、膜結(jié)構(gòu)與膜材料

  1.1 膜結(jié)構(gòu)概念、起源和發(fā)展

  膜結(jié)構(gòu)(Membrane Structure)，也即張拉膜結(jié)構(gòu)(Tesioned Membrane Structure)，是依靠膜材自身的張拉力和特殊的幾何形狀而構(gòu)成的穩(wěn)定的承力體系。膜只能承受拉力而不能受壓和彎曲，其曲面穩(wěn)定性是依靠互反向的曲率來(lái)保障，因此需制作成凹凸的空間曲面，故習(xí)慣上又稱(chēng)空間膜結(jié)構(gòu)。

  古老的膜結(jié)構(gòu)在公元前幾千年就已經(jīng)出現(xiàn)，最早是由天然枝條和獸皮搭成的帳篷(Pavilion)，然后發(fā)展到由鐵木和帆布制作成各種各樣的形狀。但是，從歐洲古羅馬帝國(guó)、中國(guó)漢朝時(shí)代到十九世紀(jì)末，膜結(jié)構(gòu)幾乎處于一個(gè)停滯發(fā)展的階段。直到第二次工業(yè)革命,化學(xué)工業(yè)和工程力學(xué)迅速發(fā)展，高分子合成材料技術(shù)得到大力改進(jìn)，膜材料擺脫茹毛飲血的狀況,現(xiàn)代膜結(jié)構(gòu)才開(kāi)始蓬勃發(fā)展。另外，兩次世界大戰(zhàn)也加快了膜結(jié)構(gòu)的發(fā)展。

  1917年美國(guó)蘭徹斯特建議利用新發(fā)明的電力鼓風(fēng)機(jī)將膜布吹脹，作野戰(zhàn)醫(yī)院，但沒(méi)有真正成為使用的產(chǎn)品。1946年，一位名為貝爾德的人為美國(guó)軍方做了一個(gè)直徑 15m圓形充氣的雷達(dá)罩，由此而衍生出了新的膜結(jié)構(gòu)工業(yè)產(chǎn)業(yè)。最受人注目的是1967年Frei Otto設(shè)計(jì)的加拿大蒙特利爾博覽會(huì)上的西德館，其以輕質(zhì)透明有機(jī)織片作為頂部結(jié)構(gòu)，開(kāi)了膜結(jié)構(gòu)商業(yè)化的先河。1970年日本大阪萬(wàn)國(guó)博覽會(huì)上一座氣承式膜結(jié)構(gòu)的擬橢圓形美國(guó)館（尺寸140×83.5m），首次采用了聚氯乙烯(PVC)涂層的玻璃纖維織物，這是世界上第一個(gè)大跨度的膜結(jié)構(gòu)。以后，膜結(jié)構(gòu)象雨后春筍，迅速發(fā)展。

  膜結(jié)構(gòu)的發(fā)展總是和膜材（Membrane Material）的進(jìn)步分不開(kāi)的，下面先介紹膜材料。

  1.2 膜材料的組成和分類(lèi)

  通俗地講，膜材就是氟塑料表面涂層與織物布基按照特定的工藝粘合在一起的薄膜材料。常用的氟素材料涂層有PTFE（聚四氟乙烯）、PVDF（聚偏氟乙烯）、PVC（聚氯乙烯）等。織物布基主要用聚酯長(zhǎng)絲（滌綸PES）和玻璃纖維有兩種。

  膜材的粘合就是將涂層與基材合二為一組成整體。建筑結(jié)構(gòu)所用的膜材大多是以壓延成型和涂刮成型的。所謂壓延成型，就是將選定的軟PVC經(jīng)塑煉后投入壓延機(jī)，按照所需厚度、寬度壓延成膜，立即與布基粘合，再經(jīng)過(guò)軋花、冷卻即可制得壓延膜材。而涂刮成型，則是將聚氯乙烯糊均勻地涂或刮在布基上，再加熱處理即可獲得涂刮膜材，普遍的是采用刮刀直接涂刮，也有采用輥式涂刮的。

