一、膜材料的组成和分类

通俗地讲，膜材就是氟塑料表面涂层与织物布基按照特定的工艺粘合在一起的薄膜材料。常用的氟素材料涂层有PTFE（ 聚四氟乙烯）PVDF（聚偏氟烯）PVC（聚氯烯等织物布基主要用聚醋长丝（涤纶 PES）和玻璃纤维有两种。

膜材的粘合就是将涂层与基材合二为一组成整体。建筑结构所用的膜材大多是以压延成型和涂刮成型的。所谓压延成型，就是将选定的软 PVC经塑炼后投入压延机，按照所需厚度、宽度压延成膜，立即与布基粘合，再经过轧花、冷却即可制得压延膜材。而涂刮成型，则是将聚氯乙烯糊均匀地涂或刮在布基上，再加热处理即可获得涂刮膜材，普遍的是采用刮刀直接涂刮，也有采用辊式涂刮的。

根据表面涂层（Coating）和织物基材（Layer）不同，膜材料分为三大类。

（1）A类膜材是玻璃维布基上聚四氟烯脂（PTFE）这种膜的化学性能极其稳定，露天使用寿命达25年以上，为不燃材料（通过A级防火测试

（2）B类膜材料是玻璃纤维布基上硅涂层，由于膜材自身性能欠佳，现在基本不再使用。

（3）C类型膜材料是聚长丝布基上涂聚氯烯树脂（PVC）这种膜材受自然条件如日晒雨淋等影响较大，一般使用寿命为10 年至15年，是难燃材料（通过B1级防测试）

二、膜结构的形状确定

膜结构的形状确定问题就是确定初始状态的问题，在许多专著上被称为“找形“FormFinding。膜结构的形状确定问题有两种类型：

（1）给定预应力分布的形状确定问题：预先假定膜结构中应力的分布情况，在根据受力合理或经济原则进行分析计算，以得到膜的初始几何状态。

（2）给定几何边界条件的形状确定问题：预先确定膜结构的几何边界条件，然后计算分析预应力分布和空间形状。

肥皂泡就是最合理的自然找形的膜结构。最初的找形正是通过皂膜比拟来进行，后来发展到用其他弹性材料做模型，通过测量模型的空间坐标来确定形状，对于简单的外形也可以用几何分析法来确定，膜结构找形技术的真正发展来自计算机有限元分析方法的发展。为了寻求膜结构的合理的几何外形，需要通过计算机的多次迭代才能得到。

常用的计算机找形方法有：力密度法、动力松弛法、有限元法。

三、膜结构的荷载分析

1、风荷载作用

膜结构区别于传统结构的两个显著特点是轻和柔。轻，意味着结构自身重量和惯性力小，自重不是主要荷载，地震力可以忽略不计，而风是主要荷载;柔，意味着结构无抗弯刚度，结构对外荷载的抵抗是通过形状改变来实现的，表现出几何非线性特征。膜结构的特点决定了膜结构是风敏感结构，抗风设计在膜结构设计中处于主要地位

膜结构轻、柔、飘的显著特点决定了膜结构抗风计算的内容也有自身特点

（1）静风压体型系数的确定

风荷载体型系数是描述风压在结构上不均匀特征的重要参数，一般结构的体形系数可以从荷载规范查得。但膜结构形状各异，不能从荷载规范直接获得风压体型系数。所以，较大的膜结构基本都要求进行风洞试验，以获得比较正确的膜结构的局部风压净压系数和平均风载体形系数。由于风洞试验要满足一系列的相似准则，如几何相似、雷诺数相似等通常要完全满足这些相似条件是不可能的，因此风洞模拟实验结果有时会超过实测值很多

（2）脉动风压系数的确定

膜结构在荷载作用下的位移较大，结构位形的变化会对其周围风场产生影响，所以膜结构的风动力响应过程是流固耦合过程。这种动力过程的风洞试验必须采用气动弹性模型因此实现起来技术难度较大。近年来发展的“数值风洞”技术受到越来越多的重视。这种技术简单的说就是将计算流体力学（CFD）和计算结构力学（CSD）技术结合起来，用计算流体力学来模拟结构周围的风场，用计算结构力学来模拟膜结构，再借助某些参数的传递来实现两者之间的耦合作用，不过，该方法还处试验阶段。

（3）风振动力分析

风力可分成平均风和脉动风两部分。平均风的周期较长，其对结构的作用性质相当于静力。脉动风的周期较短，其对结构的作用为动力性质。当结构的刚度较小，自振频率较低时，在脉动风荷载的作用下可能产生较大的变形和振动，所以在设计索膜这类小刚度结构时，应进行风振动力计算。索结构具有振型频谱密集、非线性特征和三维效应不可忽略等特点，针对高层和桥梁结构的风振分析方法不能直接应用。索膜结构的响应与荷载呈非线性关系，对于索膜结构定义荷载风振系数或阵风系数在理论上也是不正确的

（4）空动力稳

膜结构是风敏感结构，存在空气动力失稳（AerodynamicInstability）的问题。从本质上看，结构空气弹失稳是由于结构在振动过程中从与气流的振型耦合中吸收能量，当吸收能量大于耗散能量时，就会产生能量累积，当这种能量累积达到某一阀值（临界风速）后，结构就会从一种低能量（稳定）的振动形式跃迁到另一种高能量（不稳定）的振动形式上去。所以，膜结构存在设计风速作用下的动力失稳问题，幸运的是至今还没有这方面破坏的膜结构实例。

四、膜结构的裁剪分析

裁剪分析包含三个步骤：

（1）空间膜面剖分成空间膜条

膜结构是通过结构来表现造型，空间膜面在剖分成膜条时，要充分考虑膜条的边线即热合缝对美观的影响;同时膜材是正交异性材料，为使其受力性能最佳，应保证织物的经纬方向与曲面上的主应力方向尽可能一致，此外，用料最省、缝线最短，也是进行膜面剖分必须考虑的因素

（2）空间膜条展开成平面膜片

空间膜条展开成平面膜片，即将膜条的三维数据转化成相应的二维数据，采用几何方法，简单可行。但如果膜条本身是个不可展曲面，就得将膜条再剖分成多个单元，采用适当的方法将其展开。此展开过程是近似的，为保证相邻单元拼接协调，展开时要使得单元边长的变化为极小。

（3）应力状态转化到无应力状态

从应力状态到无应力状态的转化，即释放预应力、进行应变补偿。膜结构是在预应力状态下工作的，而平面膜材的下料是在无应力状态下进行的，为确定膜材的下料图，需对膜片释放预应力，并进行应变补偿。

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