膜结构(1)-材料

主讲人：武主讲人：武岳岳哈尔滨工业大学MembraneStructures6.6.薄膜结构薄膜结构16.16.1建筑膜材建筑膜材建筑膜材织物膜材非织物膜材PVC膜材PTFE膜材ETFE膜材是继木材、砖石、金属、混凝土之后的第五代建筑材料。2一一..织物膜材织物膜材膜材构成示意图†基材决定材料的力学性能，如抗拉强度、抗撕裂强度等；†涂层决定材料的物理性能，如防火、防潮、透光等。†面层起自洁和防紫外线辐射的作用。3基材基材(Layer)(Layer)的种类的种类†聚酯纤维（丙纶）¾抗拉强度较低；¾易受到紫外线的侵蚀，需涂覆保护层。†玻璃纤维¾具有较高的弹性模量和抗拉强度，不会受到紫外线的破坏；¾缺点是脆性较大，受到弯折易破坏。4基层纤维的织造工艺基层纤维的织造工艺†多为平织结构；†由于纤维交点处存在横向不平衡内力，因此纤维除发生弹性变形外，还会发生机构性位移。†采用预应力技术，可以使膜材的尺寸恒定性显著提高。5涂层涂层(Coating)(Coating)的种类的种类†聚氯乙烯(PVC)柔软、坚韧，有多种颜色选择；抗紫外线能力一般，主要用于聚酯纤维基材。†聚四氟乙烯(PTFE)化学性质不活泼，有良好的抗老化性；只有白色一种；主要用于玻璃纤维基材。†有机硅柔韧性、透光性、防水性均较好；自洁性、焊接性不好；主要与玻璃纤维基材。6面层的种类面层的种类†主要用于PVC涂层，以增强其化学稳定性和自洁性；PTFE膜材不需要面层。†丙烯酸树脂†聚二氟乙烯（PVDF）†聚偏氟乙烯（PVF）7†PTFE膜材：永久性膜材（25年）玻璃纤维基层＋聚四氟乙烯(PTFE)涂层品质卓越，价格也较高†PVC膜材：半永久性膜材（10~15年）聚酯纤维结构＋聚氯乙烯(PVC)涂层＋聚偏氟乙烯(PVDF)面层应用广泛，价格适中PTFEPTFE膜材与膜材与PVCPVC膜材膜材8††世界上首个应用世界上首个应用PTFEPTFE膜材的永久膜材的永久性建筑。性建筑。††经过经过2020多年的考多年的考验，材料还保持验，材料还保持着着7070--80%80%的强的强度，仍然透光且度，仍然透光且没有褪色。没有褪色。拉维恩大学学生活动中心StudentCenter(UniversityofLaVerne)，California,USA,19739膜材的基本性能膜材的基本性能†力学性能：Mechanicalproperties†耐久性：Durability†自洁性：Self-CleaningProperty†透光性：Translucent†防水性：Water-Resistancy†耐火性：Fire-Resistancy†工艺性要求：TechnicalProperties101.力学性能MechanicalProperties†拉伸强度100Mpa†拉伸模量≈1/3ESteel†泊松比≈0.2种类涂层材料厚度(mm)破坏应力(kN/m)破坏应变玻璃纤维PTFE0.7144/1280.086/0.087聚酯纤维PVC0.8101/900.24/0.3311膜材的单轴拉伸试验膜材的单轴拉伸试验1mm厚铝板两面粘合试验膜材250505025泊松比型号经向张拉刚度EWt(N/cm)纬向张拉刚度Eft(N/cm)γwfγfs0.10.061剪切刚度Gwft(N/cm)1002TPTFE0.70.0720.086/0.0871202TPVC0.80.0470.24/0.3312膜材的双轴拉伸试验膜材的双轴拉伸试验双轴拉伸单轴拉伸差异经向张拉刚度EWt(N/cm)11070105005.51%纬向张拉刚度Eft(N/cm)9000810010.0%双轴拉伸试验试件双轴拉伸试验荷载-变形曲线13†膜材的撕裂强度比拉伸强度低得多。†PVC膜材具有中等的撕裂强度，PTFE膜材具有较高的撕裂强度。