膜结构材料由于低价且性能良好，被广泛百富策略白菜网于大跨空间结构.但是，建筑膜材长时间暴露于室外，其力学性能将退化，进而影响建筑和结构性能[1],因此膜材的使用年限在工程上得到了广泛的关注.涂层织物膜材在实际工程中的主要退化原因为自然老化以及张拉应力.

自然老化包括紫外辐射老化、臭氧氧化、盐雾老化等，其中紫外辐射老化为自然老化的主要条件[2].对于张拉应力的影响而言， Baumhardt-Neo和Paoli[3]通过研究表明，无取向的聚丙烯材料样品的受力在屈服应力附近时，可观察到光氧化的阻滞效应，当材料受力大于屈服应力时光氧化效应得到加速，表现形式为羰基指数的快速增加；Peeva和Evtimova[4]的研究表明各向同性的聚烯烃样品在承受20%的最大抗拉强度时氧化受到抑制.

对于膜结构工程建筑而言，其结构的多样性使得不同的部位受力不同，即受力部位的差异将导致不同部位的老化差异.同时，考虑到地区、时节和气候的差异，以及建筑采光和位置的差异，众多不确定性都加大了对膜结构建筑服役年限分析的难度.

陈昭荣等[5]对常用的Ferrari 1202 Fluotop T2型PVC膜材进行了0h、86h、172h的人工加速老化试验，测试对比了不同老化时间后PVC膜材单轴强度、断裂延伸率和老化率等强度指标变化情况，并进行了老化后PVC膜材循环抗拉和应力松弛试验，分析了老化作用对PVC膜材的非弹性和黏弹性影响.闫永生[6]基于PVC膜材分别以UVB313和UVA340两种类型的紫外灯管作为试验光源，既比较了不同光源条件下的材料光氧老化性能，又对同种光源不同紫外辐射强度下的光氧老化性能进行了研究.王芳娟[7]分别在无应力(0%)以及5%、10%、20%三种应力荷载作用下，采用人工加速老化和大气自然老化方法对PVC试样进行光氧老化试验，既研究了不同应力作用下膜结构材料的光氧老化性能，又比较了不同应力作用下人工加速老化和大气自然老化之间的相关性.徐晓伟[8]和张敏[9]分别针对PVC和HDPE膜材，对比分析了同种材料在大气自然老化以及人工加速老化条件下的老化性能相关性.

目前评价膜材老化的试验方法主要有三类：自然老化、人工加速老化和服役老化[10].现有的试验思路都集中于使用全新膜材简单模拟张拉受力情况，以及对比自然老化和加速老化的情况.但是对于实际工程而言，对空间结构的受力多样性以及真实环境影响的复杂耦合性进行简单分析都是极其困难的，因此单纯采用单一的线性模拟的分析思路都具有一定的局限性.

目前国内大批P类膜材的膜结构进入更换时期，但是对于膜结构使役和更新缺乏合理的评价标准，对使役膜材的力学性能缺少系统研究.本文基于南京国际展览中心膜结构的特定环境以及建筑结构特点，选用服役于2000～2019年的主体跨内膜材进行力学试验，基于其老化率得出了变化特性，对工程设计百富策略白菜网具有一定的参考价值.

基于《膜结构检测技术规程》(DG/T J08-2019-2007)[11]和文[12]提出的低周循环双轴剪切模量测试方法，对实际百富策略白菜网退役膜材进行一系列力学性能试验，其中单轴试验(抗拉强度、撕裂强度、连接强度、单轴循环试验)和双轴弹性模量试验的测试方法参考《膜结构检测技术规程》,双轴剪切试验的测试方法参考文[12].

南京国际展览中心膜结构建成于2000年8月，位于江苏省南京市(亚热带季风气候),年日照时长为1400～2200h, 太阳年辐射量为1163～1393kWh/年，年平均温度为11.81～20.43℃,年平均降水量为88.10mm, 年平均风速为2m/s[13].

由于老化、污染、应力松弛等原因，于2019年3月对膜结构屋面更换.原膜材为Ferrari 1202T2,基布为聚酯纤维织物，涂层材料为PVDF(聚偏氟乙烯).更新膜材为Ferrari TX30-2,涂层为PVDF三维交联涂层(Cross-link).

试样为长条状，采用切割法取样，剪取试样的长度方向平行于膜材的经向或纬向，试样有效宽度为50±0.5mm、长度600±1mm、端部200mm为缠绕夹持段.使用10kN的传感器，拉伸速率采用100mm/min, 测距为200±1mm, 试验采用缠绕式夹具.经纬试件数量20个，有效试验5组，试验结果分别取经向、纬向抗拉强度的平均值.

