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建筑膜材的强度性能及连接技术论文
【关键词】：膜材; 建筑材料
【摘要】薄膜结构是近几十年国际上正在研究并逐渐发展的一种新型空间结构，是一种效率极高的张力集成体系，可以充分发挥钢索的强度与张拉整体结构的空间作用，现代的薄膜材料已具有防水、透光、阻燃、化学和机械性能稳定等优点。
薄膜结构一经问世便以其新颖的造型、巧妙的构思、经济的造价得到青睐，并成功地应用于体育场馆；娱乐商业中心、展览馆、候机大厅等大跨度建筑物中，被誉称为“21世纪的建筑”。薄膜结构以建筑织物——膜材为张拉主体，由于材料自身性能的改善，现代的薄膜材料已具有防水、透光、阻燃、化学和机械性能稳定等优点。
1. 薄膜材料的材料性能
薄膜材料一般由两部分组成：基布(编织物)和涂层。材料的强度和弹性性能主要取决于基布，而进一步的性能如防火、防水、抗紫外线侵蚀以及对机械、化学等因素的不敏感性都必须依靠涂层来加强。
1.1 基布材料
大部分基布的编织方向呈直角，亦可有所偏移，属于各向异性材料。在编织过程中，经线拉得较紧，柔性较纬线差。基布材料主要有聚酰胺、聚酯纤维、玻璃纤维、芳酰胺纤维。
1.1.1 聚酰胺
聚酰胺一般称为尼龙，其耐磨性、强度较高，能耐低浓度酸，耐强碱，但易吸湿，其电性质和机械性能会受到吸湿的影响而降低。如果温度较高，可能发生氧化而变黄、变脆。此外，聚酰胺抗紫外线能力较弱，强烈的阳光照射会降低它的强度。
1.1.2 聚酯纤维
聚酯纤维一般称为涤纶，与聚酰胺相比，其抗拉强度较低，抗紫外线能力稍强，不易吸湿，因此尺度稳定性好，价格较便宜，应用较广泛，可用于一般性的膜结构建筑物中。
1.1.3 玻璃纤维
玻璃纤维由各种金属氧化物的硅酸盐类经熔融后抽丝制成。玻璃纤维拉伸强度高，耐水，耐腐蚀，化学稳定性好。但一般玻璃纤维耐酸性好，耐碱性却较差。依据玻璃成分的改变可以制得有各种特殊性能的玻璃纤维，如耐高温、优良电性能、耐酸碱、抗拉强度高和刚性大以及吸收有害射线耐老化等。玻璃纤维也有一些不足之处，如易脆裂，在荷载条件下伸缩性很小，裁剪精确度要求很高，其强度因表面缺陷而削弱，因此在加工使用过程中需采取保护性措施。由玻璃纤维制成的膜材通常用于永久性建筑中。
1.1.4 芳酰胺纤维
芳酰胺纤维是一种优良的有机纤维，比玻璃纤维质量更轻、刚性更大、强度更高，密度小，有良好的电性能和绝热性能，更能吸收机械振动和声音的振动。具有低的蠕变性和高的抗冲击性，极低的缺口敏感性和优良的抗蠕变断裂性。
1.2 涂层材料
1.2.1 有机硅树脂
有机硅树脂是高分子量的半有机聚合物，具有优异的耐高温、耐低温、憎水、防潮、电绝缘、耐辐射、氧化稳定等特性，常用作玻璃纤维的涂层，其抗拉强度和弹性模量较高，具有很好的透光性。
1.2.2 聚氨酯树脂
聚氨酯树脂是一种较新的聚合物，具有良好的粘合性，涂层光泽度高，耐磨、耐候性好。有良好的耐化学性、电绝缘性质，弹性好，透气性低。但是由于其耐水解、蒸汽和高温性不良且价格较贵，所以采用不多。
1.2.3 合成橡胶涂层。
合成橡胶(如丁腈橡胶、氯丁橡胶)韧性好，对阳光、臭氧、热老化稳定，且具有突出的耐磨损性、耐化学性和阻燃性，可达到半透明状态，但由于容易发黄，故一般用于深色涂层。
1.2.4 聚氯乙烯(PVC)
由于原料丰富、价格便宜，机械性能和耐腐蚀性好，加工方便，颜色多样化且透明度高，所以在欧洲90％以上的合成织物(聚酰胺、聚酯纤维)均采用聚氯乙烯(PVC)作涂层。
1.2.5 聚四氟乙烯(Teflon)
聚四氟乙烯触摸起来像蜡一样光滑，一般采用粉末冶金的加工技术，依据加工条件通常呈白色或带蓝灰花纹琏点。由于其使用温度范围很宽(-100～300OC)而且耐老化、耐化学侵蚀性能优于现在的任何其他有机聚合物，再加上优良的电绝缘性能以及低的摩擦系数，使其成为各工业部门都十分感兴趣的材料。
