、膜結構與膜材料

  1.1 膜結構概念、起源和發展

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

  古老的膜結構在公元前幾千年就已經出現，最早是由天然枝條和獸皮搭成的帳篷(Pavilion)，然后發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、中國漢朝時代到十九世紀末，膜結構幾乎處于一個停滯發展的階段。直到第二次工業革命,化學工業和工程力學迅速發展，高分子合成材料技術得到大力改進，膜材料擺脫茹毛飲血的狀況,現代膜結構才開始蓬勃發展。另外，兩次世界大戰也加快了膜結構的發展。

  1917年美國蘭徹斯特建議利用新發明的電力鼓風機將膜布吹脹，作野戰醫院，但沒有真正成為使用的產品。1946年，一位名為貝爾德的人為美國軍方做了一個直徑 15m圓形充氣的雷達罩，由此而衍生出了新的膜結構工業產業。最受人注目的是1967年Frei Otto設計的加拿大蒙特利爾博覽會上的西德館，其以輕質透明有機織片作為頂部結構，開了膜結構商業化的先河。1970年日本大阪萬國博覽會上一座氣承式膜結構的擬橢圓形美國館（尺寸140×83.5m），首次采用了聚氯乙烯(PVC)涂層的玻璃纖維織物，這是世界上第一個大跨度的膜結構。以后，膜結構象雨后春筍，迅速發展。

  膜結構的發展總是和膜材（Membrane Material）的進步分不開的，下面先介紹膜材料。

  1.2 膜材料的組成和分類

  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。建筑結構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經塑煉后投入壓延機，按照所需厚度、寬度壓延成膜，立即與布基粘合，再經過軋花、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。

  根據表面涂層(Coating)和織物基材(Layer)不同，膜材料分為三大類。（1）A類膜材是玻璃纖維布基上敷聚四氟乙烯樹脂(PTFE)，這種膜材的化學性能極其穩定，露天使用壽命達25年以上，為不燃材料(通過A級防火測試)。(2) B類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，現在基本不再使用。(3 ) C類型膜材料是聚酯長絲布基上涂聚氯乙烯樹脂(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B1級防火測試)。

  1.3 膜材料的性質

  膜作為繼木材、磚石、金屬、混凝土之后的第五代建筑結構材料，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，沒有承壓和抗彎曲能力，這是膜的最本質的特征。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度(Tensionn Strength)、拉伸模量(Modulus of Elasticity)和泊松比(Poisson’s Ratio)三個力學指標。膜材本身不能受壓也不能抗彎，但具有很高的拉伸強度，所以要使膜結構正常工作就必須引入預拉力、并形成互反曲面。通常膜材料的拉伸強度都可達100MPa以上。

  模材應力-應變關系是非線性的，一般采用切線模量作為彈性模量，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構，設計時必須以膜材的雙軸拉伸實驗確定膜的彈性膜量及泊松比。

  （2）撕裂強度

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

  （3）正交異向性

  張拉膜結構曲面需要經向和緯向兩個主軸方向反向曲率來保證，一個方向的曲率向下凹，另一個方向必須向上凸。傳統膜材基材是由經﹑緯向紗線編織而成，因而呈現很強的正交異性性能，經緯向變形能力相差達3-5倍之多。

  （4）蠕變和松弛

  蠕變和松弛是膜材的另一個重要特性，也是膜起皺和失效的重要原因，在裁剪分析和加工時需要考慮這個因素。聚酯長絲織物在使用的頭十年里就會因為蠕變喪失50%的預張拉力，相反，玻璃纖維織物要穩定很多。

  （5）非力學性質：安全方面的性