一、膜材料的組成和分類

通俗地講，膜材就是氟塑料表面涂層與織物布基按照特定的工藝粘合在一起的薄膜材料。常用的氟素材料涂層有PTFE（ 聚四氟乙烯）PVDF（聚偏氟烯）PVC（聚氯烯等織物布基主要用聚醋長絲（滌綸 PES）和玻璃纖維有兩種。

膜材的粘合就是將涂層與基材合二為一組成整體。建筑結構所用的膜材大多是以壓延成型和涂刮成型的。所謂壓延成型，就是將選定的軟 PVC經塑煉后投入壓延機，按照所需厚度、寬度壓延成膜，立即與布基粘合，再經過軋花、冷卻即可制得壓延膜材。而涂刮成型，則是將聚氯乙烯糊均勻地涂或刮在布基上，再加熱處理即可獲得涂刮膜材，普遍的是采用刮刀直接涂刮，也有采用輥式涂刮的。

根據表面涂層（Coating）和織物基材（Layer）不同，膜材料分為三大類。

（1）A類膜材是玻璃維布基上聚四氟烯脂（PTFE）這種膜的化學性能極其穩定，露天使用壽命達25年以上，為不燃材料（通過A級防火測試

（2）B類膜材料是玻璃纖維布基上硅涂層，由于膜材自身性能欠佳，現在基本不再使用。

（3）C類型膜材料是聚長絲布基上涂聚氯烯樹脂（PVC）這種膜材受自然條件如日曬雨淋等影響較大，一般使用壽命為10 年至15年，是難燃材料（通過B1級防測試）

二、膜結構的形狀確定

膜結構的形狀確定問題就是確定初始狀態的問題，在許多專著上被稱為“找形“FormFinding。膜結構的形狀確定問題有兩種類型：

（1）給定預應力分布的形狀確定問題：預先假定膜結構中應力的分布情況，在根據受力合理或經濟原則進行分析計算，以得到膜的初始幾何狀態。

（2）給定幾何邊界條件的形狀確定問題：預先確定膜結構的幾何邊界條件，然后計算分析預應力分布和空間形狀。

肥皂泡就是最合理的自然找形的膜結構。最初的找形正是通過皂膜比擬來進行，后來發展到用其他彈性材料做模型，通過測量模型的空間坐標來確定形狀，對于簡單的外形也可以用幾何分析法來確定，膜結構找形技術的真正發展來自計算機有限元分析方法的發展。為了尋求膜結構的合理的幾何外形，需要通過計算機的多次迭代才能得到。

常用的計算機找形方法有：力密度法、動力松弛法、有限元法。

三、膜結構的荷載分析

1、風荷載作用

膜結構區別于傳統結構的兩個顯著特點是輕和柔。輕，意味著結構自身重量和慣性力小，自重不是主要荷載，地震力可以忽略不計，而風是主要荷載;柔，意味著結構無抗彎剛度，結構對外荷載的抵抗是通過形狀改變來實現的，表現出幾何非線性特征。膜結構的特點決定了膜結構是風敏感結構，抗風設計在膜結構設計中處于主要地位

膜結構輕、柔、飄的顯著特點決定了膜結構抗風計算的內容也有自身特點

（1）靜風壓體型系數的確定

風荷載體型系數是描述風壓在結構上不均勻特征的重要參數，一般結構的體形系數可以從荷載規范查得。但膜結構形狀各異，不能從荷載規范直接獲得風壓體型系數。所以，較大的膜結構基本都要求進行風洞試驗，以獲得比較正確的膜結構的局部風壓凈壓系數和平均風載體形系數。由于風洞試驗要滿足一系列的相似準則，如幾何相似、雷諾數相似等通常要完全滿足這些相似條件是不可能的，因此風洞模擬實驗結果有時會超過實測值很多

（2）脈動風壓系數的確定

膜結構在荷載作用下的位移較大，結構位形的變化會對其周圍風場產生影響，所以膜結構的風動力響應過程是流固耦合過程。這種動力過程的風洞試驗必須采用氣動彈性模型因此實現起來技術難度較大。近年來發展的“數值風洞”技術受到越來越多的重視。這種技術簡單的說就是將計算流體力學（CFD）和計算結構力學（CSD）技術結合起來，用計算流體力學來模擬結構周圍的風場，用計算結構力學來模擬膜結構，再借助某些參數的傳遞來實現兩者之間的耦合作用，不過，該方法還處試驗階段。

（3）風振動力分析

風力可分成平均風和脈動風兩部分。平均風的周期較長，其對結構的作用性質相當于靜力。脈動風的周期較短，其對結構的作用為動力性質。當結構的剛度較小，自振頻率較低時，在脈動風荷載的作用下可能產生較大的變形和振動，所以在設計索膜這類小剛度結構時，應進行風振動力計算。索結構具有振型頻譜密集、非線性特征和三維效應不可忽略等特點，針對高層和橋梁結構的風振分析方法不能直接應用。索膜結構的響應與荷載呈非線性關系，對于索膜結構定義荷載風振系數或陣風系數在理論上也是不正確的

（4）空動力穩

膜結構是風敏感結構，存在空氣動力失穩（AerodynamicInstability）的問題。從本質上看，結構空氣彈失穩是由于結構在振動過程中從與氣流的振型耦合中吸收能量，當吸收能量大于耗散能量時，就會產生能量累積，當這種能量累積達到某一閥值（臨界風速）后，結構就會從一種低能量（穩定）的振動形式躍遷到另一種高能量（不穩定）的振動形式上去。所以，膜結構存在設計風速作用下的動力失穩問題，幸運的是至今還沒有這方面破壞的膜結構實例。

四、膜結構的裁剪分析

裁剪分析包含三個步驟：

（1）空間膜面剖分成空間膜條

膜結構是通過結構來表現造型，空間膜面在剖分成膜條時，要充分考慮膜條的邊線即熱合縫對美觀的影響;同時膜材是正交異性材料，為使其受力性能最佳，應保證織物的經緯方向與曲面上的主應力方向盡可能一致，此外，用料最省、縫線最短，也是進行膜面剖分必須考慮的因素

（2）空間膜條展開成平面膜片

空間膜條展開成平面膜片，即將膜條的三維數據轉化成相應的二維數據，采用幾何方法，簡單可行。但如果膜條本身是個不可展曲面，就得將膜條再剖分成多個單元，采用適當的方法將其展開。此展開過程是近似的，為保證相鄰單元拼接協調，展開時要使得單元邊長的變化為極小。

（3）應力狀態轉化到無應力狀態

從應力狀態到無應力狀態的轉化，即釋放預應力、進行應變補償。膜結構是在預應力狀態下工作的，而平面膜材的下料是在無應力狀態下進行的，為確定膜材的下料圖，需對膜片釋放預應力，并進行應變補償。

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