涂层织物类膜材是由高强度的织物基材通过特定的加工工艺和高分子聚合物涂层粘合而构成的复合材料[1]。目前工程中常用的涂层织物类膜材包括以聚四氟乙烯为面层的玻璃纤维类膜材 (PTFE膜材) 和以聚氯乙烯为面层的聚酯纤维类膜材 (PVC膜材) [2]。PVC膜材具有柔韧性能好、可以卷曲、存贮方便、易与其他构件相连等特点, 但是抗紫外线能力较差、自洁性差, 会降低材料的透光性而影响使用。相对于PVC膜材, PTFE膜材有较好的焊接性能, 强度、弹性模量大, 有优良的抗紫外线、抗老化和阻燃性能, 使用年限长以及自洁性好等优点, 逐渐成为永久性膜结构建筑中最常用的主流薄膜材料之一[3]。

建筑结构中常用的PTFE膜材厚度一般为0.25~1.25mm, 经向抗拉强度标准值为3 200~9 000N/5cm, 纬向抗拉强度标准值为2 500~8 000N/5cm[4]。在实际工程百富策略白菜网中, 当单层PTFE膜材强度无法满足设计需求时, 往往会采用双层或者多层膜材进行加强。如易发生应力集中的膜面角部、伞形膜结构的顶部、漏斗形膜结构的底部等, 如图1所示;或者当膜面跨度较大时, 即使采用强度最大的PTFE膜材, 单层膜也无法满足强度要求。例如上海世博轴超大型张拉索膜结构, 最大跨度约115m, 单块膜最大展开面积约1 800m2, 采用单层A级PTFE膜材仍然达不到强度要求, 因此不得不在局部区域采用双层膜加强, 以提高膜面的抗拉强度, 单个区域双层膜加强面积最大达到280m2[5], 如图2所示。

在多层PTFE膜材加工时, 常用作法是将各层膜材通过垫层材料进行熔接, 即通过加热膜材和垫层材料, 使垫层材料和织物上的涂层熔融, 然后施加压力并冷却使多层膜片结合在一起。垫层材料通常采用聚四氟乙丙烯 (FEP) , FEP具有良好的耐热性、耐化学腐蚀性、热稳定性, 可熔融加工, 所以是PTFE膜材热合连接的理想材料[6]。

虽然FEP材料性能较为稳定, 但作为熔融材料, 对多层PTFE膜材抗拉强度的影响尚不明确。此外, 膜材自身性能的离散性, 也会影响多层膜材的力学性能。目前国内外尚缺少关于多层膜材力学性能的系统研究, 在现行的膜结构规程[4]中也没有相关条文。

本文对两种厚度、1~4层的PTFE膜材试件进行单轴拉伸试验, 考察了抗拉强度随层数的变化规律, 以期给出多层PTFE膜材的抗拉强度取值方法, 为多层PTFE膜材的工程百富策略白菜网和规范修编提供理论支撑。

参照《膜结构检测技术规程》 (DG/TJ 08-2019—2007) [7], 选取中兴化成工业株式会社生产的FGT-600与FGT-800两种厚度的PTFE膜材, 采用长条形试件进行拉伸试验, 按照切割条样法制备试件。试件的有效宽度为50mm, 长度为300mm, 应变测距即夹具间初始距离为200mm, 如图3所示。试验仪器采用波浪形夹具固定试件。

本文试件层数包括单层、2层、3层与4层。试验在上海市工程结构安全重点实验室进行, 采用多功能电子万能试验机 (图4) , 配置高精度拉力传感器, 在试验机上布置位移计, 可实时测得位移数据。试验过程中, 作用于试件上的力可通过拉力传感器实时输出, 应变根据位移计所得数据计算得出。不同层数的每种膜材分别沿母材经向、纬向各取5条试件 (编号分别为1#, 2#, 3#, 4#, 5#) , 在室温下进行单向拉伸试验, 拉伸速度为100mm/min。

