張營營，張其林，宋曉光

（1.中國礦業(yè)大學(xué) 江蘇省土木工程環(huán)境災(zāi)變與結(jié)構(gòu)可靠性重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221116；2.同濟(jì)大學(xué) 土木工程學(xué)院，上海 200092；3.山東省建筑科學(xué)研究院，山東 濟(jì)南 250031）

由于對膜結(jié)構(gòu)抗力及荷載作用影響缺乏足夠認(rèn)識，現(xiàn)行各國膜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程（如中國CECS158：2004《膜結(jié)構(gòu)技術(shù)設(shè)計(jì)規(guī)程》等）大多采用了基于經(jīng)驗(yàn)的容許應(yīng)力設(shè)計(jì)法，而沒有采用基于結(jié)構(gòu)可靠度的膜結(jié)構(gòu)概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法，這使得膜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工中容易出現(xiàn)較大偏差.

建立基于結(jié)構(gòu)可靠度的膜結(jié)構(gòu)概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法，需要對影響膜結(jié)構(gòu)抗力的各種不確定因素進(jìn)行詳細(xì)的統(tǒng)計(jì)分析，得出相應(yīng)的影響規(guī)律，然后通過膜結(jié)構(gòu)抗力與各種不確定因素的函數(shù)關(guān)系，推求出膜結(jié)構(gòu)抗力的統(tǒng)計(jì)特征參數(shù)［1］.影響膜結(jié)構(gòu)抗力的不確定因素很多，一般可以歸納為三類：膜材力學(xué)性能的不定性、構(gòu)件幾何參數(shù)的不定性和結(jié)構(gòu)計(jì)算模式的不定性.當(dāng)然這三者之間是相互關(guān)聯(lián)、相互影響的，但其中膜材力學(xué)性能的不定性影響最重要、最復(fù)雜，是進(jìn)行膜結(jié)構(gòu)可靠度研究、實(shí)現(xiàn)膜結(jié)構(gòu)概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵所在［2］.

作為高分子復(fù)合材料，膜材力學(xué)性能受制作工藝、使用環(huán)境影響明顯.為了考慮雙軸折減、材料老化及施工過程中局部損壞等諸多因素對膜材力學(xué)性能的影響，在膜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)往往采用較大的安全系數(shù)，但這樣容易導(dǎo)致安全儲(chǔ)備過大，造成浪費(fèi).因此，有必要深入把握膜材力學(xué)性能，進(jìn)行膜材抗力不定性分析，為膜結(jié)構(gòu)可靠度分析奠定基礎(chǔ).

目前國內(nèi)外應(yīng)用的建筑膜材主要包括熱塑化合物類膜材和涂層織物類膜材兩大類，其中熱塑化合物類膜材主要為ETFE 膜材（乙烯－四氟乙烯共聚物），而涂層織物類膜材主要有PTFE 膜材（外涂聚四氟乙烯的玻璃纖維類膜材）和PVC 膜材（外涂聚氯乙烯的聚酯纖維類膜材）兩類.熱塑化合物類膜材屬近各向同性材料，性能相對比較明確［3］，而涂層織物類膜材屬各向異性材料，其力學(xué)性能受加載大小、加載比例及加載次序等因素影響明顯，比較復(fù)雜.目前對涂層織物類膜材的研究主要集中在常溫荷載狀態(tài)下膜材力學(xué)性能及力學(xué)參數(shù)的研究［4］，而對于環(huán)境方面的影響則研究較少［5－6］.作為一種高分子復(fù)合材料，膜材在使用過程中會(huì)受到光、熱、風(fēng)、雨、雪、大氣污染物等多種環(huán)境因素的影響，造成材料發(fā)生力學(xué)性能的衰變.另外，膜材作為建筑結(jié)構(gòu)的一部分，大都暴露在空氣中，其不可避免地要受到風(fēng)荷載的循環(huán)作用.在風(fēng)荷載的循環(huán)作用下膜材必然會(huì)產(chǎn)生殘余變形，減小原有的預(yù)張力，這對膜結(jié)構(gòu)的長期使用性能、使用壽命等造成很大影響.因此環(huán)境作用對膜材力學(xué)性能的影響成為膜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和分析時(shí)必須考慮的問題.

