膜结构是一种代表当今建筑技术和材料科学发展水平的新型结构,是现代空间结构体系的一个重要分支。膜结构外观造型新颖,满足现代人的审美观念,成为现代建筑结构的新风格[1,2,3]。同时膜结构具有充分利用阳光、空气以及与自然融合的特性,尤其近年随着空气质量日益恶化及人们健康观念的提升,可隔绝雾霾等污染、智能净化空气的充气膜结构符合目前提倡的“可持续发展”重大战略,也为高科技生态建筑的发展提供了广阔的空间,因此受到世界各地绿色建筑倡导者们的青睐。膜结构在世界范围内迅猛发展,主要应用于体育建筑、商场、展览中心、交通服务设施等大跨建筑中。

现代膜结构一般可分为充气膜、张拉膜、骨架式膜及索穹顶膜结构等结构体系[1,4],其中充气膜结构是膜结构最初发展过程中的主要形式。充气膜结构利用帆船原理[3],由膜内的空气压力支撑膜面,具有稳定的形状和一定的刚度,同时可以抵抗外力的作用。根据力学性质,可分为气承式和气囊式膜结构。气承式膜结构是固定膜面周围边缘,对膜建筑内加压使膜面鼓起至设计空间曲面,保持内外压差使膜面受压以确保刚度,从而维持形态并抵抗荷载[5]。气囊式膜结构则是充气于特定形状的气囊内,使之成为具有一定刚度的结构或构件,并由此来承受荷载。

充气膜结构建筑不仅可以满足传统建筑的功能要求,还具有跨度大、造型奇特和自洁性强等特点[6]。同时,膜结构建筑造价合理,其造价仅为传统建筑造价的一半左右。同时,与传统建筑结构相比,其施工周期可缩短一半,且施工期内其他工程的施工不受影响。

国内外目前应用的建筑膜材料主要包括涂层织物类膜材和热塑化合物类膜材两大类。织物类膜材是膜结构工程中应用最广泛的膜材,在纺织学里也称为涂层织物[7],其由基布纤维、涂层、面层等构成(图1)。早期基布的原料通常采用棉、麻等天然纤维,而新型的涂层织物材料则采用涤纶和玻璃纤维,通过机织、针织等编织方式加工成基材,基质则采用聚氯乙烯(PVC)、聚四氟乙烯(PTFE)、天然橡胶等材料[8],最后通过涂层、压延等加工方式制得。内部织物决定了膜材的主要力学性能[9],涂层和面层具有粘结增强和传递应力的作用,同时决定膜材的物理特性[10,11,12,13]。

20世纪初现代充气膜结构逐渐开始发展。1917年,英国人W.Lanchester申请了通过鼓风机吹气支撑膜材而建立野外医院的专利,但由于当时技术和设备的限制并没有实现[14]。

1970年日本万国博览会上,膜结构被系统地推向世界。博览会上椭圆形的美国馆(见图2a)采用PVC涂层的玻璃纤维织物,无柱大厅的屋面由32根沿对角线交叉布置的钢索和膜材所覆盖,它是世界上第一个大跨度低轮廓的气承式膜结构。另一个具有代表性的建筑是富士馆(见图2b),该馆是香肠充气型气肋式膜结构,它也是迄今为止建成的最大的气肋式充气膜结构。

在2000年以前,单纯气囊膜在大跨建筑体系较少应用,其主要应用于飞艇技术[15]。EXPO’2002瑞士在苏黎世建造了名为艺术沙滩(Arteplage)的展馆(见图2c),3个直径100m圆形蝶状的气囊膜,是迄今最大的一组气囊膜建筑。另外瑞士自行车竞技场(见图2d),屋面为椭圆形气囊膜,平面为90.8m×66.83m,整体形似自行车轱辘[16]。