参照膜结构规程[4], 本文中关于PTFE膜材的应力、抗拉强度标准值均以N/5cm作为单位。

图5、图6分别给出了80根FGT-600与FGT-800两种厚度的PTFE膜材试件单向拉伸试验得到的应力-应变曲线。由图可知, 不同层数试件所得的应力-应变曲线形状基本一致, 呈现出明显的正交异性现象。经向拉伸强度一般高于纬向拉伸强度, 但经向断裂延伸率则明显小于纬向断裂延伸率。PTFE是织物类膜材, 在经向与纬向通过纱线交替卷曲编织而成, 编织过程中两个方向纤维的卷曲度不同, 导致在拉伸过程中随着荷载的增加, 卷曲度大的方向应变会大于卷曲度小的方向。膜材在经向与纬向的纱线数量也不同, 经向纱线密度大于纬向纱线密度, 因此经向强度高于纬向强度。从应力-应变曲线的变化来看, PTFE膜材在拉伸初始阶段, 应变随着荷载的增大快速增加, 而应力增加较为缓慢;当拉伸到一定阶段后, 应变增加相对缓慢, 应力增加较为迅速直至断裂。在文献[8]中, 将PTFE膜材的拉伸曲线分为三个阶段:第一阶段为弹性阶段;第二阶段为基层纤维和涂层之间逐渐脱离形成的整体变形迅速增加阶段;第三阶段为应力强化阶段。如图5, 6所示, 第二阶段与第三阶段表现的较为明显。

通过试验结果可知, 试件典型的破坏模式有两种, 分别是斜截面撕裂破坏 (图7 (a) ) 和平截面断裂破坏 (图7 (b) ) 。其中, 单层膜材试件均发生斜截面撕裂破坏, 多层膜材试件的破坏形式则两者皆有。本试验中所有试件均未发生明显的膜材分层剥离现象。

对图5、图6所示应力-应变曲线进行分析, 得到不同厚度、不同层数PTFE膜材试件的抗拉强度, 见表1、表2。由表1、表2可以看出, 随着层数的增加, 膜材抗拉强度逐渐增大。FGT-600的4层膜材经向抗拉强度为单层的3.99倍, 4层纬向抗拉强度为单层的3.42倍;FGT-800的4层膜材经向抗拉强度为单层的3.53倍, 4层纬向抗拉强度为单层的3.46倍。PTFE膜材试件的抗拉强度随层数的变化规律见图8, 图中直线为每组试验的平均值连线, 试验抗拉强度平均值随着层数的增加基本呈线性增长关系。

以单层膜材抗拉强度为基准, 将2层、3层、4层膜材抗拉强度平均值比上单层膜材抗拉强度作为多层膜材的强度倍数, 得到强度倍数与层数关系见图9。经过数据分析, 多层PTFE膜材的抗拉强度fn与单层膜材的抗拉强度f0、层数n之间的关系拟合方程式可由式 (1) 来表示。

并定义μn为多层膜材的强度折减系数, 其计算公式如下

本文采用单向拉伸试验方法, 研究了多层PTFE膜材的应力-应变关系和破坏形式, 结论如下:

(1) 不同层数的PTFE试件的拉伸应力-应变曲线规律一致。经向强度大于纬向强度, 经向断裂延伸率小于纬向断裂延伸率。

(2) 试件破坏形式主要表现为斜截面撕裂破坏和平截面断裂破坏。

(3) 对不同层数的PTFE膜材抗拉强度进行统计分析得出, 随着层数的增加, 膜材的抗拉强度逐渐增大, 且与层数呈一定的线性关系。考虑到实际工程的加工制作、膜材自身力学性能的离散性等因素, 建议偏于保守取多层PTFE膜材的强度折减系数μn=0.90 (n-1) 。

(4) 本文试验未考虑应力由单层膜面向多层膜面传递的过程。建议在实际工程百富策略白菜网中, 多层膜面的设置范围应大于计算超应力区域一定距离, 可参考文献[2]和膜结构规程[4]关于膜材最小连接尺寸的要求, 每加一层膜向外扩展距离不小于50mm。