本文測試了2種常見PTFE 膜材（圣戈班公司SHEERFILL－Ⅱ膜材和中興化成公司（日本）FGT－800膜材）的基本力學(xué)性能，進(jìn)行了膜材的抗力不定性分析，研究了循環(huán)拉伸、溫度、損傷、接縫連接、人工加速老化等對PTFE 膜材拉伸性能的影響規(guī)律，從而為膜結(jié)構(gòu)可靠度研究提供參考依據(jù).

1 試驗(yàn)概況

1.1 拉伸試驗(yàn)

拉伸試驗(yàn)（單軸拉伸試驗(yàn)和循環(huán)拉伸試驗(yàn)）采用長條形試件，試件的有效寬度應(yīng)為（50.0±0.5）mm，有效長度應(yīng)為（1 000±1）mm，應(yīng)變測距應(yīng)為（200±1）mm，如圖1所示.試樣的裁剪應(yīng)盡可能沿著膜材相鄰2組纖維紗線的中間位置進(jìn)行，保證試樣長度方向邊緣與相應(yīng)方向的纖維紗線平行，并使試樣兩側(cè)邊不能有纖維紗線的散失.拉伸試驗(yàn)在配有高低溫度箱的微機(jī)控制電子萬能（拉伸）試驗(yàn)機(jī)中進(jìn)行，拉伸速率取100mm／min［7］.進(jìn)行拉伸試驗(yàn)時(shí)，先用纏繞夾具把試件固定在高低溫度箱內(nèi)，然后將高低溫度箱溫度調(diào)到預(yù)定的溫度（－20，0，10，23，40，50，60，70℃），恒溫1h后進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，記錄膜材拉伸曲線.

圖1 拉伸試件尺寸Fig.1 Size（mm）of tensile specimen

由于荷載作用下PTFE 膜材的最小應(yīng)力可能為3kN·m－1，并且PTFE 膜結(jié)構(gòu)常用預(yù)應(yīng)力為4kN·m－1，膜材常用設(shè)計(jì)拉伸強(qiáng)度為20kN·m－1，兩者平均值為12kN·m－1，因此循環(huán)拉伸試驗(yàn)所采用的應(yīng)力幅分別為3～12kN·m－1，4～12kN·m－1，3～20kN·m－1，4～20kN·m－1.

1.2 撕裂試驗(yàn)

撕裂試件尺寸如圖2所示.進(jìn)行撕裂試驗(yàn)時(shí)，先在試件上標(biāo)記出等腰梯形，然后在等腰梯形上面短邊中央處垂直切出切口，切口長度為（25.0±0.5）mm.沿梯形兩腰線夾住試件，并保持等腰梯形上面短邊張緊，然后撕裂試件.在撕裂過程中試件會(huì)沿著切口裂開并逐漸擴(kuò)展直至全部被撕斷.記錄撕裂過程中膜材的荷載－位移曲線.

圖2 撕裂試件尺寸Fig.2 Size（mm）of tear specimen

1.3 損傷試驗(yàn)

PTFE膜材由玻璃纖維編織而成，而玻璃纖維比較脆，抗彎折性能比較差，因此需要根據(jù)生產(chǎn)、運(yùn)輸、施工過程中可能出現(xiàn)的最不利損傷情況，對膜材進(jìn)行損傷試驗(yàn).本文以某實(shí)際工程為背景，通過控制試樣折疊位置和折疊次數(shù)來模擬試樣損傷，然后分析試樣損傷對膜材拉伸強(qiáng)度的影響.具體試驗(yàn)步驟：（1）按照實(shí)際結(jié)構(gòu)膜面區(qū)域做一個(gè)1／3縮尺模型，中間圓拱取4跨，然后選取典型膜面區(qū)域（見圖3（a））.（2）將現(xiàn)場使用的PTFE膜材制成樣片（見圖3（b））并粘貼到縮尺模型上的典型膜面區(qū)域。折疊膜材，放置7d后再展開。（3）取下粘貼在模型上的膜材，在幾個(gè)不同的位置（見圖3（b））取樣（每組至少取5塊試樣）.以恒定拉伸速率100mm／min拉伸試樣，將試樣拉伸至破壞，記錄試樣拉伸強(qiáng)度.

