膜结构是20世纪中后期出现的新型空间结构体系.由于其极富现代气息的艺术表现力以及完全不同于传统结构的力学性能, 膜结构的研究与百富策略白菜网受到众多建筑师、结构师和相关科研人员的关注和青睐.自1997年上海八万人体育场建成以来, 膜结构在我国已有十余年的发展历程.在工程百富策略白菜网方面, 从早期的建筑小品到体育场、展览馆等大型膜结构, 几乎涵盖了所有的结构形式.膜材料百富策略白菜网方面, PVC膜材、PTFE膜材以及最新的ETFE膜材均已百富策略白菜网, 其中PVC膜材在早期和小型膜结构中广泛百富策略白菜网, PTFE膜材主要百富策略白菜网于大型的标志性膜结构中, 而ETFE膜材则是以北京奥运会游泳中心为标志开始在国内得以百富策略白菜网, 如图1 (a) .

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.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.

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.按膜结构的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].

膜结构膜面破坏大致可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, 如图2所示.

膜节点是膜结构中最为薄弱的位置, 膜面和其他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, 如图3所示.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.图3 (b) 所示为世界上著名的德国法兰克福新森林足球场, 作为可展膜结构屋盖, 出现了因节点处理不当而导致的屋盖漏雨现象.

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.膜面或膜节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, 如图4 (a) 所示.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, 如图4 (b) 为井冈山机场候机大厅屋盖膜结构因局部积水造成的整体破坏.

(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.图4 (c) 所示为国内沿海地区某膜结构在台风登陆时被强风掀起破坏;图4 (d) 所示为温哥华冬奥会体育馆的破坏照片, 该体育场为气承式膜结构, 在暴风雪作用下坍塌破坏, 破坏过程只有短短几分钟.

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, 如图5 (a) 所示.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, 如图5 (b) 所示.

世博轴膜屋面是迄今为止国内外最大型的膜结构工程 (图16) , 其投影尺寸达80m×1000m, 计算位移超过3m, 计算应力比接近1.0, 无论是其规模之大还是其安全储备的不确定性均是世所罕见的.本文选取实际结构中有代表性的部分, 进行足尺模型试验, 分析其在静载作用下的破坏形式和破坏机理, 为实际工程的设计和施工提供参考依据.世博轴膜屋面中的膜材料采用Sheerfill-I, 根据上海市地方规程《膜结构检测技术规程》, 对其进行力学性能试验, 得到的主要力学参数见表1.在堆载试验中, 通过旋转端部套筒为膜面施加预应力, 膜面荷载通过堆沙袋模拟, 如图6所示[2].

图7为单层膜角部和双层膜角部分别在堆载15t和33t时的破坏模式.对于单层膜角部试件, 破坏时实测最大膜面应力为92.4kN/m, 约为65%的膜材单轴抗拉强度.对于双层膜角部试件, 破坏时最大膜面应力约为370kN/m, 达到膜材的单轴抗拉强度.

采用有限元软件对膜角部试件进行了数值计算, 其中膜材采用线弹性各向异性的本构关系, 破坏准则采用最大主应力原则.结果表明:单层和双层膜角部试件破坏时的膜面堆沙总重量分别为108t和180t, 对应的应力分布 (见图8) 所示.

通过比较, 发现了两个十分重要的问题.第一个问题是实验所得试件破坏荷载远低于数值分析结果, 并且实测膜面位移远小于数值计算结果 (见图9) , 这说明表1所示膜材料力学性能太过近似不能用于精确的数值分析;第二个问题是膜边界连接件在材料达到其极限强度前已经发生破坏, 这是膜结构设计中所不允许出现的, 说明多年成功百富策略白菜网于常规尺度的膜结构边界连接件不适用于世博轴结构, 必须修改膜边界连接件的设计.

研究表明, 导致膜角部实验结果与数值计算结果误差的因素有两个.其一是表1所示材料强度是单轴测试所得结果, 但实际膜面处于双轴受力状态.其二是表1所示的用于设计的膜材弹性模量为常数, 但膜材的实际弹性模量是随其应力状态一直改变的.因此, 准确把握膜材料的性能, 对于膜结构的研究和百富策略白菜网至关重要.

本文对几种常见建筑膜材料进行了单轴性能试验, 测得了相应的力学性能特性.试验设备如图10所示.试验采用的是CMT4204型微机控制电子万能实验机.ETFE膜材的试样有两种, 长条形和哑铃型, 尺寸如图11所示.而PTFE膜材和PVC膜材均采用长条形试件[3].

下面以PVC膜材为例, 简单介绍一下膜材的单轴拉伸性能.PVC膜材的单轴拉伸曲线如图12所示.可以看到, 该膜材的拉伸曲线分为三个阶段:在开始阶段, 膜材的应力-应变曲线呈近似直线, 此时为线性阶段;进入第二阶段后, 膜材的材料刚度有所下降, 此时材料处于变形强化阶段, 材料的应变迅速增加, 并且材料已逐渐呈现出弹塑性;在最后一个阶段, 膜材的材料刚度有所增加, 逐渐出现应力强化直至试样断裂, 此阶段为应力强化阶段.从经向与纬向拉伸曲线的对比中可见, 经向试样的弹性模量和抗拉强度要略大于纬向试样, 而经向试样的断裂延伸率要略小于纬向试样[4].