单轴循环拉伸试验通过多循环加-卸载过程揭示材料在低应力水平下的抗变形能力，定量描述其弹性常数和残余应变等参数.

单轴循环拉伸试验采用平口夹具，试件长300mm、宽50mm、标距200mm, 两端各50mm为夹持端.加载速度采用100mm/min, 循环次数采用15次，每次循环定义相同的荷载峰值与谷值，其中峰值为单轴抗拉强度值的25%,谷值为线应力1N/mm(本试验选定50N).有效试验均不少于5组，分别为7和8组.

单轴撕裂强度试验采用梯形撕裂强度测试，试件如图1所示.裁剪宽50±0.5mm、长180mm的长条形试样，在试样上标记等腰梯形，梯形两腰为夹持线.在等腰梯形上底边中央处与边垂直方向切开切口，切口长度为25±0.5mm.对试样连续施加负荷，加载速率采用100mm/min, 使试样沿着切口撕裂.完全撕裂时，记录力-位移曲线最大的五个波峰强度值的均值作为该试样的撕裂强度值.本试验共取得经纬向有效数据各20组.

本退役膜材连接方式为单侧单层焊接带的纬向连接，焊接带平均宽度为76mm, 按照膜材抗拉强度的检测方法检测膜片的连接强度.本试验共取得纬向有效数据15组.

采用双轴拉伸试验机对十字形切缝试样分别沿经向、纬向施加荷载，可得到不同加载状况下膜材经向和纬向的应力-应变曲线，由此可计算得到工程中膜材经纬向的弹性常数(弹性模量和泊松比).本试验共取得有效数据4组.

本试验共选取1∶1、2∶1、1∶2、1∶0、0∶1五种应力比，在不同比例加载之间增加1∶1过渡加载，即增加4组过渡加载.对于最大荷载，由于本试验膜材经向和纬向的抗拉强度有所区别，因此取其中较低值的1/4作为试验最大荷载，即23N/mm.

双轴剪切试验采用十字形试件，经向或纬向轴都与加载臂轴成角为45°.本试验共使用4个有效试件，每个试件都进行了最大剪应力分别为1.5N/mm、2.0N/mm、2.5N/mm、3.0N/mm的试验，取得有效剪切刚度数据共16组.

膜材经向和纬向的单轴抗拉试验力-位移曲线分别如图2和图3所示，由曲线可知整体重复性较好.

采用老化率γ表征经纬向织物抗拉强度的损耗，计算公式如式(1)所示：

γ=σμ1−σμ2σμ1×100%γ=σμ1-σμ2σμ1×100% (1)

式中：γ为老化率；σμ1为初始抗拉强度，以全新膜材抗拉强度为表征；σμ2为老化后抗拉强度，以退役膜材抗拉强度为表征.

单轴抗拉强度平均值与相关计算结果列于表1,其中全新膜材指标参考文[14].

从表1可知：

(1)经向膜材的老化率11.42%大于纬向膜材的老化率2.12%,几乎是6倍的关系.膜材之间的连接形式为纬向连接，可推测认为是由于经向为主要传力与受力结构导致；

(2)经向膜材的相对标准差7.75%同样大于纬向的相对标准差4.94%,说明经向膜材的离散性大于纬向.

经向和纬向单轴循环曲线分别如图4和图5所示，可知本试验的可重复性较好.

单轴弹性模量的计算方式为第15次循环的加载曲线所得直线的斜率；单个试件残余应变的计算方式为每个试件的15次循环卸载至循环下限时产生的残余应变之和.其中，单轴弹性模量、残余应变平均值以及相关计算结果见表2、表3.

由表2和表3可知：

(1)经纬向单轴弹性模量均值分别为847.54N/mm和818.50N/mm, 其比值为103.6%,说明本组样品的经纬向单轴弹性模量结果相近；

(2)经纬向单轴残余应变分别为2.726%和4.665%,其比值为58.44%,说明本组样品的纬向残余应变大于经向近乎1倍，因此在工程设计中应考虑到纬向膜材的残余应变更大的情况；

(3)经纬向单轴弹性模量的相对标准差分别为1.51%和1.78%,残余应变的相对标准差分别为4.36%和3.46%,初步说明本组试样经纬向的单轴弹性模量和残余应变的离散性较为接近，且都较低.

经向和纬向单轴撕裂强度试验曲线分别如图6和图7所示，可知本试验的可重复性较好.