圖3 損傷試驗(yàn)取樣示意圖Fig.3 Sketch map of sampling for damage test（size：mm）

1.4 接縫連接試驗(yàn)

接縫連接試驗(yàn)中所用試件的接縫連接形式為單面熱合搭接，搭接長度取75mm.為便于與母材的拉伸強(qiáng)度進(jìn)行比較，搭接膜材尺寸與母材尺寸應(yīng)保持一致.

1.5 老化試驗(yàn)

老化試驗(yàn)試件（經(jīng)向試件和緯向試件）尺寸同單軸拉伸試驗(yàn)試件尺寸.

圖4 氙燈耐氣候試驗(yàn)箱Fig.4 Xenon－lamp weather resistance test chamber

采用氙燈耐氣候試驗(yàn)箱（見圖4）對膜材進(jìn)行人工加速老化試驗(yàn).試驗(yàn)中采用氙弧燈光源對膜材進(jìn)行連續(xù)光照，并控制一定的溫度、濕度、輻射能和降雨周期，模擬自然氣候環(huán)境中光、熱、濕氣、降雨等對膜材的老化，然后測試膜材拉伸強(qiáng)度.根據(jù)有關(guān)規(guī)程［7］，氙弧燈光的輻射波長應(yīng)控制在300～1 050nm，輻照度應(yīng)大于800W／mm2，且整個(gè)試件輻照面積內(nèi)輻照度允許偏差為10W／mm2.另外，控制相對濕度為（50±5）%，溫度為（63±3）℃，降雨周期為降雨18min／不降雨102min.老化試驗(yàn)終止時(shí)，總輻照度應(yīng)不小于1 350MJ／m2.

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 基本力學(xué)性能

受篇幅限制，本文僅以SHEERFILL－Ⅱ膜材為例進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果分析.

膜材單向拉伸曲線和主要力學(xué)參數(shù)分別見圖5和表1.由表1可以看出：膜材的經(jīng)向斷裂延伸率小于緯向斷裂延伸率，經(jīng)向拉伸強(qiáng)度略大于緯向拉伸強(qiáng)度.

圖5 SHEERFILL－Ⅱ膜材單軸拉伸曲線Fig.5 Uniaxial tensile curves of SHEERFILL－Ⅱmembrane material

膜材荷載－位移曲線見圖6.由圖6 可以看到，膜材荷載－位移曲線由一組波峰和波谷組成，顯示膜材在撕裂過程中其受力不斷發(fā)生變化，而這是由膜材的組成結(jié)構(gòu)所決定的.在拉伸荷載作用下，膜材裂縫根部的部分縱向紗線率先承載，隨著荷載的增加，受力區(qū)內(nèi)能夠承受縱向拉力的紗線數(shù)目逐漸增多；當(dāng)荷載增大到一定程度時(shí)，膜材裂縫外側(cè)不斷有紗線因變形過大而發(fā)生斷裂，同時(shí)又不斷有新的紗線開始承載，此時(shí)膜材荷載－位移曲線便進(jìn)入了相對穩(wěn)定的波動(dòng)階段.以試件5個(gè)最大荷載峰值的平均值作為膜材的撕裂強(qiáng)度.膜材撕裂強(qiáng)度實(shí)質(zhì)上是組成膜材紗線單根破斷力的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，其值遠(yuǎn)低于膜材的抗拉強(qiáng)度，因此實(shí)際工程中存在微小瑕疵或者裂縫膜材在雙向張力的作用下極易發(fā)生撕裂并迅速擴(kuò)展到整個(gè)膜面，造成較大的安全隱患.

