自从上世纪五六十年代诞生以来, 膜结构以其丰富的结构造型、极轻的自重, 日益受到众多建筑师、结构师的青睐, 目前已经成为大跨度空间结构领域的重要组成部分。上世纪末膜结构引入中国, 并在短短的几年内得到极大的发展。膜结构的理论研究和计算分析方法日益成熟, 膜结构设计施工企业的数量增多、规模迅速壮大, 大量的体育场馆、展览馆等采用了这种结构形式。但总体上, 国内的膜结构行业和国外先进水平相比仍有相当的差距。膜材料主要依赖国外进口, 缺乏相应的测试和检测仪器以及成套的标准、规范体系, 在膜材料性能测试以及膜结构检测验收等方面仍基本处于空白状态。膜结构技术百富策略白菜网领域的相对滞后已经成为制约膜结构行业健康发展的瓶颈[1]。

近几年, 大大小小的膜结构破坏事故频发, 既有强风造成的膜结构掀起, 强风卷起的尖锐异物切割膜面致使膜面撕裂破坏, 积雪造成的膜结构垮塌这样的整体性破坏, 也有节点、连接不合理造成的膜面漏水, 膜面预应力不合理造成的膜面松弛、褶皱和积水等局部破坏。除了恶劣的气候条件等外部原因, 造成诸多膜结构破坏的另一个重要原因在于国内膜结构行业技术、百富策略白菜网领域滞后, 主要包括:膜材料的各类强度指标确定缺乏科学的统计数据, 仅仅依靠膜材厂家提供的技术资料;膜结构构造措施的不合理, 尤其是膜结构连接、节点处往往是膜结构的薄弱处, 缺乏相应的试验研究确定膜结构连接、节点的实际承载能力;膜面预张力无法检测, 仅仅依靠施工人员的经验判断膜面预张力水平, 缺乏科学、准确的测量方法;对膜材料的弹性模量、剪切模量、应力松弛量、收缩率等在膜结构设计、施工过程中至关重要的材性数据缺乏准确的研究手段, 致使实际结构和设计水平有一定的差距。

由此可见, 开展膜结构检测是确保膜结构安全的主要手段。针对这一问题, 本文介绍了包括膜材料强度指标、力学参数的测试方法以及膜结构连接性能检测、膜面预张力测量等关键技术的研究进展, 并对包括检测规范编制在内的今后工作做出展望。

膜结构检测主要包括膜材料性能的测试和膜结构整体的检测。前者主要确定膜材料的强度指标和弹性参数等, 为膜结构的设计、施工提供技术依据。后者主要包括膜结构的节点强度、防水性能以及膜面预张力水平的现场测试等几个方面。

单轴拉伸试验是膜材力学性能测试的基本手段之一, 主要确定膜材的抗拉强度、断裂延伸率和撕裂强度。抗拉强度试验[2,3]通常采用矩形试件, 长向为膜材径向的称为径向试件, 长向为膜材纬向的称为纬向试件, 如图1所示。梯形撕裂法和双舌撕裂法 (图2) 是目前国外相关检测标准[3,4,5]常用的两种膜材撕裂试验形式, 用以测试膜材经向、纬向的撕裂强度。图3所示为两种撕裂试验的破坏模式, 二者相比, 梯形撕裂法撕裂模式较为简单, 试验结果更为稳定。

通过单轴拉伸试验确定膜材的各类强度指标, 针对各类膜材进行大量的试验研究, 积累统计数据, 是编制膜结构规范、确定膜材强度设计取值的基础性工作。

膜结构中膜面处于双轴拉伸状态, 膜材的弹性模量、泊松比等力学参数应根据双轴拉伸试验确定。目前通常采用的双轴拉伸试验为十字形试件双轴拉伸试验, 如图4所示。双轴拉伸试验在膜材经纬两向施加各种比例的荷载, 并使用应变计或非接触传感器同步采集膜材中心处应变值。目前欧洲和日本已制定相关规范[6], 采用十字形双轴试验确定膜材的弹性模量和泊松比。