同国外相比我国的膜结构发展起步比较晚,存在相当大的差距。1997年,上海体育场(图3a)的建成标志着我国的现代膜结构发展进入应用阶段[17]。目前膜结构在我国已经引起了普遍的重视,具有广泛的应用前景。2008年北京奥运会游泳场馆“水立方”(图3b)充分展现了膜结构的独特优势,建筑整体由3 000多个气枕组成,采用环保节能的ETFE膜材料,“水立方”是世界上最大的膜结构工程。天津于家堡高铁站(图3c)采用三层ETFE膜材制成的气枕,气枕总数783个,外层、中层采用深银印点膜材,内层采用全透明膜材。该项目还采用独特的熔断技术,能在火灾发生时熔化气枕以保证及时排烟。广州火车南站(图3d)建筑总面积达5.6×105m2,屋盖投影面积为2.1×105m2,其中屋面ETFE膜结构面积达2.45×104m2,分1 187个单元,是亚洲最大的火车站。

随着国内雾霾天气频繁发生和人们健康观念的提升,国家及相关部门不断加大环境治理和保护的力度,在防止雾霾天气影响正常生产生活方面做出了一些努力。比如,2008年竣工的中共中央党校气膜网球馆(图4a)是我国第一个自然采光的气膜网馆,该网球场采用二次反光照明系统,运动时完全看不到光源,环境舒适不会晃眼,气膜的顶部配合使用透光膜(透光率25%),达到日间充分利用自然光的效果。2008年建成的深圳大生网羽馆(图4b)采用微风送风系统,室内超静气流,恒温恒湿运动环境舒适。由于采用了智能化节能的机电设备,从而在得到良好舒适度的同时也节约了大量能源耗费和运营成本。2016年河北石家庄某小学成功建设一气膜体育馆(图4c)在,其占地面积1 000m2,可容纳上百人,保障了学生在雾霾天气也可正常上课,这是充气膜结构建筑的又一重要应用。

国内外在建筑膜结构领域的研究较广泛,并取得了许多科研成果,特别是在膜材单双轴拉伸试验力学性质的研究较为全面。

2002年,卫东等[18]对PES/PVC膜材进行了单轴拉伸试验,并求解了膜材在经纬向和45°方向的弹性参数和剪切模量。同时把试验结果与国外的双轴试验结果进行了对比,单轴试验下的弹性参数小10%。2004年,Kumazawa等[19]分别对条形试样和十字形试件进行了单轴和双轴拉伸试验,获得织物膜材的单双轴受力下的基本性能。显微镜观察和单纱拉伸试验结果表明,织物表面的涂层加热后,纬纱的强度降低,致了经纱和纬纱方向的强度差异。2005年,易洪雷等[20]对膜材进行了7个偏轴方向上的拉伸试验,证明了3次加载后的材料性质更稳定,可以用来求解材料的弹性参数,且测得的参数复合正交各向异性的本构关系。同时,证明了Tsai-Hill强度准则不适合预测拉剪混合破坏模式下膜材的抗拉强度。2007年,李阳[21]研究了建筑膜材料抗拉强度、撕裂强度和徐变等力学性能,并阐述了膜材的物理性能,并获得了膜材的弹性模量和剪切刚度等力学参数。罗仁安等[22]对PVC膜材进行双轴拉伸循环试验,研究了膜材在双轴受力状态下应力-应变、滞回曲线和残余应变的变化规律。同时,提出了广义泊松比的定义,并对其非线性进行了验证。2008年,陈守辉[23]对膜材料进行了单轴、双轴和多轴拉伸试验,并研究了膜材的力学性能在不同试验状态下的差异;提出了建筑膜材在双轴拉伸作用下弹性模量的计算方法,并验证了其适用性。2009年,Bridgens B[24]提出不能用单轴拉伸的数据来分析双轴拉伸的弹性参数,这是因为经纬向纱线之间存在摩擦力,同时纬向纱线在拉伸中存在屈曲。2011年,罗斌等[25]对PVDF膜材进行了单轴和双轴拉伸试验研究,对应力应变关系进行了分析;计算了单轴和双轴的弹性模量,并进行了对比。同时,对试验膜材的弹性常数给出了建议数值。2014年,Dinh T等[26]基于单双轴拉伸试验数据,提出了一种新的涂层织物弹塑性模型,该模型能够反映材料的非线性和正交异性,同时对PVC涂层织物材料进行试验,验证了模型的准确性。2015年,倪静等[27]进行了PES/PVDF膜材7种应力比的双轴拉伸试验,根据应力-应变关系,提出两阶段双模量模型。