表1 膜材主要力學(xué)參數(shù)Table 1 Main mechanical parameters of membrane material

圖6 SHEERFILL－Ⅱ膜材的荷載－位移曲線Fig.6 Load－displacement curves of SHEERFILL－Ⅱmembrane material

對涂層織物類膜材而言，決定其主要力學(xué)性能的膜材基層是由玻璃纖維編織而成.平織法是基層纖維最常用的編織方法，在編織過程中，經(jīng)向紗線張緊，緯向紗線上下纏繞、交替繞過經(jīng)向紗線.因此，荷載作用下經(jīng)、緯向紗線力學(xué)特性有很大差別.經(jīng)向纖維受拉時(shí)，基本僅伸展變形；而交替編織的緯向紗線在受拉時(shí)，需要克服編織過程產(chǎn)生的卷曲度后才開始伸展變形.纖維的卷曲程度主要決定了膜材在受力初始階段的力學(xué)特性.經(jīng)過最初的紗線卷曲階段，經(jīng)、緯向紗線均張緊并彼此緊靠、相互影響，此時(shí)膜材的力學(xué)特性主要取決于纖維自身的性能.

PTFE膜材的單向拉伸破壞過程可分成3個(gè)階段：第1階段是低應(yīng)力下少數(shù)纖維的早期斷裂階段；第2階段是膜材損傷的擴(kuò)展階段；第3階段是膜材最終破壞階段.3個(gè)階段的發(fā)展都與纖維性能及纖維－涂層界面黏結(jié)性能密切相關(guān).PTFE 膜材采用的高強(qiáng)脆性玻璃纖維的性質(zhì)及其強(qiáng)度的離散性，決定了在應(yīng)力較低時(shí)就有少數(shù)纖維首先斷裂.纖維一旦斷裂，其斷口端部就釋放形變能，而纖維－涂層界面的黏結(jié)作用阻止斷裂纖維斷口的收縮，纖維斷口裂紋處以及附近纖維－涂層界面上有較大的應(yīng)力集中，并將斷裂纖維卸下的應(yīng)力傳遞到相鄰纖維，使斷口附近的纖維出現(xiàn)應(yīng)力集中，即“過應(yīng)力”.纖維及纖維－涂層界面應(yīng)力集中的程度，以及纖維損傷將如何進(jìn)一步發(fā)展，完全取決于纖維性能和纖維－涂層界面黏結(jié)性能，以及它們之間的相互作用.

在膜材單軸拉伸試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，膜材的破壞形式主要有3種：（1）纖維拔出破壞.這種破壞一般發(fā)生在纖維－涂層界面黏結(jié)強(qiáng)度相對較弱的情況.高模量纖維斷裂將造成較大的纖維－涂層界面應(yīng)力集中，而較弱纖維－涂層界面黏結(jié)強(qiáng)度將使其發(fā)生更長范圍內(nèi)的脫黏，不能發(fā)揮纖維的最高強(qiáng)度，最終形成纖維拔出破壞.（2）整齊斷裂破壞.這種破壞一般發(fā)生在纖維－涂層界面黏結(jié)強(qiáng)度相對較強(qiáng)的情況.由于玻璃纖維比較脆，纖維斷口裂紋會(huì)直接造成相鄰纖維更大的應(yīng)力集中而相繼發(fā)生斷裂，最終表現(xiàn)為纖維整體斷裂，斷面比較齊平.這種破壞形式下纖維強(qiáng)度利用率最低.（3）復(fù)合型破壞.這種破壞一般發(fā)生在纖維－涂層界面黏結(jié)強(qiáng)度比較適中的情況.部分纖維早期斷裂產(chǎn)生的纖維－涂層界面和基層纖維的應(yīng)力集中，會(huì)造成纖維－涂層界面范圍不大的脫黏或纖維的屈服并局限在較小范圍內(nèi)不再擴(kuò)展.隨著外荷載的不斷增大，膜材隨機(jī)分布的局部損傷區(qū)域不斷增多，直至在其某一截面上因包含過多的損傷區(qū)域而發(fā)生整個(gè)截面的斷裂.在膜材損傷積累過程中，隨著纖維薄弱處的逐個(gè)斷裂，連續(xù)纖維變成不連續(xù)，斷口截面上呈現(xiàn)出長短不齊的較短纖維拔出.這種情況下膜材的拉伸強(qiáng)度最大［8］.