†实际工程中，很多破坏都是由撕裂造成的，因此在膜结构设计中要特别注意避免应力集中。膜材的撕裂强度膜材的撕裂强度14膜材撕裂试验膜材撕裂试验TongueteartestTrapezoidalteartestMono-axialslitteartest15正交异向性正交异向性†膜材基材呈现很强的正交异性性能，经纬向变形能力相差达3-5倍之多。16徐变和松弛徐变和松弛†蠕变和松弛是膜材起皱和失效的重要原因，在裁剪分析和加工时必须考虑这个因素。†聚酯纤维织物在10年里会因蠕变丧失50%的预张力，玻璃纤维织物则要稳定很多。PVDF1002T膜材经向9小时徐变图172.光学性能OpticProperties†PTFE膜材的透光率能达到25％，PVC膜材则为13％左右。†透射光在结构内部会产生均匀的漫射光；夜晚在周围环境光和内部照明的共同作用下，结构表面会发出自然柔和的光辉。80%18DayandnightTheinteriorofHajjTerminalilluminatedbythenaturaldaylightArtificiallightgoesthroughthemembranetodramatizeitswonderfulsculpturalshape193.声学性能AcousticsProperties†一般单层的建筑膜材对于低于60Hz的低频声波几乎是透明的；虽然双层膜能够改善其声学性能，但费用会显著增加。†目前已出现一种复合式膜材，即在一般PVC膜后加一层吸音及隔热层，总厚度约为35mm，其热传导系数仅为3.7（一般膜材约在6.8）；在加工方式与原材料费用方面也优于双层膜，适用于寒带或热带地区。204.自洁性Self-CleaningProperties†一般的膜结构建筑宜每年清洗一次；†对于清洗比较困难的膜结构，宜优先选用PTFE膜材或经过特殊表面处理的PVC膜材。21二二..非织物膜材非织物膜材(ETFE(ETFE膜材膜材))††ETFE(ETFE(乙烯乙烯--四氟乙烯共聚物四氟乙烯共聚物))于上世纪于上世纪7070年代年代初在美国开始研究。目前仅日本、美国、德国初在美国开始研究。目前仅日本、美国、德国等国少数几个公司可生产。等国少数几个公司可生产。††是替代玻璃和其他高分子采光板的理想材料。是替代玻璃和其他高分子采光板的理想材料。22ETFEETFE膜材的性能膜材的性能†厚度：0.05mm-0.25mm；†密度：质量约150~350g/m2，是玻璃的1%；†颜色：透明、白色，可印制成各种颜色的图案；†透光率：单层透明膜材的透光率高达95%，†防火性能：为阻燃材料，熔融温度达200℃；†耐久性：使用年限达25年以上；†抗拉强度：大于40Mpa；†破断伸长率：达300%以上。23ETFEETFE膜材的应用形式膜材的应用形式†单层张拉式†双层或多层气垫式24控制系统及充气设备控制系统及充气设备†ETFE气垫内的气压需要不间断地监控、调节†充气压力在200~750Pa之间。充气连接管充气阀门25英国伊甸园（英国伊甸园（EdenProjectEdenProject））••建于建于20012001年，是全球最大的温室植物园。年，是全球最大的温室植物园。••由４座测地线穹顶组成，最大跨度由４座测地线穹顶组成，最大跨度100m100m，高度约，高度约50m50m。。••穹顶表面呈蜂窝状，六边形网格尺寸为穹顶表面呈蜂窝状，六边形网格尺寸为9m9m到到11m11m。。••采用采用33层层ETFEETFE气枕，每个气枕高气枕，每个气枕高22米。米。2627德国慕尼黑的德国慕尼黑的AllianzArenaAllianzArena•2005年建成•悬挑长度约50m•3层ETFE膜材覆盖•2816个扁菱形气垫•气垫边长为4~8m，跨度2~4.25m•每个气垫可抵抗1.6m高的雪荷载。2829TheEndThankYou！