膜结构是近几十年国际上正在研究并逐渐发展的一种新型空间结构，是一种效率极高的张力集成体系，可以充分发挥钢索的强度与张拉整体结构的空间作用，这种结构一经问世便以其新颖的造型、巧妙的构思、经济的造价得到青睐，并成功地百富策略白菜网于体育场馆、娱乐商业中心、展览馆、候机大厅等大跨度建筑物中，被誉称为“21世纪的建筑”[1]。

涂层织物类膜材是一种复合材料，一般由基层、涂层、面层组成。基层由各种织物纤维编织而成，决定膜材的结构力学特性。涂层和面层保护基层，且具有自洁、抗污染、耐久性等作用。常用的涂层织物类膜材有外涂聚四氟乙烯的玻璃纤维类膜材（一般称为PTFE膜材）和外涂聚氯乙稀的聚酯纤维类膜材（一般称PV C膜材）。

PV C膜材价格便宜，百富策略白菜网较为广泛。膜材柔软，具有良好的拉伸性能，便于制作张拉，对裁剪中的误差具有良好的适应性。但其耐久性和自洁性较差，空气中的尘埃和脏物附着于膜面，使表面变脏，透光率降低，从而降低其使用年限。为改善此类膜材的耐久性和自洁性，可以在涂层外增加聚氟乙烯（PV F）或聚偏氟乙烯（PV D F）面层。

PTFE膜材具有良好的耐久性，在大气环境中不会发黄、霉变等；而且具有良好的自洁性，雨水会在其表面结成水珠而流走。但其价格较贵，而且膜材刚度较大，运输及施工过程中的卷、折会使膜材强度降低，需要在设计、裁剪过程中进行精确计算[1]。

热塑化合物类膜材，主要指乙烯-四氟乙烯共聚物（ETFE），通常百富策略白菜网于需要高透光率、造型丰富的建筑物。ETFE膜材比涂层织物类膜材更轻更薄，透光率更高，其厚度通常小于0.3m m，透光率可达95%，通常用于充气式膜结构中。

近几年，随着膜结构的广泛百富策略白菜网，膜结构的损伤、破坏事故也随之而来。按膜结构破坏程度可分为局部性破坏和整体性破坏两大类，前者是指经局部合理修复原膜结构仍可继续使用的情况，后者是指膜结构需要重建或者膜面需要置换的严重破坏。按破坏位置可分为膜面破坏、膜节点破坏和膜结构整体破坏三种情况[1]。

(1）膜面破坏

膜结构膜面破坏可大致分为材料性损伤和结构性破坏两种。前者主要是膜材涂层的剥落、老化、积灰等；后者主要包括膜面的局部裂口、褶皱、积水等。

(2）膜节点破坏

膜节点是膜结构中最为薄弱的位置，膜面和其它材料的连接必然会对膜材料造成损伤，再加上节点区可能出现的应力集中等现象，使得膜节点成为膜结构中最容易出现破坏的位置。另外，膜节点还经常会出现漏雨等功能性破坏，严重影响了膜结构的正常使用。

(3）膜结构整体破坏

膜结构整体破坏一般在以下两种情况下出现：

1）膜面、膜节点的局部破坏处理不当或因未及时发现没有进行处理而最终发展成为膜结构整体性破坏。例如，膜面或膜结点处膜材裂口极易因双向受拉和应力集中而迅速扩展造成膜面整体性破坏；膜面局部积水会产生积聚效应使该位置膜面变形、应力急剧增大直至破坏。

2）受强风、暴雪等恶劣天气条件影响，膜结构出现结构整体性破坏。这种破坏具有突然性和瞬时性等特点，且由多种因素共同造成。

(4）膜结构其它破坏

以上膜结构破坏形式大都发生在膜结构使用状态，在膜结构的施工安装过程中也会有一些膜结构的损伤、破坏发生。如膜材加工安装不当，也可能会造成膜面的裂口，施工单位往往会采用在局部热合补强膜片进行修补，“补丁”打得多了也会对膜结构的建筑美观造成影响。另外一种问题则是膜结构特有的施工事故，即由于设计、剪裁不准确造成膜面无法张拉到位。

膜结构复杂多变的建筑造型、通透轻巧的结构特征是其最大的优势和特点，但也使膜结构对外部环境极其敏感[2]。

(1）膜材料是一种复合材料，其性能易受外部环境影响。膜材在受日光、冷热、风雨、灰尘等外部环境影响，会出现膜材变色、涂层剥落、发霉等；同时膜材力学性能会在外部环境影响下随时间增长而衰减，进而降低结构的安全度。

(2）和传统的结构体系相比，膜结构对风环境极其敏感。膜结构几何形状的不规则直接决定了作用其上的风压分布特性的复杂性，同时由于膜结构轻而薄，在动力风作用下膜面的大变形和振动反过来会改变动力风流场，进而改变风场对结构作用效应。

(3）作为一种预张力结构，膜结构自身对膜面局部损伤的抵抗能力很差。由于膜面始终处于双向张拉的状态，局部撕裂等破坏会迅速扩展。尤其对于张拉膜结构体系，由于预张力膜面同时也是结构成形并使之具备整体刚度的必要条件，膜面张力的丧失进而会造成结构整体的坍塌破坏。另一方面，膜面预张力的损失亦会给结构安全性造成影响，轻者局部膜面出现褶皱，重者使结构丧失整体刚度而破坏。