2.2 抗力不定性分析

膜結(jié)構(gòu)抗力與膜材力學(xué)性能、構(gòu)件幾何參數(shù)、結(jié)構(gòu)計(jì)算模式等密切相關(guān)，因此，膜結(jié)構(gòu)抗力應(yīng)當(dāng)是考慮多因素的隨機(jī)變量函數(shù).嚴(yán)格來講，膜材力學(xué)性能和膜構(gòu)件幾何參數(shù)等因素都是隨時(shí)間變化而不斷變化的，因此膜結(jié)構(gòu)抗力應(yīng)該采用隨時(shí)間變化的隨機(jī)過程來描述.但是，考慮到上述變化很緩慢，分析時(shí)往往將影響膜結(jié)構(gòu)抗力的諸多因素簡化為與時(shí)間無關(guān)的隨機(jī)變量.當(dāng)研究膜結(jié)構(gòu)抗力的概率分布與統(tǒng)計(jì)特征參數(shù)時(shí)，應(yīng)該對相同條件下相同母材的抗力實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析.由于實(shí)際條件限制，要取得這樣一批同條件同母材的抗力數(shù)據(jù)非常困難.所以，對膜結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗力分析通常采用間接分析方法，即先對影響它的各種主要因素分別進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，確定其統(tǒng)計(jì)參數(shù)；然后通過膜結(jié)構(gòu)抗力與各個(gè)有關(guān)因素之間的函數(shù)關(guān)系，求出抗力的統(tǒng)計(jì)特征參數(shù).

筆者依照文獻(xiàn)［5］，采用單一變量控制法分別考察每種因素對膜材拉伸強(qiáng)度的影響，以對膜材抗力不定性進(jìn)行分析.在進(jìn)行每一組試驗(yàn)時(shí)，都分別進(jìn)行1組原材料拉伸對比試驗(yàn)，通過拉伸強(qiáng)度折減系數(shù)來表示各種因素對膜材抗力的影響.在進(jìn)行抗力不定性分析時(shí)，對于大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，應(yīng)進(jìn)行合理、科學(xué)的處理，得到相應(yīng)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，而對于抗力的概率分布類型，一般按照主要影響因素的概率分布類型應(yīng)用數(shù)學(xué)分析方法或者經(jīng)驗(yàn)判斷方法確定.試驗(yàn)中，先結(jié)合破壞模式來排除不可靠數(shù)據(jù).對于在夾持鉗口附近5mm 以內(nèi)斷裂的試件且該試樣試驗(yàn)值小于樣本平均值，則認(rèn)定該試件結(jié)果無效，應(yīng)舍去.在此基礎(chǔ)上，采用經(jīng)典的偏度、峰度檢驗(yàn)法對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行正態(tài)性檢驗(yàn).對正態(tài)分布而言，偏度和峰度均為0，即無偏無峰.對本文的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)結(jié)果在顯著性水平α＝0.05的水平下均符合正態(tài)分布.

