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常州膜结构建筑的强度性能及连接技术

常州膜结构建筑的强度性能及连接技术

1、薄膜材料的材料性能

1.1 基布材料

大部分基布的编织方向呈直角,亦可有所偏移,属于各向异性材料。在编织过程中,经线拉得较紧,柔性较纬线差。基布材料主要有聚酰胺、聚酯纤维、玻璃纤维、芳酰胺纤维。

1.1.1  聚酰胺

聚酰胺一般称为尼龙,其耐磨性、强度较高,能耐低浓度酸,耐强碱,但易吸湿,其电性质和机械性能会受到吸湿的影响而降低。如果温度较高,可能发生氧化而变黄、变脆。此外,聚酰胺抗紫外线能力较弱,强烈的阳光照射会降低它的强度。

1.1.2  聚酯纤维

聚酯纤维一般称为涤纶,与聚酰胺相比,其抗拉强度较低,抗紫外线能力稍强,不易吸湿,因此尺度稳定性好,价格较便宜,应用较广泛,可用于一般性的膜结构建筑物中。

1.1.3  玻璃纤维

玻璃纤维由各种金属氧化物的硅酸盐类经熔融后抽丝制成。用于制造复合材料的特殊玻璃纤维,如高强型和高模量玻璃纤维,成分中不含硼的氧化物,称为铝镁硅酸盐系玻璃纤维。玻璃纤维拉伸强度高,耐水,耐腐蚀,化学稳定性好。但一般玻璃纤维耐酸性好,耐碱性却较差。依据玻璃成分的改变可以制得有各种特殊性能的玻璃纤维,如耐高温、优良电性能、耐酸碱、抗拉强度高和刚性大以及吸收有害射线耐老化等。玻璃纤维也有一些不足之处,如易脆裂,在荷载条件下伸缩性很小,裁剪精确度要求很高,其强度因表面缺陷而削弱,因此在加工使用过程中需采取保护性措施。由玻璃纤维制成的膜材通常用于永久性建筑中。

1.1.4   芳酰胺纤维

芳酰胺纤维是一种优良的有机纤维,比玻璃纤维质量更轻、刚性更大、强度更高,密度小,有良好的电性能和绝热性能,更能吸收机械振动和声音的振动。具有低的蠕变性和高的抗冲击性,极低的缺口敏感性和优良的抗蠕变断裂性。由于此类纤维价格很贵,目前仅限于军事工业、航空航天工业和某些特殊需要的场合。但随着科学技术的发展以及原材料来源的扩大,可以预见这种纤维在建筑材料方面的应用也会不断地增多。

1.2  涂层材料

1.2.1  有机硅树脂

有机硅树脂是高分子量的半有机聚合物,具有优异的耐高温、耐低温、憎水、防潮、电绝缘、耐辐射、氧化稳定等特性,常用作玻璃纤维的涂层,其抗拉强度和弹性模量较高,具有很好的透光性。

1.2.2  聚氨酯树脂

聚氨酯树脂是一种较新的聚合物,具有良好的粘合性,涂层光泽度高,耐磨、耐候性好。有良好的耐化学性、电绝缘性质,弹性好,透气性低。但是由于其耐水解、蒸汽和高温性不良且价格较贵,所以采用不多。

1.2.3  合成橡胶涂层。

合成橡胶(如丁腈橡胶、氯丁橡胶)韧性好,对阳光、臭氧、热老化稳定,且具有突出的耐磨损性、耐化学性和阻燃性,可达到半透明状态,但由于容易发黄,故一般用于深色涂层。

1.2.4  聚氯乙烯(PVC)

由于原料丰富、价格便宜,机械性能和耐腐蚀性好,加工方便,颜色多样化且透明度高,所以在欧洲90%以上的合成织物(聚酰胺、聚酯纤维)均采用聚氯乙烯(PVC)作涂层。

1.2.5  聚四氟乙烯(Teflon)

聚四氟乙烯触摸起来像蜡一样光滑,一般采用粉末冶金的加工技术,依据加工条件通常呈白色或带蓝灰花纹琏点。由于其使用温度范围很宽(-100~300OC)而且耐老化、耐化学侵蚀性能优于现在的任何其他有机聚合物,再加上优良的电绝缘性能以及低的摩擦系数,使其成为各工业部门都十分感兴趣的材料。涂聚四氟乙烯的玻璃纤维膜材是一种性能十分优良的建筑材料,在国外应用较多,但由于价格昂贵,大量采用还受到限制。

