚度大,膜结构本身易于保持曲面,更加适用于曲面结构,且膜结构是柔性结构体系,由于膜材特殊的结构特性的限制,在使用时存在一些难以完善处理的问题,其中最突出的是变形问题。当膜结构用于混凝土充气模板时,变形问题对浇筑出的结构尺寸影响大,柔性结构易发生变形,过大的变形会使膜材破裂,使结构丧失承载力失去原有工作性能[12],因此需要建立一个合理的膜结构体系或研发刚度更大的新型膜材来解决以上问题,例如可在充气膜结构中增加拉筋,用于控制浇筑出的混凝土尺寸,可增加加强带与加筋绳用于提高柔性膜材的抗拉强度,或是将充气膜结构划分成多室结构,减小单一充气膜结构的体积等。

4 结语

膜结构特殊的材料性能使其在施工场地狭窄、开挖规模大或水上施工等施工条件下更适宜用作混凝土模板,膜结构混凝土模板施工难度低、耗材量小等优点也给工程带来了更大的效益。但其变形问题是未来还需面对的最主要问题,一方面要进行新型膜材的研发以从材料本身解决刚度不足的问题,另一方面需要建立合理的膜结构体系,在材料自身性能不足的情况下增加部分构件使其达到使用要求。

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