膜材在张拉成形后的一段时间内, 会产生徐变和应力松弛。在使用过程中膜材的徐变和应力松弛会使膜面发生松弛, 并可能产生褶皱现象。一般膜材的徐变量和弹性伸长量相比不可忽略, 应力松弛将使预张力下降较多, 在膜结构的剪裁分析中必须考虑。通过双轴拉伸试验可考察膜材的徐变和应力松弛效应。

图4所示为同济大学自行研制的膜材双轴拉伸试验机, 可以进行不同拉伸速度和控制两方向不同拉力比例的拉伸试验[7]。

耐候性能是指建筑膜材暴露于日光、冷、热、风雨等自然条件下的耐久性。对于膜材这种复合材料, 涂层材料的老化会影响其建筑物理性能, 而基材的老化将会影响膜材的力学性能。耐候性试验通常有自然气候老化和人工气候老化两种试验方法。人工气候老化是指利用氙灯耐候试验箱加速模拟自然气候变化, 将试样曝露于规定的环境条件和试验箱光源下, 通过测定试样表面的辐照度和辐照量与试样性能的变化, 评定膜材料的耐候性。例如, 日本工业标准JIS A 1415要求, 对PTFE膜材, 波长在300nm~400nm范围内辐照总量大于1350MJ/m2, 对PVC膜材大于270MJ/m2。经加速老化后的膜材试样的抗拉强度不小于原膜材抗拉强度的80%。

考察膜材的耐久性, 耐候性试验必不可少。但由于试验设备价格昂贵, 试验周期长, 国内还很少进行这方面的研究。

膜结构连接强度检测包括膜-膜连接、膜-柔性边界以及膜-刚性边界连接 (图5) 的强度检测。在连接处膜材需要进行热合、粘接、穿孔等处理, 造成连接处膜材局部削弱, 并可能出现应力集中现象, 因此连接处往往成为膜结构的薄弱位置, 连接处的强度成为膜结构整体性能的重要指标之一。膜结构连接形式多样, 只有通过试验才能确定连接的实际强度, 验证其是否满足设计要求。

检测膜材试件的水密性能包括膜材自身的渗水性能以及膜-膜连接、膜-边界连接的水密性能。膜材自身的渗水性能可以利用静水压试验测试[8], 膜结构拼接单元的水密性能可以参照门窗水密性能试验方法[9], 利用压力箱在膜面两侧形成压力差, 在膜面一侧按规定喷水量连续喷水, 根据膜面另一侧出现渗漏时的压力差值确定膜材试件的水密性能。

对于膜结构这样的预张力结构, 引入合理的膜面预张力水平至关重要。但是由于国内缺乏相应的测试技术和设备, 只能凭经验判断预张力水平。同济大学自行研制开发了膜材预张力测量技术和相应设备, 并已分别申请了国家发明性专利和实用新型专利[10]。

图6为膜材预张力测量仪及其验证试验装置。通过对常用的六种类型膜材进行的大量试验验证表明, 仪器测量结果有很高的稳定性和较高的准确性, 平均测量误差在10%左右。目前, 膜面预张力测量仪已经百富策略白菜网在一些工程中 (图7) , 并取得了良好的效果。现场百富策略白菜网的结果表明, 该仪器测量结果稳定可靠, 仪器轻便小巧, 操作方便。

膜结构、膜材料的检测是一项涉及到结构、建筑、材料乃至测试设备等多行业的综合性技术, 目前国内在该领域基本处于空白状态。大量的系统性工作亟待开展, 包括测试标准和检测规范的制定、检测技术的研究和百富策略白菜网推广、试验数据的积累等。这些工作需要膜结构行业各方面的机构、企业和人员足够重视并相互配合, 共同促进中国膜结构行业的健康、规范发展。