1.3  常用建筑膜材

1.3.1  涂聚氯乙烯(PVC)的织物

尼龙织物、聚酯织物通常以聚氯乙烯(PVC)为涂层,这种PVC涂层织物的造价相对较低,抗折性能好,运输方便,颜色多样化,但抗腐蚀能力较差,易老化,使用寿命短,自洁能力差,可用于一次性投资不高的建筑,当薄膜污染破坏后可修补或重新更换。也有以PVC为涂层的玻璃纤维织物,1970年日本大阪国际博览会美国馆首次采用该膜材,取得了很好的效果。通常规定PVC涂层在织物经纬线交点上的厚度不能少于0.2mm,但若涂层太厚,在价格及膜材重量上都是不经济的。若PVC色淡透明,则宜加0.5%紫外线吸收剂(如Tinuvin或Uvinul晶牌的紫外线吸收剂);若涂层的颜色较深(可加碳黑),那么可提高膜材的抗老化能力和耐久性。如果需要,还可在涂层上面加一层极薄的金属薄膜或喷射铝雾,用云母或石英来防止表面发粘和污染,防止PVC涂层褪色,这种表面平滑有光泽,可减少污染,有利于排水。

1.3.2  涂聚四氟乙烯的玻璃纤维膜材

由于聚四氟乙烯涂层和玻璃纤维基布的优良性能,其膜材是目前建筑薄膜材料中综合性能最优的膜材。它的优点是抗拉强度很高,抗化学侵蚀性能好,耐温差,抗老化,自洁性能好,使用寿命长,但抗折能力较差,运输安装要格外注意,裁剪加工精度要求高,加工困难,价格昂贵。这种膜材适用于永久性建筑物。

1.3.3  涂橡胶的聚酰胺织物

涂橡胶的聚酰胺膜材造价低,耐磨损,韧性好,但重量大,且橡胶容易发黄,影响美观,一般可以在深色的膜结构中使用。

2  薄膜材料的强度性能

建筑膜材屑化学建筑材料,薄且柔性很大,与一般传统结构中的建筑材料有很大的区别。膜材本身不能抗弯、抗压,抗剪能力也很弱,必须通过预张拉才具有抵抗外载的能力。此外,膜材强度也会由于紫外线的照射、吸湿受潮及温度影响等因素而不断下降。

2.1  膜材的抗拉强度

膜材抗拉试验有单轴抗拉试验和双轴抗拉试验。在实际结构中膜材处于双向受拉应力状态,所以应对薄膜的双轴张拉试验进行充分的研究。

由于膜材织物的织线没有明显的可测截面,最好的测定方法是对材料进行重量和断裂试验。编织物的拉力通常按kP/5cm计。膜材的断裂强度一般是指膜的单轴应力状态下的极限拉断强度,这不符合膜双向受拉的实际情况。一般编织物的受拉强度取决于每厘米中织线的数目、织线的登尼尔(900cm长度的线的重量)以及编织方式。高压结构中对几毫米厚的膜材强度需要超过1000kP/5cm;而低压结构对强度及延伸性能要求较低,通常0.7—1.2mm的膜材达到200-600 kP/5cm的强度即可。也可通过爆破试验测定材料的强度和伸长,对周边夹住的试件用气压或液压充胀至爆破点,爆破压力通常以kP/cm2表示。例如,某种经纬向都具有400kP/5cm拉力的聚酯织物其爆破压力为20 kP/cm2。

建筑膜材在双向受拉时,其应力一应变关系呈明、显的非线性性质,且随两轴之间应力比的变化而变化。复杂的非线性材料规律很不实用,应用近似线性化的材料应力一应变关系导致的误差很小。因为模型制作的误差、裁剪式样的变形、接缝处刚度的增大以及产生的皱折,常会进一步改变应力的分布,加之老化和永久荷载所引起的强度降低等,这种种因素都是很难测定的。所以在对膜结构进行设计时,通常仅考虑结构的几何非线性性质,认为膜材是弹性材料或正交各向异性的材料进行设计计算。

2.2  膜材的抗撕裂强度与粘结强度

可以用中间有小洞或一边有缺口的试件对膜材进行撕裂试验,以取得抗撕裂一延伸性能。粘结强度(kp/cm)是指由于材料受拉时涂层与编织物之间的粘结力。将两块5cm宽的试件用较小的压力叠合,再将其脱开,这种试验被称为“剥皮试验”。与粗纤维织物比较,光洁纤维织物的涂层机械附着能力较差。

膜材的撕裂破坏是由初始的小洞、裂缝及缺陷引发的,应保证建筑膜材在正常使用条件下,产生微小的裂缝或缺陷,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,抗撕裂一延伸性能会减小。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,抗撕裂一延伸性能还会受到基布材料、编织方法及涂层的影响。

2.3  膜材的强度性能关系

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。基布编织紧密的膜材有很高的抗拉强度,但抗撕裂强度相应较低,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。

膜材的疲劳强度比抗拉强度小得多,接缝的强度通常比材料强度小,且由于紫外线的照射会老化、变质,因此需对膜材在外部气候条件下进行性能试验,进行长期的观测。从经济的角度看,膜材的耐久性还是令人满意的。微小的损伤可以修补,除稍加清洗改善透光度外,不需其他的养护和维修。