2.2.1 循環(huán)拉伸

SHEERFILL－Ⅱ膜材循環(huán)拉伸試驗(yàn)結(jié)果［9］表明：（1）膜材在第1次循環(huán)拉伸結(jié)束后，其殘余應(yīng)變比較大.隨著循環(huán)拉伸次數(shù)的增加，膜材殘余應(yīng)變越來越小并趨近于常數(shù)，同時(shí)滯回曲線所包含的面積也在不斷減小.（2）隨著循環(huán)應(yīng)力幅最大值的增加，膜材滯回曲線所包含的面積逐漸變大，殘余應(yīng)變也逐漸變大；循環(huán)應(yīng)力幅最小值對膜材殘余應(yīng)變的變化影響不明顯.（3）在較低應(yīng)力幅（3～12kN·m－1，4～12kN·m－1）作用下，第1次循環(huán)拉伸之后的緯向殘余應(yīng)變約為0.069，經(jīng)向殘余應(yīng)變約為0.053，殘余變形發(fā)展相對較慢，達(dá)到穩(wěn)定值的速度也比較慢，50次循環(huán)拉伸之后殘余應(yīng)變還在緩慢增長；在高應(yīng)力幅（3～20kN·m－1，4～20kN·m－1）作用下，第1次循環(huán)拉伸之后膜材的經(jīng)向殘余應(yīng)變約為0.074，緯向殘余應(yīng)變約為0.080，明顯大于低應(yīng)力幅循環(huán)拉伸后的殘余應(yīng)變，這主要是因?yàn)閼?yīng)力為20kN·m－1時(shí)材料處于應(yīng)力強(qiáng)化階段，膜材在此階段殘余應(yīng)變增加比較明顯.此時(shí)，每次循環(huán)拉伸之后的殘余應(yīng)變大于低應(yīng)力幅循環(huán)拉伸相應(yīng)次數(shù)后的殘余應(yīng)變，但是殘余應(yīng)變達(dá)到穩(wěn)定值的速度較低應(yīng)力幅循環(huán)拉伸快，約45次循環(huán)拉伸后殘余應(yīng)變可以達(dá)到穩(wěn)定值.

對循環(huán)拉伸之后的膜材進(jìn)行單向拉伸試驗(yàn)，以100mm／min的速度拉伸至破壞，獲得其拉伸曲線，并與未經(jīng)循環(huán)拉伸膜材的拉伸曲線進(jìn)行對比，結(jié)果見圖7.由圖7可見，未經(jīng)循環(huán)拉伸膜材的拉伸曲線呈現(xiàn)明顯的非線性，而經(jīng)循環(huán)拉伸膜材的拉伸曲線則接近線性，拉伸剛度明顯增大，尤其是經(jīng)過高應(yīng)力幅拉伸后；循環(huán)拉伸后膜材的拉伸強(qiáng)度與未經(jīng)循環(huán)拉伸膜材相比沒有明顯變化.這是因?yàn)椋貉h(huán)拉伸主要改變了經(jīng)、緯向纖維在編織和涂層過程中形成的卷曲程度，使得材料的線性化比較明顯，再加上試驗(yàn)循環(huán)拉伸次數(shù)較少，并沒有對纖維造成明顯的損傷，因此膜材的拉伸強(qiáng)度變化不明顯.

2.2.2 損傷試驗(yàn)

損傷膜材（SHEERFILL－Ⅱ膜材）的拉伸強(qiáng)度及其折減系數(shù)（參照組膜材抗拉強(qiáng)度與損傷膜材抗拉強(qiáng)度之比）見表2.表2顯示：L5處的膜材（試樣沿緯向纖維方向截取且無折疊）拉伸強(qiáng)度基本沒有變化；L1，L2處的膜材（試樣沿緯向纖維方向截取，且折疊過1次，折疊方向與緯向纖維方向平行）拉伸強(qiáng)度折減相對比較明顯，拉伸強(qiáng)度折減系數(shù)分別是1.08和1.05；L3，L4處的膜材（試樣折疊方向及裁剪方向與L1，L2處的膜材相同，但是折疊次數(shù)為2），其拉伸強(qiáng)度折減更加明顯，拉伸強(qiáng)度折減系數(shù)分別是1.14和1.10，其中L3處膜材的拉伸強(qiáng)度折減系數(shù)略大（這與其處于母材的邊緣有關(guān)）；L6 上、中（最長）、下3部分膜材（試樣沿經(jīng)向纖維方向截取，且折疊2次）拉伸強(qiáng)度折減相對比較明顯，拉伸強(qiáng)度折減系數(shù)分別是1.11，1.08和1.11.綜上可知，經(jīng)過損傷處理后的膜材拉伸強(qiáng)度有明顯的折減，折減程度同折疊方向、折疊次數(shù)有直接關(guān)系，因此在膜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮膜材在搬運(yùn)和折疊中出現(xiàn)的拉伸強(qiáng)度折減.