膜材料在实际结构中往往处于多样性的双向应力状态下,而膜材为正交异性材料,具有复杂的微细观复合结构,材料的剪切性能对结构稳定性的研究有重大意义。为了研究材料的剪切性能,需要精确估计材料的剪切刚度。然而,到目前为止,对膜材剪切响应的研究还较少。

2004年,Blum等[28]在欧洲膜结构结构规范中提出,在45度偏角的十字形试样上施加双轴载荷方法,通过测量3个方向应变计算张量剪应变。2008年,Launay J等[29]提出了一种测量图框法测张力的实验装置。研究表明,初始张力改变了剪切响应,特别对剪切曲线的第一部分影响较大。在图框法试验期间,当张力减至零时,剪切力明显减小。Bner等[30]对膜材进行了双轴剪切试验,选取为偏轴角度为45°的十字形试件进行试验,得到了材料在不同应力比状态下的剪应力-应变曲线。2010年,Galliot等[31,32]提出了一种新的剪切梯度法来测量剪切性能,并通过试验验证了其加载方案的准确性。2012年,Harrison P等[33]用有限元对织物材料在大剪切变形下的行为进行了模拟,对织物材料的平面内张力与剪切刚度和褶皱之间的耦合关系进行了预测。并提出了双轴下偏轴试样拉伸试验,研究表明这是一种研究拉剪耦合和织物褶皱的新方法。2015年,王利钢等[34,35]对F1302膜材进行了正负剪应力循环加载的双轴剪切试验,得到了膜材的剪应力-应变曲线和剪切模量。2016年,陈务军等[36]对建筑织物膜材进行双轴剪切试验,对比分析了两种膜材在不同循环下塑性剪切变形的差异。

对于建筑膜结构,不可避免的偶然刺破、风力拉扯、材料的固有损伤和拼接焊缝等因素,都引起膜结构的撕裂损伤破坏。因此对膜材的撕裂强度进行分析,对膜结构的安全性设计具有重要意义。目前,国内外对于膜材撕裂性能的测试主要有中心撕裂、单舌撕裂和梯形撕裂。

1967年,Minami[37]对非涂层和涂层织物膜材料进行了中心撕裂试验,并推导了膜材撕裂的应变能释放率公式,同时对膜材的撕裂强度进行了预测和分析。1975年, Ko[38]对织物膜材进行了中心撕裂试验,并对比了Hedgepeth[39,40]的线性离散化分析方法,发现线性离散化模型和试验结果存在差异,但经过“图像平移”后的Hedgepeth的线性离散化分析结果与试验结果较接近。1978年,Timothy[41]对PVC涂层织物材料进行了单向撕裂试验,并分析了撕裂失效强度和切缝长度之间关系。同时,对于织物类膜材撕裂分析不可以直接应用传统的断裂力学。1992年,储才元等[42]对梯形撕裂和单缝撕裂的撕裂破坏机理进行了分析,得到了两种撕破强力的理论表达式,并试验测定了16种不同织物材料的撕裂强力和抗拉强度。通过试验的对比分析和理论的计算,结果表明理论预测和试验结果较一致。2003年,Bigaud D等[44]研究了单轴和双轴拉伸下复合材料的中心撕裂性能,获得两种断裂模式的影响因素以及裂缝方向与撕裂性能之间的关系。2005年,葛振余等[44]研究了纱线性能和织物结构指标等因素与单缝法撕裂强力间的关系。分析计算表明,影响单缝法经向撕裂强力的主要因素是经纱强力,其次是经纱从涂层织物抽出时的抽出阻力、纬密和经密,而经纱断裂伸长率和其他因素的影响则较小。2009年,罗以喜等[45,46]对双轴经编膜材进行了中心撕裂性能试验研究,特别对不同初始裂缝长度及角度的撕裂进行了观察及分析。研究表明撕裂强力与应变主要依赖于初始裂缝长度及角度。2016年,陈建稳等[47]对膜材Uretek3216LV中心切缝撕裂破坏强度进行分析,基于Hedgepeth细化模型,应用Griffith能量理论,针对倾斜切缝模型推导了蒙皮材料抗撕裂强度公式。

