建筑膜材的強(qiáng)度性能及連接技術(shù)

1、建筑膜材的強(qiáng)度性能及連接技術(shù)薄膜結(jié)構(gòu)一經(jīng)問(wèn)世便以其新穎的造型、巧妙的構(gòu)思、經(jīng)濟(jì)的造價(jià)得到青睞，并成功地應(yīng)用于體育場(chǎng)館；娛樂(lè)商業(yè)中心、展覽館、候機(jī)大廳等大跨度建筑物中，被譽(yù)稱為“21世紀(jì)的建筑”。薄膜結(jié)構(gòu)以建筑織物膜材為張拉主體，由于材料自身性能的改善，現(xiàn)代的薄膜材料已具有防水、透光、阻燃、化學(xué)和機(jī)械性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。1. 薄膜材料的材料性能薄膜材料一般由兩部分組成：基布（編織物）和涂層。材料的強(qiáng)度和彈性性能主要取決于基布，而進(jìn)一步的性能如防火、防水、抗紫外線侵蝕以及對(duì)機(jī)械、化學(xué)等因素的不敏感性都必須依靠涂層來(lái)加強(qiáng)。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

2、過(guò)程中，經(jīng)線拉得較緊，柔性較緯線差?；疾牧现饕芯埘０?、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(qiáng)度較高，能耐低濃度酸，耐強(qiáng)堿，但易吸濕，其電性質(zhì)和機(jī)械性能會(huì)受到吸濕的影響而降低。如果溫度較高，可能發(fā)生氧化而變黃、變脆。此外，聚酰胺抗紫外線能力較弱，強(qiáng)烈的陽(yáng)光照射會(huì)降低它的強(qiáng)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(qiáng)度較低，抗紫外線能力稍強(qiáng)，不易吸濕，因此尺度穩(wěn)定性好，價(jià)格較便宜，應(yīng)用較廣泛，可用于一般性的膜結(jié)構(gòu)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(lèi)經(jīng)熔融后抽絲制成。玻璃纖維拉伸強(qiáng)度高，耐水，耐腐蝕，

3、化學(xué)穩(wěn)定性好。但一般玻璃纖維耐酸性好，耐堿性卻較差。依據(jù)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(yōu)良電性能、耐酸堿、抗拉強(qiáng)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(qiáng)度因表面缺陷而削弱，因此在加工使用過(guò)程中需采取保護(hù)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(yōu)良的有機(jī)纖維，比玻璃纖維質(zhì)量更輕、剛性更大、強(qiáng)度更高，密度小，有良好的電性能和絕熱性能，更能吸收機(jī)械振動(dòng)和聲音的振動(dòng)。具有低的蠕變性和高的抗沖擊性，極低的缺口敏感性和優(yōu)良的抗蠕變斷裂性。1.2 涂層

4、材料1.2.1 有機(jī)硅樹(shù)脂有機(jī)硅樹(shù)脂是高分子量的半有機(jī)聚合物，具有優(yōu)異的耐高溫、耐低溫、憎水、防潮、電絕緣、耐輻射、氧化穩(wěn)定等特性，常用作玻璃纖維的涂層，其抗拉強(qiáng)度和彈性模量較高，具有很好的透光性。1.2.2 聚氨酯樹(shù)脂聚氨酯樹(shù)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(xué)性、電絕緣性質(zhì)，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(jià)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(duì)陽(yáng)光、臭氧、熱老化穩(wěn)定，且具有突出的耐磨損性、耐化學(xué)性和阻燃性，可達(dá)到半透明狀態(tài)，但由于容易發(fā)黃，故一般用于深色涂層。1.2.

5、4 聚氯乙烯（PVC）由于原料豐富、價(jià)格便宜，機(jī)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(lái)像蠟一樣光滑，一般采用粉末冶金的加工技術(shù)，依據(jù)加工條件通常呈白色或帶藍(lán)灰花紋璉點(diǎn)。由于其使用溫度范圍很寬（-100300OC而且耐老化、耐化學(xué)侵蝕性能優(yōu)于現(xiàn)在的任何其他有機(jī)聚合物，再加上優(yōu)良的電絕緣性能以及低的摩擦系數(shù)，使其成為各工業(yè)部門(mén)都十分感興趣的材料。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

6、，這種PVC涂層織物的造價(jià)相對(duì)較低，抗折性能好，運(yùn)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(dāng)薄膜污染破壞后可修補(bǔ)或重新更換。也有以PV3J涂層的玻璃纖維織物，1970年日本大阪國(guó)際博覽會(huì)美國(guó)館首次采用該膜材，取得了很好的效果。通常規(guī)定PVC余層在織物經(jīng)緯線交點(diǎn)上的厚度不能少于0.2mmi但若涂層太厚，在價(jià)格及膜材重量上都是不經(jīng)濟(jì)的。若PVCfe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