除了由于环境的恶化和制造缺陷造成的强度降低外，膜结构的撕裂强度也非常重要。在设计中对膜材强度以安全系数的方式予以折减的主要原因，是由于材料的低撕裂强度造成了许多张力膜的严重破坏。

涂层织物类材料的缺陷与损伤主要分为：制造缺陷、使用缺陷和环境损伤。

制造缺陷通常有两类：材料预浸和成型过程中产生的缺陷及机械加工和最后组装时产生的缺陷。典型的制造缺陷有空隙、气泡、富胶、贫胶、外来物夹杂。不正确的纤维取向、划伤、不正确的钻孔和过紧连接等。典型的使用损伤有：划伤、擦伤、边缘损伤、穿透性损伤等。典型环境损伤有：闪电冲击引起的表面氧化、冰冻、溶化引起的湿膨胀和热冲击造成的分层和脱胶、夹芯结构水分侵入引起的腐蚀等。

膜材的撕裂破坏通常是由初始的小洞、裂缝及缺陷引发的，应保证建筑膜材在正常使用条件下，产生的微小裂缝或缺陷，但不会迅速扩展导致更大面积的撕裂破坏。膜的抗撕裂能力与其粘结强度有关。粘结强度增加时，抗撕裂性能会减小。因为膜材的抗撕裂破坏能力主要取决于初始裂缝形状的改变，应调整布丝的受力，而不应限制它的滑移，所以粘结强度不宜过大。此外，抗撕裂延伸性能还会受到基布材料、编织方法及涂层的影响。

膜材的抗拉强度、粘结强度与抗撕裂强度之间有很大的相关性。涂层织物类膜材有很高的抗拉强度，但撕裂强度相应较低，这是由于其很高的弹性模量及基布与涂层间的粘结强度较大的缘故。高的弹性模量限制了基布的拉伸、延展，而粘结作用又阻止了基布和涂层间的滑移，进一步限制了膜材的拉伸延展，这种特性使高抗拉强度膜材实际可用的抗拉强度大大降低，因为在实际工程中，膜材的破坏主要是抗撕裂强度不足引起的撕裂破坏。

涂层织物类膜材的断裂，常因其内在缺陷尺寸不同而表现出不同的断裂模式，断裂模式通常分为两类，一类是“总体损伤模式（general dam age m ode）”，指固有缺陷较小时，应力的增大虽也引起缺陷尺寸一定程度的增大，更重要的是引发了更多的缺陷，进而在较大范围内产生较为密集的缺陷分布，这类缺陷导致材料的总体破坏。二类是“裂纹扩展模式（crack propagation m ode）”，指当缺陷尺寸较大时，由于应力集中造成缺陷（往往是裂纹）的扩大，导致的材料破坏。在整个材料的断裂过程中，这两种模式有可能其中一种占绝对优势，也有可能两种同时出现。本文研究的是第二种，即“裂纹扩展模式”。

根据线弹性断裂力学的观点，在裂纹扩展过程中，施加于物体的外力功，必须抵偿物体增加应变能和产生新裂纹表面所需的表面能，即

其中，W为外力功，U为应变能，γs为形成新裂纹表面时单位面积所需的能量，即材料的表面能，dA为裂纹表面积增量。

如果假定，除裂纹顶端附近极小的一个区域内发生不可逆变形，其他整个物体均处于可恢复的弹性变形状态，则上式可以改写成：

式中，U为可恢复的变形能，U'为不可恢复的应变能。这样，上式左侧就是能量释放率G，代表促使裂纹扩展的驱动力，而右侧则为一材料常数，临界能量释放率，他代表材料对裂纹扩展的阻力，即断裂韧性。对于Ⅰ型裂纹（张开型），通过弹性力学解得其尖端应力分量为：

式中，KI就是Ⅰ型裂纹的应力强度因子（stressintensity factor）。对于理想的Ⅰ类裂缝，，式中，σ为平均应力，a为裂缝长度的一半。需要注意的是，应力强度因子与应力集中系数 (stressconcentration factor) 是完全不同的参数。应力集中系数是应力集中处最大应力与名义应力之比，它反映了应力集中的程度，是一个无量纲的参数。而应力强度因子从总体上反映了裂缝尖端附近应力场奇异性的强弱，是具有量纲的参数，其量纲为力×长度-3/2[3]。

裂缝尖端的应力均与KI成正比，KI越大，则应力趋向无穷大的趋势也愈快。应力强度因子的大小与荷载性质、裂缝的几何形态等因素有关。同一类型的裂缝在不同荷载作用下，应力强度因子不同，但与荷载成线性关系，可采用叠加原理求得。应力强度因子反映了裂缝尖端附近应力场的强弱，随着外加应力的增大，应力强度因子也将增大。但是增加到某一值时，即使外加应力不再增加，裂缝也会迅速扩展而导致构件断裂或结构发生脆性破坏，这个极限KIC，即断裂韧度。因此结构或构件发生断裂的条件为：KI≤KIC，可以通过试验来测定断裂韧度。

本文概括了常见的膜结构破坏形式，对膜材料的破坏机理进行了分析，根据断裂力学的观点，提出了一种测试材料断裂韧性的方法，为膜结构设计提供了借鉴。