摘 要：本文簡(jiǎn)要介紹了
膜結(jié)構(gòu)的概念、起源和發(fā)展以及膜材料的組成、分類和性質(zhì)等基礎(chǔ)知識(shí)，接著比較全面地論述了膜
結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的理論方法，包括找形分析、
荷載分析和裁剪分析等，并指出常用的計(jì)算機(jī)分析軟件。文中并沒有深入論證膜結(jié)構(gòu)的技術(shù)細(xì)節(jié)，而重點(diǎn)在于膜結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)和設(shè)計(jì)方法的概念性介紹。
關(guān)鍵詞：膜結(jié)構(gòu)，膜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，找形分析，荷載分析，裁剪分析
1、膜結(jié)構(gòu)與膜材料
1.1 膜結(jié)構(gòu)概念、起源和發(fā)展
膜結(jié)構(gòu)(Membrane Structure)，也即張拉膜結(jié)構(gòu)(Tesioned Membrane Structure)，是依靠膜材自身的張拉力和特殊的幾何形狀而構(gòu)成的穩(wěn)定的承力體系。膜只能承受拉力而不能受壓和
彎曲，其
曲面穩(wěn)定性是依靠互反向的曲率來保障，因此需制作成凹凸的空間曲面，故習(xí)慣上又稱
空間膜結(jié)構(gòu)。
古老的膜結(jié)構(gòu)在公元前幾千年就已經(jīng)出現(xiàn)，最早是由天然枝條和獸皮搭成的帳篷(Pavilion)，然后發(fā)展到由鐵木和帆布制作成各種各樣的形狀。但是，從歐洲古羅馬帝國(guó)、中國(guó)漢朝時(shí)代到十九世紀(jì)末，膜結(jié)構(gòu)幾乎處于一個(gè)停滯發(fā)展的階段。直到第二次工業(yè)革命,化學(xué)工業(yè)和工程力學(xué)迅速發(fā)展，高分子
合成材料技術(shù)得到大力改進(jìn)，膜材料擺脫茹毛飲血的狀況,現(xiàn)代膜結(jié)構(gòu)才開始蓬勃發(fā)展。另外，兩次世界大戰(zhàn)也加快了膜結(jié)構(gòu)的發(fā)展。
1917年美國(guó)蘭徹斯特建議利用新發(fā)明的電力鼓風(fēng)機(jī)將膜布吹脹，作野戰(zhàn)醫(yī)院，但沒有真正成為使用的產(chǎn)品。1946年，一位名為貝爾德的人為美國(guó)軍方做了一個(gè)直徑 15m圓形充氣的雷達(dá)罩，由此而衍生出了新的膜結(jié)構(gòu)工業(yè)產(chǎn)業(yè)。最受人注目的是1967年Frei Otto設(shè)計(jì)的加拿大蒙特利爾
博覽會(huì)上的西德館，其以輕質(zhì)透明有機(jī)織片作為頂部結(jié)構(gòu)，開了膜結(jié)構(gòu)商業(yè)化的先河。1970年日本大阪萬國(guó)博覽會(huì)上一座氣承式膜結(jié)構(gòu)的擬橢圓形美國(guó)館（尺寸140×83.5m），首次采用了
聚氯乙烯(
PVC)涂層的
玻璃纖維織物，這是世界上第一個(gè)大跨度的膜結(jié)構(gòu)。以后，膜結(jié)構(gòu)象雨后春筍，迅速發(fā)展。
膜結(jié)構(gòu)的發(fā)展總是和膜材（Membrane Material）的進(jìn)步分不開的，下面先介紹膜材料。
1.2 膜材料的組成和分類
通俗地講，膜材就是氟
塑料表面涂層與織物布基按照特定的工藝粘合在一起的
薄膜材料。常用的氟素材料涂層有PTFE（聚四氟乙烯）、
PVDF（聚偏氟乙烯）、PVC（聚氯乙烯）等。織物布基主要用
聚酯長(zhǎng)絲（滌綸PES）和
玻璃纖維有兩種。
膜材的粘合就是將涂層與
基材合二為一組成整體。建筑結(jié)構(gòu)所用的膜材大多是以
壓延成型和涂刮成型的。 所謂壓延成型，就是將選定的軟PVC經(jīng)塑煉后投入壓延機(jī)，按照所需厚度、寬度壓延成膜，立即與布基粘合，再經(jīng)過軋花、
冷卻即可制得壓延膜材。而涂刮成型，則是將聚氯乙烯糊均勻地涂或刮在布基上，再加
熱處理即可獲得涂刮膜材，普遍的是采用刮刀直接涂刮，也有采用輥式涂刮的。
根據(jù)表面涂層(Coating)和織物基材(Layer)不同，膜材料分為三大類。（1）A類膜材是玻璃纖維布基上敷聚四氟乙烯
樹脂(PTFE)，這種膜材的化學(xué)性能極其穩(wěn)定，露天使用壽命達(dá)25年以上，為不燃材料(通過A級(jí)
防火測(cè)試)。(2) B類膜材料是玻璃纖維布基上敷
硅酮涂層，由于膜材自身性能欠佳，現(xiàn)在基本不再使用。(3 ) C類型膜材料是聚酯長(zhǎng)絲布基上涂聚氯乙烯樹脂(PVC)，這種膜材受自然條件如日曬雨淋等影響較大，一般使用壽命為10年至15年，是難燃材料（(通過B1級(jí)防火測(cè)試)。
1.3 膜材料的性質(zhì)
膜作為繼
木材、磚石、
金屬、
混凝土之后的第五代建筑
結(jié)構(gòu)材料，具有顯著的自身特性。第一代木材和第三代
鋼材拉壓性能均良好，第二代磚石和第四代混凝土則只具備良好的抗壓能力，作為第五代的膜材料則只能受拉，沒有承壓和抗彎曲能力，這是膜的最本質(zhì)的特征。具體地講，膜材的主要特征如下：
（1）
拉伸性能
膜材的拉伸性能包括
拉伸強(qiáng)度(Tensionn Strength)、
拉伸模量(Modulus of Elasticity)和
泊松比(Poisson’s Ratio)三個(gè)力學(xué)指標(biāo)。
膜材本身不能受壓也不能抗彎，但具有很高的拉伸
強(qiáng)度，所以要使膜結(jié)構(gòu)正常工作就必須引入預(yù)拉力、并形成互反曲面。通常膜材料的拉伸強(qiáng)度都可達(dá)100MPa以上。
模材
應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系是
非線性的，一般采用切線
模量作為
彈性模量，膜材的
彈性膜量約為鋼的1/3左右。
膜材的泊松比，即橫向
變形特征，約為0.2左右。由于膜是雙向受力結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)時(shí)必須以膜材的雙軸拉伸實(shí)驗(yàn)確定膜的彈性膜量及泊松比。
（2）
撕裂強(qiáng)度
膜材是張拉結(jié)構(gòu)材料，其撕裂破壞比受拉破壞要嚴(yán)重很多，所以撕裂強(qiáng)度和抗撕裂性能非常重要。PVC涂覆聚酯長(zhǎng)絲織物具有中等的撕裂強(qiáng)度，PTFE涂覆玻璃纖維的材料具有較高的撕裂強(qiáng)度。
上一頁12下一頁