7、或噴射鋁霧，用云母或石英來(lái)防止表面發(fā)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(yōu)良性能，其膜材是目前建筑薄膜材料中綜合性能最優(yōu)的膜材。它的優(yōu)點(diǎn)是抗拉強(qiáng)度很高，抗化學(xué)侵蝕性能好，耐溫差，抗老化，自潔性能好，使用壽命長(zhǎng)，但抗折能力較差，運(yùn)輸安裝要格外注意，裁剪加工精度要求高，加工困難，價(jià)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(jià)低，耐磨損，韌性好，但重量大，且橡膠容易發(fā)黃，影響美觀，一般可以在深色的膜結(jié)構(gòu)中使用。2. 薄膜材料的強(qiáng)度性能2.1 膜材的

8、抗拉強(qiáng)度膜材抗拉試驗(yàn)有單軸抗拉試驗(yàn)和雙軸抗拉試驗(yàn)。在實(shí)際結(jié)構(gòu)中膜材處于雙向受拉應(yīng)力狀態(tài)，所以應(yīng)對(duì)薄膜的雙軸張拉試驗(yàn)進(jìn)行充分的研究。由于膜材織物的織線沒(méi)有明顯的可測(cè)截面，最好的測(cè)定方法是對(duì)材料進(jìn)行重量和斷裂試驗(yàn)。編織物的拉力通常按kP5cm計(jì)。膜材的斷裂強(qiáng)度一般是指膜的單軸應(yīng)力狀態(tài)下的極限拉斷強(qiáng)度，這不符合膜雙向受拉的實(shí)際情況。一般編織物的受拉強(qiáng)度取決于每厘米中織線的數(shù)目、織線的登尼爾（900cm長(zhǎng)度的線的重量）以及編織方式。高壓結(jié)構(gòu)中對(duì)幾毫米厚的膜材強(qiáng)度需要超過(guò)1000kP/5cm；而低壓結(jié)構(gòu)對(duì)強(qiáng)度及延伸性能要求較低，通常0.71.2mml勺膜材達(dá)到200-600kP/5cm的強(qiáng)度即可。也可通

9、過(guò)爆破試驗(yàn)測(cè)定材料的強(qiáng)度和伸長(zhǎng)，對(duì)周邊夾住的試件用氣壓或液壓充脹至爆破點(diǎn)，爆破壓力通常以kP/cm2表示。例如，某種經(jīng)緯向都具有400kP/5cm拉力的聚酯織物其爆破壓力為20kP/cm2。建筑膜材在雙向受拉時(shí)，其應(yīng)力一應(yīng)變關(guān)系呈明、顯的非線性性質(zhì)，且隨兩軸之間應(yīng)力比的變化而變化。復(fù)雜的非線性材料規(guī)律很不實(shí)用，應(yīng)用近似線性化的材料應(yīng)力一應(yīng)變關(guān)系導(dǎo)致的誤差很小。因?yàn)槟Ｐ椭谱鞯恼`差、裁剪式樣的變形、接縫處剛度的增大以及產(chǎn)生的皺折，常會(huì)進(jìn)一步改變應(yīng)力的分布，加之老化和永久荷載所引起的強(qiáng)度降低等，這種種因素都是很難測(cè)定的。所以在對(duì)膜結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，通常僅考慮結(jié)構(gòu)的幾何非線性性質(zhì)，認(rèn)為膜材是彈性材料或正

10、交各向異性的材料進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。2.2 膜材的抗撕裂強(qiáng)度與粘結(jié)強(qiáng)度可以用中間有小洞或一邊有缺口的試件對(duì)膜材進(jìn)行撕裂試驗(yàn)，以取得抗撕裂一延伸性能。粘結(jié)強(qiáng)度（kp/cm）是指由于材料受拉時(shí)涂層與編織物之間的粘結(jié)力。將兩塊5cm寬的試件用較小的壓力疊合，再將其脫開(kāi)，這種試驗(yàn)被稱為“剝皮試驗(yàn)”。與粗纖維織物比較，光潔纖維織物的涂層機(jī)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(fā)的，應(yīng)保證建筑膜材在正常使用條件下，產(chǎn)生微小的裂縫或缺陷，但不會(huì)迅速擴(kuò)展導(dǎo)致更大面積的撕裂破壞。膜的抗撕裂能力與其粘結(jié)強(qiáng)度有關(guān)。粘結(jié)強(qiáng)度增加時(shí)，抗撕裂一延伸性能會(huì)減小。因?yàn)槟げ牡目顾毫哑茐哪芰χ饕Q于初始裂縫形狀的