ETFE薄膜材料为各向同性材料.如图13所示, ETFE薄膜拉伸曲线经历了两个明显的刚性转折点.在第一转折点之前ETFE薄膜的应力-应变呈近似直线关系, 可认为材料处于弹性状态;经过第一转折点后直线的斜率迅速减小, 材料的刚性降低很大, 应变迅速增加, 但应力-应变曲线仍近似为直线;可认为在这两点之间材料发生屈服.当应力超过第二转折点时, 材料开始发生很大的塑性流动, 试样被迅速拉长, 其应力-应变曲线近似为水平直线, 当应变超过200%之后, 随着应变的大幅度增加, 逐渐出现应力强化直至试样断裂.ETFE的屈服点和弹性模量参照文献[6]选取, 如图14所示.

如图15所示, 涂层织物类膜材料的拉伸性能具有典型的正交各向异性.沿经、纬向的膜材料的拉伸断裂强度最大, 断裂伸长率纬向远大于经向.拉伸断裂强度的最小值出现在45°拉伸, 此时的断裂伸长率最大.图16表明Tsai-Hill强度准则能够对PTFE膜材的偏轴抗拉强度做出较好的预测.涂层织物类材料的单轴模量是将材料拉伸至1/4单轴抗拉强度, 然后卸载, 如此循环五次, 取最后一次加载曲线的斜率作为材料的单轴弹性模量, 如图17所示.

双轴性能试验采用的是同济大学自主开发的双轴拉伸试验机 (图18) .在相互垂直的两个方向各设置一个交流伺服电机和一个高精度丝杠, 并通过夹持装置与膜材悬臂相连, 依赖伺服电机带动正反丝杠转动, 实现膜材的双向张拉.该加载方式可以保证十字形膜材试件中心点为不动点, 且两个方向的拉伸速度既可相互独立控制, 也可连动控制, 实现任意不同拉伸速度比例下的双轴拉伸试验.试件尺寸如图18所示, 采用十字形切缝试样, 核心区域尺寸为16cm×16cm, 悬臂长16cm.试样应该按照膜材的经纬向对称取样, 且试样核心区域的臂宽以及悬臂的臂长均不小于16cm.沿悬臂方向间隔3cm～5cm做均匀切缝处理, 试样过渡圆弧半径5cm～15mm.试件的裁剪应尽量沿着膜材两相邻纱线的中间进行.

按照1∶1的加载比例进行双轴匀速加载, 主动轴按照位移控制加载, 加载速率为100mm/min, 如图19所示, 该膜材双轴受力状态下的破坏强度较之单轴受力状态下破坏强度折减程度较多, 双轴强度约为单轴强度的60%～80%[6].将膜材进行多比例拉伸, 得到膜材的双轴拉伸曲线如图20所示.可以发现, 膜材的弹性模量随着应力状态的改变而改变, 而在现行设计中却采用固定值.

膜材双轴弹性模量的测试方法:按1∶1的比例对膜材进行三次循环拉伸, 再按照五个拉伸比例 (1∶1, 1∶0, 0∶1, 1∶2, 2∶1) 对膜材进行拉伸, 记录应力、应变量, 最后用最小二乘法计算出弹性模量和泊松比.

作为一种高分子材料, 温度对于膜材性能的影响较大.本文在膜材单轴拉伸试验的基础上, 分别在-20℃, 0℃, 23℃, 40℃, 50℃, 60℃, 70℃下对几种膜材进行拉伸试验, 考察了温度对PVC膜材力学性能的影响.

如图21所示, 不同温度下各种材料的变形曲线趋势一致;随着温度的升高, 膜材料的抗拉强度、弹性模量逐渐降低, 断裂延伸率逐渐增大.利用断裂的分子理论对膜材抗拉强度受温度的影响进行了分析, 膜材的抗拉强度、断裂延伸率与温度成线性关系.

应力松弛和蠕变现象是膜材粘弹性性能的典型表现.研究膜材的应力松弛和蠕变现象, 对膜结构的裁剪分析、张拉过程分析以及研究全寿命周期内膜结构的刚度退化、二次张拉等都至关重要.图22是某ETFE膜材的徐变曲线, 图23是某PTFE膜材的蠕变柔量以及松弛模量曲线.

采用几个常用粘弹性模型对上述试验结果进行了拟合, 拟合结果较好, 如图 24所示, 可用于膜材料的粘弹性分析[8].

本文首先介绍了膜结构的几种常见破坏形式.通过世博轴局部足尺模型试验, 发现理论计算结果同试验结果相差较大, 进而发现现有设计理论存在较多缺陷.经分析发现, 主要是由于对膜材料力学性能的不了解导致的, 具体表现在弹性模量的选取和破坏准则上.在此基础上, 本文通过试验, 对几种常见的建筑膜材料进行了深入研究, 主要包括单轴拉伸性能、双轴拉伸性能、粘弹性性能及温度对于材料的影响.

待解决的问题: (1) 进行大量的双轴试验拟合出准确的本构关系, 从而进行准确的结构分析; (2) 涂层织物类膜材料作为一种各向异性的复合材料, 其粘弹性性能较为复杂, 今后需在不同应力及温度下, 对其进行更长时间的双轴应力松弛和徐变研究; (3) 通过试验来验证材料的时温等效性叠合曲线的准确性, 同时进行材料的老化性能试验, 建立这两者与材料的长期性能的关系; (4) 在设计时应考虑环境、时间等因素对材料性能的影响, 引入长期强度折减系数、温度折减系数等, 确定准确的设计分项系数.