1.3 常用建筑膜材
1.3.1 涂聚氯乙烯(PVC)的织物
尼龙织物、聚酯织物通常以聚氯乙烯(PVC)为涂层，这种PVC涂层织物的造价相对较低，抗折性能好，运输方便，颜色多样化，但抗腐蚀能力较差，易老化，使用寿命短，自洁能力差，可用于一次性投资不高的建筑，当薄膜污染破坏后可修补或重新更换。也有以PVC为涂层的玻璃纤维织物，1970年日本大阪国际博览会美国馆首次采用该膜材，取得了很好的效果。通常规定PVC涂层在织物经纬线交点上的厚度不能少于0.2mm，但若涂层太厚，在价格及膜材重量上都是不经济的。若PVC色淡透明，则宜加0.5％紫外线吸收剂(如Tinuvin或Uvinul晶牌的紫外线吸收剂)；若涂层的颜色较深(可加碳黑)，那么可提高膜材的抗老化能力和耐久性。如果需要，还可在涂层上面加一层极薄的金属薄膜或喷射铝雾，用云母或石英来防止表面发粘和污染，防止PVC涂层褪色，这种表面平滑有光泽，可减少污染，有利于排水。
1.3.2 涂聚四氟乙烯的玻璃纤维膜材
由于聚四氟乙烯涂层和玻璃纤维基布的优良性能，其膜材是目前建筑薄膜材料中综合性能最优的膜材。它的优点是抗拉强度很高，抗化学侵蚀性能好，耐温差，抗老化，自洁性能好，使用寿命长，但抗折能力较差，运输安装要格外注意，裁剪加工精度要求高，加工困难，价格昂贵。这种膜材适用于永久性建筑物。
1.3.3 涂橡胶的聚酰胺织物
涂橡胶的聚酰胺膜材造价低，耐磨损，韧性好，但重量大，且橡胶容易发黄，影响美观，一般可以在深色的膜结构中使用。
2. 薄膜材料的强度性能
2.1 膜材的抗拉强度
膜材抗拉试验有单轴抗拉试验和双轴抗拉试验。在实际结构中膜材处于双向受拉应力状态，所以应对薄膜的双轴张拉试验进行充分的研究。
由于膜材织物的织线没有明显的可测截面，最好的测定方法是对材料进行重量和断裂试验。编织物的拉力通常按kP／5cm计。膜材的断裂强度一般是指膜的单轴应力状态下的极限拉断强度，这不符合膜双向受拉的实际情况。一般编织物的受拉强度取决于每厘米中织线的数目、织线的登尼尔(900cm长度的线的重量)以及编织方式。高压结构中对几毫米厚的膜材强度需要超过1000kP／5cm；而低压结构对强度及延伸性能要求较低，通常0．7—1．2mm的膜材达到200-600 kP／5cm的强度即可。也可通过爆破试验测定材料的强度和伸长，对周边夹住的试件用气压或液压充胀至爆破点，爆破压力通常以kP／cm2表示。例如，某种经纬向都具有400kP／5cm拉力的聚酯织物其爆破压力为20 kP/cm2。
建筑膜材在双向受拉时，其应力一应变关系呈明、显的非线性性质，且随两轴之间应力比的变化而变化。复杂的非线性材料规律很不实用，应用近似线性化的材料应力一应变关系导致的误差很小。因为模型制作的误差、裁剪式样的变形、接缝处刚度的增大以及产生的皱折，常会进一步改变应力的分布，加之老化和永久荷载所引起的强度降低等，这种种因素都是很难测定的。所以在对膜结构进行设计时，通常仅考虑结构的几何非线性性质，认为膜材是弹性材料或正交各向异性的材料进行设计计算。
2.2 膜材的抗撕裂强度与粘结强度
可以用中间有小洞或一边有缺口的试件对膜材进行撕裂试验，以取得抗撕裂一延伸性能。粘结强度(kp／cm)是指由于材料受拉时涂层与编织物之间的粘结力。将两块5cm宽的试件用较小的压力叠合，再将其脱开，这种试验被称为“剥皮试验”。与粗纤维织物比较，光洁纤维织物的涂层机械附着能力较差。
膜材的撕裂破坏是由初始的小洞、裂缝及缺陷引发的，应保证建筑膜材在正常使用条件下，产生微小的裂缝或缺陷，但不会迅速扩展导致更大面积的撕裂破坏。膜的抗撕裂能力与其粘结强度有关。粘结强度增加时，抗撕裂一延伸性能会减小。因为膜材的抗撕裂破坏能力主要取决于初始裂缝形状的改变，应调整布丝的受力，而不应限制它的滑移，所以粘结强度不宜过大。此外，抗撕裂一延伸性能还会受到基布材料、编织方法及涂层的影响。