11、改變，應(yīng)調(diào)整布絲的受力，而不應(yīng)限制它的滑移，所以粘結(jié)強(qiáng)度不宜過(guò)大。此外，抗撕裂一延伸性能還會(huì)受到基布材料、編織方法及涂層的影響。2.3 膜材的強(qiáng)度性能關(guān)系膜材的抗拉強(qiáng)度、粘結(jié)強(qiáng)度與抗撕裂強(qiáng)度之間有很大的相關(guān)性。基布編織緊密的膜材有很高的抗拉強(qiáng)度，但抗撕裂強(qiáng)度相應(yīng)較低，這是由于其很高的彈性模量及基布與涂層間的粘結(jié)強(qiáng)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(jié)作用又阻止了基布和涂層間的滑移，進(jìn)一步限制了膜材的拉伸延展，這種特性使高抗拉強(qiáng)度膜材實(shí)際可用的抗拉強(qiáng)度大大降低，因?yàn)樵趯?shí)際工程中，膜材的破壞主要是抗撕裂強(qiáng)度不足引起的撕裂破壞。膜材的疲勞強(qiáng)度比抗拉強(qiáng)度小得多，接縫的強(qiáng)度通常比材料強(qiáng)

12、度小，且由于紫外線的照射會(huì)老化、變質(zhì)，因此需對(duì)膜材在外部氣候條件下進(jìn)行性能試驗(yàn)，進(jìn)行長(zhǎng)期的觀測(cè)。從經(jīng)濟(jì)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(bǔ)，除稍加清洗改善透光度外，不需其他的養(yǎng)護(hù)和維修。3. 薄膜材料的裁剪和連接技術(shù)薄膜材料像服裝一樣需裁剪，再縫合、膠接或焊接。在歐洲市場(chǎng)上制成的商業(yè)半成品薄膜或涂層薄膜材料的門(mén)幅寬度通常是150cnn,也有120cn140cm160cm或200cm的膜材。目前對(duì)標(biāo)準(zhǔn)形體的膜結(jié)構(gòu)的裁剪式樣，已可以用程序控制標(biāo)繪器來(lái)完成，用計(jì)算機(jī)操縱自動(dòng)樣片切割機(jī)進(jìn)行裁剪，節(jié)省了制圖步驟。但是，對(duì)于多種多樣的膜結(jié)構(gòu)，要根據(jù)具體的幾何形狀確定與之相適應(yīng)的裁剪式樣

13、，盡可能地簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)。有時(shí)幾何形狀不同的單片膜材接合在一起，出現(xiàn)多向薄膜拉力，很容易出現(xiàn)皺折，這時(shí)需制作尺寸精確的模型來(lái)估計(jì)薄膜拉力并確定裁剪方案。根據(jù)所采用的連接方式，膜材兩邊需重疊2-4cm。裁剪方式的選擇應(yīng)遵循以下規(guī)則：（ 1）單片形狀規(guī)則、面積大的裁剪式樣比小而不規(guī)則的裁剪式樣好，接縫清晰、美觀；（ 2）接縫長(zhǎng)度要盡量短，以減少浪費(fèi)；（ 3）對(duì)于無(wú)法避免的重疊接縫，應(yīng)盡量使最少的接縫集中于一個(gè)地方；（ 4）由于接縫處的強(qiáng)度比膜材強(qiáng)度低，所以沿主應(yīng)力方向的接縫比同其垂直方向的接縫要經(jīng)濟(jì)；（ 5）沿薄膜表面最陡方向的接縫使雨、雪易于滑落，保持表面的干燥，防止出現(xiàn)由于大的雪載引起陷落。單片的

14、薄膜需通過(guò)一定的方式連接起來(lái)，為保證膜結(jié)構(gòu)整體的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，接縫的強(qiáng)度應(yīng)與主要膜材的強(qiáng)度接近，接縫處平整，韌性好，彈性盡可能大，保證幾何曲面的美觀。此外，接縫處無(wú)破損，在安裝使用過(guò)程中無(wú)硬褶，表面不能滲水，對(duì)于充氣薄膜要保證不漏，接縫要能具有一定的耐化學(xué)侵蝕能力。主要的接縫形式有縫制、粘合、焊接、鉚接和夾鉗。其中前三種是最經(jīng)常使用的接縫形式。縫制和粘合接縫的強(qiáng)度可能因受紫外線和高溫作用而降低，有效的保護(hù)辦法是在接縫處涂一層保護(hù)性的上光涂層或在薄膜上噴鋁霧。焊接是最佳的接合技術(shù)之一，焊接處的強(qiáng)度比膜材的強(qiáng)度還要高，焊接方法有熱氣、熱烙以及高頻熱壓。鉚接是很少采用的方法，而夾鉗一般用于臨時(shí)結(jié)構(gòu)。所有這些接縫都屬于不可分接縫。有時(shí)膜建筑比較龐大，對(duì)此可制造分段標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件，根據(jù)不同需要進(jìn)行組合。建筑物擴(kuò)建需增加或減少構(gòu)件時(shí)，使用可分接縫來(lái)連接。可分接縫形式有拉鏈搭接、加壓搭扣、套環(huán)連接、栓接和聯(lián)系帶連接等?？煞纸涌p也可具有很好的氣密性，但與不可分接縫相比，其造價(jià)昂貴，應(yīng)盡量減少使用。4.結(jié)論薄膜材料屬于柔性極大的高分子化學(xué)建材，它的材料性能、強(qiáng)