常州膜結構建筑的強度性能及連接技術
1、薄膜材料的材料性能
1.1 基布材料
大部分基布的編織方向呈直角，亦可有所偏移，屬于各向異性材料。在編織過程中，經線拉得較緊，柔性較緯線差。基布材料主要有聚酰胺、聚酯纖維、玻璃纖維、芳酰胺纖維。
1.1.1 聚酰胺
聚酰胺一般稱為尼龍，其耐磨性、強度較高，能耐低濃度酸，耐強堿，但易吸濕，其電性質和機械性能會受到吸濕的影響而降低。如果溫度較高，可能發生氧化而變黃、變脆。此外，聚酰胺抗紫外線能力較弱，強烈的陽光照射會降低它的強度。
1.1.2 聚酯纖維
聚酯纖維一般稱為滌綸，與聚酰胺相比，其抗拉強度較低，抗紫外線能力稍強，不易吸濕，因此尺度穩定性好，價格較便宜，應用較廣泛，可用于一般性的膜結構建筑物中。
1.1.3 玻璃纖維
玻璃纖維由各種金屬氧化物的硅酸鹽類經熔融后抽絲制成。用于制造復合材料的特殊玻璃纖維，如高強型和高模量玻璃纖維，成分中不含硼的氧化物，稱為鋁鎂硅酸鹽系玻璃纖維。玻璃纖維拉伸強度高，耐水，耐腐蝕，化學穩定性好。但一般玻璃纖維耐酸性好，耐堿性卻較差。依據玻璃成分的改變可以制得有各種特殊性能的玻璃纖維，如耐高溫、優良電性能、耐酸堿、抗拉強度高和剛性大以及吸收有害射線耐老化等。玻璃纖維也有一些不足之處，如易脆裂，在荷載條件下伸縮性很小，裁剪精確度要求很高，其強度因表面缺陷而削弱，因此在加工使用過程中需采取保護性措施。由玻璃纖維制成的膜材通常用于永久性建筑中。
1.1.4 芳酰胺纖維
芳酰胺纖維是一種優良的有機纖維，比玻璃纖維質量更輕、剛性更大、強度更高，密度小，有良好的電性能和絕熱性能，更能吸收機械振動和聲音的振動。具有低的蠕變性和高的抗沖擊性，極低的缺口敏感性和優良的抗蠕變斷裂性。由于此類纖維價格很貴，目前僅限于軍事工業、航空航天工業和某些特殊需要的場合。但隨著科學技術的發展以及原材料來源的擴大，可以預見這種纖維在建筑材料方面的應用也會不斷地增多。
1.2 涂層材料
1.2.1 有機硅樹脂
有機硅樹脂是高分子量的半有機聚合物，具有優異的耐高溫、耐低溫、憎水、防潮、電絕緣、耐輻射、氧化穩定等特性，常用作玻璃纖維的涂層，其抗拉強度和彈性模量較高，具有很好的透光性。
1.2.2 聚氨酯樹脂
聚氨酯樹脂是一種較新的聚合物，具有良好的粘合性，涂層光澤度高，耐磨、耐候性好。有良好的耐化學性、電絕緣性質，彈性好，透氣性低。但是由于其耐水解、蒸汽和高溫性不良且價格較貴，所以采用不多。
1.2.3 合成橡膠涂層。
合成橡膠(如丁腈橡膠、氯丁橡膠)韌性好，對陽光、臭氧、熱老化穩定，且具有突出的耐磨損性、耐化學性和阻燃性，可達到半透明狀態，但由于容易發黃，故一般用于深色涂層。
1.2.4 聚氯乙烯(PVC)
由于原料豐富、價格便宜，機械性能和耐腐蝕性好，加工方便，顏色多樣化且透明度高，所以在歐洲90％以上的合成織物(聚酰胺、聚酯纖維)均采用聚氯乙烯(PVC)作涂層。
1.2.5 聚四氟乙烯(Teflon)
聚四氟乙烯觸摸起來像蠟一樣光滑，一般采用粉末冶金的加工技術，依據加工條件通常呈白色或帶藍灰花紋璉點。由于其使用溫度范圍很寬(-100～300OC)而且耐老化、耐化學侵蝕性能優于現在的任何其他有機聚合物，再加上優良的電絕緣性能以及低的摩擦系數，使其成為各工業部門都十分感興趣的材料。涂聚四氟乙烯的玻璃纖維膜材是一種性能十分優良的建筑材料，在國外應用較多，但由于價格昂貴，大量采用還受到限制。
1.3 常用建筑膜材
1.3.1 涂聚氯乙烯(PVC)的織物
尼龍織物、聚酯織物通常以聚氯乙烯(PVC)為涂層，這種PVC涂層織物的造價相對較低，抗折性能好，運輸方便，顏色多樣化，但抗腐蝕能力較差，易老化，使用壽命短，自潔能力差，可用于一次性投資不高的建筑，當薄膜污染破壞后可修補或重新更換。也有以PVC為涂層的玻璃纖維織物，1970年日本大阪國際博覽會美國館首次采用該膜材，取得了很好的效果。通常規定PVC涂層在織物經緯線交點上的厚度不能少于0.2mm，但若涂層太厚，在價格及膜材重量上都是不經濟的。若PVC色淡透明，則宜加0.5％紫外線吸收劑(如Tinuvin或Uvinul晶牌的紫外線吸收劑)；若涂層的顏色較深(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，還可在涂層上面加一層極薄的金屬薄膜或噴射鋁霧，用云母或石英來防止表面發粘和污染，防止PVC涂層褪色，這種表面平滑有光澤，可減少污染，有利于排水。