由于试验材料、器械及方法等因素的限制,很难全面的把握材料的力学性能。为深入探讨膜材变形和撕裂损伤发展的过程,基于织物微观结构模型,从细观层面上研究膜材的力学响应是由必要的。目前,国内外已有许多学者采用有限元的方法对膜材的力学性能进行了研究。

1994年,Galliot C等[48]使用有限元手段分析研究了PVC涂层聚酯织物双轴拉伸性能,对其非线性的性能通过一种简单的模型加以解释,得到了较满意的结果。1999年,Luo[49]采用能量分析法和Lagrangian Strains 理论对涂层织物材料的本构关系进行了推导。同时,进行了双轴拉伸试验对理论预测公式进行了验证。2009年,Mallikarachchi[50]建立单胞模型对复合材料的力学性能进行了分析,同时研究了不同铺层角度对材料力学性能的影响。2011年,王平等[51]从实验和有限元分析两个方面对织物的撕裂损伤进行了研究。对两种平纹和两种斜纹织物的撕裂性能进行了测试,得到了撕裂载荷-位移曲线和撕裂损伤照片。基于织物微观结构模型,采用有限元分析方法对织物的撕裂损伤进行了分析,并与实验结果进行了比较。通过有限元分析直观地显示了撕裂三角区的应力分布,并探讨了织物结构、织物密度等因素对织物撕裂强度的影响。2014年,Misra等[52]采用TexGen的建模方式建立了织物复合材料在平面剪切载荷作用下的模型,利用有限元模拟软件ABAQUS对具有非线性的横观各向同性材料进行了数值模拟,得到了剪切应力与剪切角的关系,同时发现由于纱线的压缩,大部分能量在较高的剪切角下消散。2017年,Erol等[53]用显式有限元程序建立了织物宏观非正交本构材料模型。通过对两种不同平纹Kevlar织物的进行单轴拉伸和30°偏轴拉伸试验验证了材料模型的正确性,结果表明所建立的模型能够在不同的加载条件下对织物进行力学响应。

膜材是膜结构的主体材料,起着承担外载或内压的关键作用,膜材与膜结构二者相辅相成共同发展。膜材料的性能是进行结构设计时需要考虑的重要指标,因此,对膜材料的性能进行研究对于膜结构的精确设计与安全性评估具有重要意义。

①对膜材料物理特性的研究还有待进一步深入,如耐久、耐火、隔热、透光、自洁等方面的研究还需要不断完善。②膜结构在实际结构中往往处于复杂的应力状态下,膜面往往处于拉剪耦合的作用之下。因此有必要对膜材在拉伸与剪切共同作用下的力学响应进行深入的研究。③在膜结构使用过程中,撕裂破坏是结构失效破坏的基本形式之一,含有损伤的膜材料的撕裂性能是研究的热点问题。中心撕裂在展现膜材料的撕裂行为方面优于梯形或舌形等方式,可有效测试膜材料的撕裂性能,因此有必要对膜膜材的中心撕裂损伤性能进行深入研究。④有限元作为一个计算工具,不仅计算精度高,而且能适应各种复杂形状,因而是一种有效的工程分析手段。有限元在一定程度上可以替代部分试验,实现参数的系统分析。因此通过有限元模拟来研究膜材料的力学性能具有工程实用价值。

充气膜结构的发展与研究是一项庞大的系统工程。虽然充气膜结构在我国的发展起步较晚,但目前已经取得了一定的研究进展。笔者基于国内外的前沿研究成果,对充气膜结构发展和研究过程中的热点问题进行了概述,旨在总结和交流。希望在不久的将来,充气膜结构能够得到更广泛的应用,相关研究进一步完善。