圖7 循環(huán)拉伸前后SHEERFILL－Ⅱ膜材拉伸曲線對比Fig.7 Comparisons of tensile curves of SHEERFILL－Ⅱmembrane material before and after cyclic tensile tests

表2 損傷膜材（SHEERFILL－Ⅱ膜材）的拉伸強(qiáng)度及其折減系數(shù)Table 2 Tensile strength and its reduction factor of SHEERFILL－Ⅱmembrane material damaged

2.2.3 接縫連接試驗(yàn)

在接縫連接試驗(yàn)中，搭接膜材主要發(fā)生接縫附近處的破壞（見圖8（a）），這說明該種搭接方式是有效可用的.發(fā)生這種破壞是因?yàn)榭拷涌p處的膜材存在應(yīng)力集中的緣故.另外搭接膜材還發(fā)生纖維拔出破壞（見圖8（b）），這主要是由于纖維－涂層界面黏結(jié)強(qiáng)度不足而造成的.

圖8 搭接膜材的主要破壞形式Fig.8 Failure modes of overlap welding membrane material

不同溫度下母材拉伸強(qiáng)度和搭接膜材接縫拉伸強(qiáng)度如表3所示.由表3可見：搭接膜材接縫拉伸強(qiáng)度受溫度影響明顯，隨著溫度的升高，搭接膜材接縫拉伸強(qiáng)度下降，這與母材拉伸強(qiáng)度的變化規(guī)律一致.

表3 不同溫度下母材和搭接膜材接縫拉伸強(qiáng)度Table 3 Tensile strengths of base material and seam of overlap welding membrane material under different temperatures

SHEERFILL－Ⅱ膜材（母材）經(jīng)、緯向高溫影響系數(shù)（23℃拉伸強(qiáng)度與70℃拉伸強(qiáng)度之比）分別是1.068和1.150（見表3），取2個(gè)方向中的較大值為1.150；SHEERFILL－Ⅱ膜材經(jīng)、緯向低溫影響系數(shù)（－20 ℃拉伸強(qiáng)度與23 ℃拉伸強(qiáng)度之比）分別是1.106和1.128（見表3），取2個(gè)方向中的較大值為1.128.即SHEERFILL－Ⅱ膜材高溫影響系數(shù)是1.150，低溫影響系數(shù)是1.128；同理，F(xiàn)GT－800膜材高溫影響系數(shù)是1.076，低溫影響系數(shù)是1.113.

不同溫度下搭接膜材接縫拉伸強(qiáng)度與母材拉伸強(qiáng)度的比值如表4 所示.由表4 可見，在不同溫度下，搭接膜材接縫拉伸強(qiáng)度能夠達(dá)到母材拉伸強(qiáng)度的90%以上，這表明該接縫連接方式在不同溫度下均有效.

表4 不同溫度下搭接膜材接縫拉伸強(qiáng)度與母材拉伸強(qiáng)度比值Table 4 Ratios of tensile strength of seam of overlap welding membrane material to tensile strength of base material under different temperatures

2.2.4 老化

膜材經(jīng)老化試驗(yàn)后，可見其表面出現(xiàn)污漬、斑點(diǎn)，且色澤略微變暗、泛黃，同時(shí)出現(xiàn)較明顯的軟化.

老化430h之后，經(jīng)向試件拉伸強(qiáng)度折減系數(shù)（母材平均拉伸強(qiáng)度與老化后膜材平均拉伸強(qiáng)度之比）為1.044，緯向試件拉伸強(qiáng)度折減系數(shù)為1.032；老化860h 之后，經(jīng)向試件拉伸強(qiáng)度折減系數(shù)為1.075，緯向試件拉伸強(qiáng)度折減系數(shù)為1.052（見表5），也就是說，老化處理后膜材的經(jīng)、緯向拉伸強(qiáng)度均有一定程度的折減，但不明顯.

PTFE膜材的涂層材料為聚四氟乙烯，為惰性材料，故PTFE膜材抗老化性能較好.