1.3.2 涂聚四氟乙烯的玻璃纖維膜材
由于聚四氟乙烯涂層和玻璃纖維基布的優良性能，其膜材是目前建筑薄膜材料中綜合性能最優的膜材。它的優點是抗拉強度很高，抗化學侵蝕性能好，耐溫差，抗老化，自潔性能好，使用壽命長，但抗折能力較差，運輸安裝要格外注意，裁剪加工精度要求高，加工困難，價格昂貴。這種膜材適用于永久性建筑物。
1.3.3 涂橡膠的聚酰胺織物
涂橡膠的聚酰胺膜材造價低，耐磨損，韌性好，但重量大，且橡膠容易發黃，影響美觀，一般可以在深色的膜結構中使用。
2 薄膜材料的強度性能
建筑膜材屑化學建筑材料，薄且柔性很大，與一般傳統結構中的建筑材料有很大的區別。膜材本身不能抗彎、抗壓，抗剪能力也很弱，必須通過預張拉才具有抵抗外載的能力。此外，膜材強度也會由于紫外線的照射、吸濕受潮及溫度影響等因素而不斷下降。
2.1 膜材的抗拉強度
膜材抗拉試驗有單軸抗拉試驗和雙軸抗拉試驗。在實際結構中膜材處于雙向受拉應力狀態，所以應對薄膜的雙軸張拉試驗進行充分的研究。
由于膜材織物的織線沒有明顯的可測截面，最好的測定方法是對材料進行重量和斷裂試驗。編織物的拉力通常按kP／5cm計。膜材的斷裂強度一般是指膜的單軸應力狀態下的極限拉斷強度，這不符合膜雙向受拉的實際情況。一般編織物的受拉強度取決于每厘米中織線的數目、織線的登尼爾(900cm長度的線的重量)以及編織方式。高壓結構中對幾毫米厚的膜材強度需要超過1000kP／5cm；而低壓結構對強度及延伸性能要求較低，通常0．7—1．2mm的膜材達到200-600 kP／5cm的強度即可。也可通過爆破試驗測定材料的強度和伸長，對周邊夾住的試件用氣壓或液壓充脹至爆破點，爆破壓力通常以kP／cm2表示。例如，某種經緯向都具有400kP／5cm拉力的聚酯織物其爆破壓力為20 kP/cm2。
建筑膜材在雙向受拉時，其應力一應變關系呈明、顯的非線性性質，且隨兩軸之間應力比的變化而變化。復雜的非線性材料規律很不實用，應用近似線性化的材料應力一應變關系導致的誤差很小。因為模型制作的誤差、裁剪式樣的變形、接縫處剛度的增大以及產生的皺折，常會進一步改變應力的分布，加之老化和永久荷載所引起的強度降低等，這種種因素都是很難測定的。所以在對膜結構進行設計時，通常僅考慮結構的幾何非線性性質，認為膜材是彈性材料或正交各向異性的材料進行設計計算。
2.2 膜材的抗撕裂強度與粘結強度
可以用中間有小洞或一邊有缺口的試件對膜材進行撕裂試驗，以取得抗撕裂一延伸性能。粘結強度(kp／cm)是指由于材料受拉時涂層與編織物之間的粘結力。將兩塊5cm寬的試件用較小的壓力疊合，再將其脫開，這種試驗被稱為“剝皮試驗”。與粗纖維織物比較，光潔纖維織物的涂層機械附著能力較差。
膜材的撕裂破壞是由初始的小洞、裂縫及缺陷引發的，應保證建筑膜材在正常使用條件下，產生微小的裂縫或缺陷，但不會迅速擴展導致更大面積的撕裂破壞。膜的抗撕裂能力與其粘結強度有關。粘結強度增加時，抗撕裂一延伸性能會減小。因為膜材的抗撕裂破壞能力主要取決于初始裂縫形狀的改變，應調整布絲的受力，而不應限制它的滑移，所以粘結強度不宜過大。此外，抗撕裂一延伸性能還會受到基布材料、編織方法及涂層的影響。
2.3 膜材的強度性能關系
膜材的抗拉強度、粘結強度與抗撕裂強度之間有很大的相關性。基布編織緊密的膜材有很高的抗拉強度，但抗撕裂強度相應較低，這是由于其很高的彈性模量及基布與涂層間的粘結強度較大的緣故。高的彈性模量限制了基布的拉伸、延展，而粘結作用又阻止了基布和涂層間的滑移，進一步限制了膜材的拉伸延展，這種特性使高抗拉強度膜材實際可用的抗拉強度大大降低，因為在實際工程中，膜材的破壞主要是抗撕裂強度不足引起的撕裂破壞。
膜材的疲勞強度比抗拉強度小得多，接縫的強度通常比材料強度小，且由于紫外線的照射會老化、變質，因此需對膜材在外部氣候條件下進行性能試驗，進行長期的觀測。從經濟的角度看，膜材的耐久性還是令人滿意的。微小的損傷可以修補，除稍加清洗改善透光度外，不需其他的養護和維修。
