建筑膜材料力学性能研究

时间：2024-07-28

（沈阳理工大学）

建筑膜材料力学性能研究

黄帅蔚向远袁华超

（沈阳理工大学）

时代的发展，历史的变迁，一次次的推动着社会的进步，在这个科学迅速发展的时代背景下，越来越多的领域被人们所熟知，也深刻影响着人们的吃穿住行，在此过程中值得一提的是，建筑业与材料力学等所取得的成就，它们的跨领域融合、渗透，促使了建筑业与材料力学的发展，并形成了新的领域，即建筑膜材料。本文主要介绍了建筑膜材料及发展现状，并对建筑膜材料的拉伸性能、撕裂性能、蠕变性能进行了阐述，希望能为材料力学在建筑膜方面的运用提供可参考性依据。

建筑膜；材料力学；性能研究

引言

建筑膜材料的发展虽然很短，但却打破了传统的建筑格局，它使得很多建筑上难以解决的问题得到了妥善的处理，在短短的百年时间里，成为了建筑行业的宠儿，而建筑膜材料的发展，得益于材料力学的技术成熟，材料力学成为了建筑膜发展的核心，房屋是人类生存的基础设施，因此，对建筑膜材料力学的深入研究，对于我国建筑行业的发展具有深远意义。

一、膜结构与建筑膜材料概述

1、膜结构建筑

膜结构建筑起源于上世界中期，是具有现代主义的建筑理念，主要以钢材作为支架、上绷膜面为主体，形成框架是空间结构建筑。其结构轻盈、成本低廉、施工期短、防火性强，其建筑风格充满张力、半透明式空间明亮、灵活，体现出现在化建筑气息，给人以全新的视觉冲击力。其结构也是多种多样，大体上可分为张拉式膜结构、骨架式膜结构、充气式膜结构三种，在我国，具有代表性的建筑也有很多，鸟巢、水立方、青岛音乐广场等，每一个建筑，都成为了地域性标志。

2、建筑膜材料

建筑膜材料虽然发展时间不长，但是却取得了不错的成绩，且种类繁多，目前，是市面上常见的建筑膜材料主要有：聚四氟乙烯(PTFE)膜材、聚氯乙烯 (PVC)膜材、加面层的PVC膜材：PVDF膜材和PVF膜材。聚四氟乙烯材料其树脂含量远远高于百分之九十，是在玻璃纤维布基上涂覆四氟乙烯树脂，优点是防火性、防腐蚀性高，但其柔韧性较低，且材料费用及加工成本高昂，现阶段我国的聚四氟乙烯材料，主要以进口为主；聚氯乙烯膜材，基布织物为聚脂或聚胺脂，涂层为PVC树脂，一般会另加聚氟乙烯或聚偏氟乙烯类面层，其优点是材质柔软、易施工，弊端是在强度、耐用性、防火性方面较差，但材料成本与生产成本相对PTFE膜材较低，我国目前已基本掌握这项技术；PVF膜材是在PVC膜的表面处理上，以PVF树脂做薄膜状薄片加工，在性能上较PVDF膜的更具耐久性、防沾污，但其加工性、施工性、防火性不佳，因此使用范围受到一定的制约。目前，在我国建筑膜主要的工艺有压延成型和涂刮成型两种。

二、建筑膜材料发展现状

在建筑膜材料的发展历程中，涌现出了一大批杰出的学者，他们为建筑膜的发展奠定了基础。

国内学者的主要贡献集中在其应用方面，并对其中存在的不足，如防污自洁、防紫外、抗老化等性能进行研究，并且取得了一定的突破，其中包括：在建筑膜材的构成与分类、物理特性、力学特性等方面的研究，在建筑膜结构的裁剪分析、膜结构设计软件工程应用研究；建筑膜材拉伸性能的各向异性、双轴向拉伸性能研究；缝撕裂性能中初始裂缝方向和长度对多轴向膜材撕裂性能的影响，而国内的相关科研单位及相关企业也积极的参与到研发中，并且也取得了很高的成就。

而在国外，自十九世纪七十年代开始，人们就将膜材料运用到建筑中去，并为其以后的研究工作提供了可参考的重要依据，国外的学者主要运用有限元分析，实现建筑膜材料的性能研究。在究了单轴向和双轴向织物增强柔性复合材料的中缝撕裂性能取得不俗的成绩，另外，对热带环境下，屋顶涂层织物的耐候性能进行了研究，并得出其性能变化的重要结论，相对于国内，国外的企业及组织，在积极性方面和研究成果方面要好于国内，例如对膜材的使用寿命、耐候性、抗紫外线行等方面，因此，我们很有必要像国外的科研人员、机构、组织学习。

三、建筑膜材料力学性能研究

笔者结合自身所学及多方查阅资料，并且通过一些简单实验，对建筑膜材料的拉伸性能、撕裂性能、蠕变性能进行了研究，并得出了以下相关结论，另由于文章篇幅有限，对于实验过程就不一一论述：

首先，在建筑膜材拉伸性能方面，在15度断裂功最小，在45度具有一定抗性，断裂伸长率达到峰值，另在0到90度之间断裂伸长率最小，抗拉强度最高，因而，实际应用中，应尽量保证其在小受力使用状态，防止其遭受破坏，在不同角度的拉伸情况下，其破坏形式大体可以分为三种，（1）纯拉伸断裂破坏，即建筑膜材的经向和纬向（2）纯剪切破坏，即建筑膜材45度偏轴拉伸方向（3）一剪切混合型破坏，即除以上两种角度情况下，拉伸和剪切破坏同时发生，并且在15度和75度偏轴方向破坏最为明显；其次，在建筑膜材撕裂方面，同种初始裂缝方向下，撕裂强力会随初始裂缝长度的增加线性下降，随着角度的增大有减小的趋势；最后，在蠕变性能方面，建筑膜材经向、纬向的蠕变机理基本一样，经向好于纬向蠕变性能，蠕变前后的拉伸性相差较大，且蠕变性能表现出明显的各向异性，初始模量大的抗蠕变性能较好。