单轴撕裂强度平均值与相关计算结果列于表4,其中全新膜材指标参考文[14].由表4可知：

(1)纬向膜材的平均撕裂强度相对全新膜材下降18.06%,然而经向膜材的平均撕裂强度却提高了2.45%.造成这种差异的首要潜在原因为不同批次的膜材力学性能有所差异；其次，经向为建筑的主要受力方向，这也会影响材料的力学性能；

(2)经纬向的单轴撕裂强度相对标准差分别为5.51%和6.50%,说明本组试样经纬向的单轴撕裂强度的离散性较为接近，且都较低.

焊缝拉伸强度试验曲线如图8所示，可知本试验的可重复性较好.

焊缝拉伸强度平均值与相关计算结果见表5,其中本试验出现的几种断裂位置如图9所示.由图9可知，本试验的主要破坏形式可分为非钳口破坏和钳口破坏.其中，非钳口破坏可分为焊缝处破坏和非连接处破坏，因此本试验可将破坏类型分为三类.由表5可知：

(1)接缝破坏和钳口破坏为主要的破坏形式且破坏数量相近，分别占总破坏形式的40%和53.3%,其中钳口破坏形式比例较高的潜在原因为涂层老化后发生硬化，在钳口受力下容易出现端部涂层开裂，这对端部的破坏具有一定的诱导作用；

(2)焊缝拉伸强度的相对标准差为4.01%,试验离散度较低，即钳口断裂强度和非钳口断裂强度相差不大，处于5%的合理误差范围内.这点不同于全新膜材的单轴抗拉试验应舍去由应力集中现象导致的钳口断裂的试验结果；

(3)焊缝拉伸强度平均值为3726N,与同类材料单轴拉伸强度试验结果比值为73.58%,即退役膜材的焊缝拉伸强度平均值低于单轴拉伸强度；作为对照组进行对比参考，退役膜材的焊缝拉伸强度平均值与全新膜材单轴拉伸强度平均值之比为72.01%.

不同加载比例下的应力-应变曲线如图10,可知本试验的可重复性较好.

采用应变残差最小，根据膜结构规程关于弹性模量计算方法计算，双轴拉伸循环试验结果见表6,其中全新膜材的弹性常数参考文[15].由表6可知：

(1)在双轴循环试验下，退役膜材的弹性模量变化并不大，并出现弹性模量数值在全新膜材弹性模量数值的一定范围内浮动的现象.这种现象的潜在原因为不同批次的膜材具有力学性能的差异；

(2)在双轴循环试验下得出的泊松比数值比全新膜材大2倍以上，可初步推断膜材的老化对泊松比具有较大的影响；

(3)经纬向弹性模量的相对标准差分别为5.73%和5.15%,泊松比的相对标准差分别为4.52%和4.81%,可初步判断本组试样经纬向弹性常数的离散性较为接近，且都较低.

4种剪应力下的剪应力-剪应变循环曲线如图11 所示，可知本试验的可重复性较好.

基于剪应力分别为1.5N/mm、2.0N/mm、2.5N/mm、3.0N/mm试验下的退役膜材剪切刚度试验结果见表7.剪应力为2.0N/mm时全新膜材的剪切刚度试验结果参考文献[15],将该结果与退役膜材在相同最大剪应力下得到的剪切模量进行对比分析，结果如表8所示.

由表7可知，在试件正常试验下，随着剪应力的增加，剪切模量随之下降；试件之间的剪切模量相对标准差在20%左右波动，即剪切模量结果离散性较大，说明剪切模量的试验结果受试验样品的老化程度影响较大.

由表8可知，退役膜材的剪切模量相对于全新膜材提高了2倍以上，其潜在原因在于涂层的硬化以及服役膜材在长期受力下导致经纬向之间纱线并非正交，即偏移角的出现增加了膜材的抗剪性能.

本文对南京国际展览中心的主体跨内退役膜材进行了一系列力学性能试验，并将试验结果和全新膜材力学性能指标或试验结果进行对比，得到服役老化后膜材力学性能指标的变化率和相对标准差.主要结论如下：

(1)对于退役膜材的经纬向确认，可根据焊接带的位置进行初步确定.本工程采用纬向焊接，因此可基于此初步确定经纬向并取得相应试件；

(2)相比于全新膜材，退役膜材的研究还应注意涂层硬化以及长期服役使得经纬向纱线产生显著纬斜而对力学性能产生的影响；

(3)对于单轴抗拉试验，经向老化率为11.42%,纬向为2.12%;

(4)对于单轴撕裂强度试验，纬向老化率为18.06%;

(5)对于焊缝强度试验，纬向老化率为27.99%;

(6)并非长期处于服役状态下膜材的力学性能都将受到折减.以剪切刚度为例，涂层的硬化以及长期服役受力下产生的纱线间的偏角将提高膜材的抗剪切性能，从而提高膜材的剪切模量.