2.3 膜材的强度性能关系
膜材的抗拉强度、粘结强度与抗撕裂强度之间有很大的相关性。基布编织紧密的膜材有很高的抗拉强度，但抗撕裂强度相应较低，这是由于其很高的弹性模量及基布与涂层间的粘结强度较大的缘故。高的弹性模量限制了基布的拉伸、延展，而粘结作用又阻止了基布和涂层间的滑移，进一步限制了膜材的拉伸延展，这种特性使高抗拉强度膜材实际可用的抗拉强度大大降低，因为在实际工程中，膜材的破坏主要是抗撕裂强度不足引起的撕裂破坏。
膜材的疲劳强度比抗拉强度小得多，接缝的强度通常比材料强度小，且由于紫外线的照射会老化、变质，因此需对膜材在外部气候条件下进行性能试验，进行长期的观测。从经济的角度看，膜材的耐久性还是令人满意的。微小的损伤可以修补，除稍加清洗改善透光度外，不需其他的养护和维修。
3. 薄膜材料的裁剪和连接技术
薄膜材料像服装一样需裁剪，再缝合、胶接或焊接。在欧洲市场上制成的商业半成品薄膜或涂层薄膜材料的门幅宽度通常是150cm，也有120cm、140cm、160cm或200cm的膜材。目前对标准形体的膜结构的裁剪式样，已可以用程序控制标绘器来完成，用计算机操纵自动样片切割机进行裁剪，节省了制图步骤。但是，对于多种多样的膜结构，要根据具体的几何形状确定与之相适应的裁剪式样，尽可能地简单、经济。有时几何形状不同的单片膜材接合在一起，出现多向薄膜拉力，很容易出现皱折，这时需制作尺寸精确的模型来估计薄膜拉力并确定裁剪方案。根据所采用的连接方式，膜材两边需重叠2-4cm。裁剪方式的选择应遵循以下规则：
（1） 单片形状规则、面积大的裁剪式样比小而不规则的裁剪式样好，接缝清晰、美观；
（2） 接缝长度要尽量短，以减少浪费；
（3） 对于无法避免的重叠接缝，应尽量使最少的接缝集中于一个地方；
（4） 由于接缝处的强度比膜材强度低，所以沿主应力方向的接缝比同其垂直方向的接缝要经济；
（5） 沿薄膜表面最陡方向的接缝使雨、雪易于滑落，保持表面的干燥，防止出现由于大的雪载引起陷落。
单片的薄膜需通过一定的方式连接起来，为保证膜结构整体的强度和稳定性，接缝的强度应与主要膜材的强度接近，接缝处平整，韧性好，弹性尽可能大，保证几何曲面的美观。此外，接缝处无破损，在安装使用过程中无硬褶，表面不能渗水，对于充气薄膜要保证不漏，接缝要能具有一定的耐化学侵蚀能力。主要的接缝形式有缝制、粘合、焊接、铆接和夹钳。其中前三种是最经常使用的接缝形式。缝制和粘合接缝的强度可能因受紫外线和高温作用而降低，有效的保护办法是在接缝处涂一层保护性的上光涂层或在薄膜上喷铝雾。焊接是最佳的接合技术之一，焊接处的强度比膜材的强度还要高，焊接方法有热气、热烙以及高频热压。铆接是很少采用的方法，而夹钳一般用于临时结构。所有这些接缝都属于不可分接缝。有时膜建筑比较庞大，对此可制造分段标准构件，根据不同需要进行组合。建筑物扩建需增加或减少构件时，使用可分接缝来连接。可分接缝形式有拉链搭接、加压搭扣、套环连接、栓接和联系带连接等。可分接缝也可具有很好的气密性，但与不可分接缝相比，其造价昂贵，应尽量减少使用。
4. 结论
薄膜材料属于柔性极大的高分子化学建材，它的材料性能、强度性能不同于一般的传统建筑材料，并需通过特别的裁剪和连接技术才能应用于膜结构。薄膜材料的开发是一项系统工程，需要各系统及部门的共同努力。几十年来，全世界膜结构发展迅速，建筑膜材的销售额每年已达到30多亿美元，我国目前每年大约有10万m2的膜结构工程，基数很小，发展前景广阔。但在膜材的开发制作方面我国同国外发达国家有很大差距，市场上尚没有合乎标准可作为永久性材料的建筑织物，很多膜结构建筑要依靠国外进口膜材，造成建筑造价进一步提高。对此必须引起重视并深入研究。
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