表5 老化前后膜材的拉伸強(qiáng)度Table 5 Tensile strength of membrane materials before and after aging kN·m－1

3 結(jié)論

（1）膜材的經(jīng)向斷裂延伸率小于緯向斷裂延伸率，經(jīng)向抗拉強(qiáng)度略大于緯向抗拉強(qiáng)度.

（2）隨著溫度的升高，膜材拉伸強(qiáng)度逐漸減小.不同溫度下搭接膜材接縫拉伸強(qiáng)度能夠達(dá)到母材拉伸強(qiáng)度的90%以上.

（3）損傷膜材的拉伸強(qiáng)度有明顯的折減，折減程度同取樣位置、折疊次數(shù)有直接關(guān)系.

（4）循環(huán)應(yīng)力幅較大時(shí)，經(jīng)循環(huán)拉伸后的膜材拉伸曲線更接近線性.由于循環(huán)拉伸次數(shù)較少，循環(huán)拉伸后的膜材拉伸強(qiáng)度沒有明顯的折減.

（5）人工加速老化會(huì)使膜材表面出現(xiàn)污漬、斑點(diǎn)，膜材色澤變暗、泛黃，并出現(xiàn)較明顯的軟化.人工加速老化后膜材的拉伸強(qiáng)度有一定程度的折減，但并不明顯，這是因?yàn)镻TFE 膜材的涂層材料為惰性的聚四氟乙烯的緣故.

［1］張營營，倪佳女，張其林.涂層織物類建筑膜材料的設(shè)計(jì)強(qiáng)度研究［J］.湖南大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2011，38（12）：19－24.ZHANG Yingying，NI Jianü，ZHANG Qilin.Research on the design strength of architectural coated fabrics［J］.Journal of Hunan University：Natural Science，2011，38（12）：19－24.（in Chinese）

［2］GOSLING P D，BRIDGENS B D，ZHANG L.Adoption of a reliability approach for membrane structure analysis［J］.Structural Safety，2013，40：39－50.

［3］吳明兒，劉建明，慕仝，等.ETFE 薄膜單向拉伸性能［J］.建筑材料學(xué)報(bào)，2008，11（2）：241－247.WU Minger，LIU Jianming，MU Tong，et al.Uniaxial tensile properties of ETFE foils［J］.Journal of Building Materials，2008，11（2）：241－247.（in Chinese）

［4］吳明兒，慕仝，劉建明.ETFE 薄膜循環(huán)拉伸試驗(yàn)及徐變試驗(yàn)［J］.建筑材料學(xué)報(bào)，2008，11（6）：690－694.WU Minger，MU Tong，LIU Jianming.Cyclic loading and creep test of ETFE foil［J］.Journal of Building Materials，2008，11（6）：690－694.（in Chinese）

［5］MINTE J.Das mechanische Verhalten von Verbindungen beschichteter Chemiefasergewebe［D］.Aachen：Technischen Hochschule Aachen，1981.

［6］張營營，張其林，周傳志.溫度對PTFE膜材料力學(xué)性能的影響［J］.建筑材料學(xué)報(bào)，2012，15（4）：478－483.ZHANG Yingying，ZHANG Qilin，ZHOU Chuanzhi.Effects of temperature on mechanical properties of PTFE coated fabric［J］.Journal of Building Materials，2012，15（4）：478－483.（in Chinese）

［7］DG／TJ 08－2019—2007 膜結(jié)構(gòu)檢測技術(shù)規(guī)程［S］.DG／TJ 08－2019—2007 Technical specification for inspection of membrane structures［S］.（in Chinese）

［8］張汝光.纖維增強(qiáng)復(fù)合材料性能［J］.玻璃鋼，1998，28（1）：35－46.ZHANG Ruguang.Characteristics of fiber reinforced composites［J］.Fiber Reinforced Plastics，1998，28（1）：35－46.（in Chinese）

［9］ZHANG Yingying，ZHANG Qilin，LEI Ke，et al.Experimental analysis of tensile behaviors of polytetrafluoroethylene－coated fabrics subjected to monotonous and cyclic loading［J］.Textile Research Journal，2014，84（3）：231－245.