  根據(jù)表面涂層(Coating)和織物基材(Layer)不同，膜材料分為三大類(lèi)。（1）A類(lèi)膜材是玻璃纖維布基上敷聚四氟乙烯樹(shù)脂(PTFE)，這種膜材的化學(xué)性能極其穩(wěn)定，露天使用壽命達(dá)25年以上，為不燃材料(通過(guò)A級(jí)防火測(cè)試)。(2) B類(lèi)膜材料是玻璃纖維布基上敷硅酮涂層，由于膜材自身性能欠佳，現(xiàn)在基本不再使用。(3 ) C類(lèi)型膜材料是聚酯長(zhǎng)絲布基上涂聚氯乙烯樹(shù)脂(PVC)，這種膜材受自然條件如日曬雨淋等影響較大，一般使用壽命為10年至15年，是難燃材料（(通過(guò)B1級(jí)防火測(cè)試)。

  1.3 膜材料的性質(zhì)

  膜作為繼木材、磚石、金屬、混凝土之后的第五代建筑結(jié)構(gòu)材料，具有顯著的自身特性。第一代木材和第三代鋼材拉壓性能均良好，第二代磚石和第四代混凝土則只具備良好的抗壓能力，作為第五代的膜材料則只能受拉，沒(méi)有承壓和抗彎曲能力，這是膜的最本質(zhì)的特征。具體地講，膜材的主要特征如下：

  （1）拉伸性能

  膜材的拉伸性能包括拉伸強(qiáng)度(Tensionn Strength)、拉伸模量(Modulus of Elasticity)和泊松比(Poisson’s Ratio)三個(gè)力學(xué)指標(biāo)。膜材本身不能受壓也不能抗彎，但具有很高的拉伸強(qiáng)度，所以要使膜結(jié)構(gòu)正常工作就必須引入預(yù)拉力、并形成互反曲面。通常膜材料的拉伸強(qiáng)度都可達(dá)100MPa以上。

  模材應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系是非線(xiàn)性的，一般采用切線(xiàn)模量作為彈性模量，膜材的彈性膜量約為鋼的1/3左右。膜材的泊松比，即橫向變形特征，約為0.2左右。由于膜是雙向受力結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)時(shí)必須以膜材的雙軸拉伸實(shí)驗(yàn)確定膜的彈性膜量及泊松比。

  （2）撕裂強(qiáng)度

  膜材是張拉結(jié)構(gòu)材料，其撕裂破壞比受拉破壞要嚴(yán)重很多，所以撕裂強(qiáng)度和抗撕裂性能非常重要。PVC涂覆聚酯長(zhǎng)絲織物具有中等的撕裂強(qiáng)度，PTFE涂覆玻璃纖維的材料具有較高的撕裂強(qiáng)度。

  （3）正交異向性

  張拉膜結(jié)構(gòu)曲面需要經(jīng)向和緯向兩個(gè)主軸方向反向曲率來(lái)保證，一個(gè)方向的曲率向下凹，另一個(gè)方向必須向上凸。傳統(tǒng)膜材基材是由經(jīng)﹑緯向紗線(xiàn)編織而成，因而呈現(xiàn)很強(qiáng)的正交異性性能，經(jīng)緯向變形能力相差達(dá)3-5倍之多。

  （4）蠕變和松弛

  蠕變和松弛是膜材的另一個(gè)重要特性，也是膜起皺和失效的重要原因，在裁剪分析和加工時(shí)需要考慮這個(gè)因素。聚酯長(zhǎng)絲織物在使用的頭十年里就會(huì)因?yàn)槿渥儐适?0%的預(yù)張拉力，相反，玻璃纖維織物要穩(wěn)定很多。

  （5）非力學(xué)性質(zhì)：安全方面的性