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商品详细描述
TFS是英语TENSIONED FABRIC STRUCTURES的字头缩写形式，它的意思是张拉织物结构。张拉结构是膜结构的一种，而膜结构是目前最新的一种建筑结构形式，国外也是从二十世纪六十年代中期才开始出现，至于在国内，更是从九十年代中后期才开始应用。虽然膜结构是一种新兴的建筑形式，但是由于它独特的性能和强烈的视觉冲击效果，所以很快就被建筑师和结构师接受，现在已经出现不可阻挡的发展态势。一般膜结构分为三种形式：充气式、骨架式和张拉式，其中，张拉式是膜结构中最具代表性的一种形式，它们被广泛应用于大中型体育场馆的屋盖、休闲娱乐场所、公共设施、标识性建筑（见图1-1），等等。随着北京2008年夏季奥运会申办成功，膜结构将会在国内有突飞猛进地发展。
膜结构应用的主要受力材料不同于传统的建筑材料，它应用的材料称做建筑织物，我们习惯地称之为TFS膜材，或简称为膜材，膜材的性能直接关系到整个膜结构的好坏。通常膜材是由纤维布基、高聚物涂层两部分组成（见图1-2）。本文将简要地从膜材的纤维、涂层、材料的物理化学性能等三个方面进行介绍。
二．纤维
一般来讲，TFS膜材的纤维有四种，尼龙、涤纶（聚酯长丝）、玻璃纤维和聚酰胺。目前应用最多的是涤纶和玻璃纤维。迄今为止，世界上只有一个大型的体育场屋盖应用的是聚酰胺膜材。由于涤纶具有良好地抵抗紫外线和较高的弹性模量等性能，它已经大量地取代了尼龙。
1． 尼龙
尼龙的强度比涤纶稍高，但它具有较低的弹性模量（E），这就导致了它在受力状态下具有较大的伸长量，这个较大的伸长量会使膜结构的表面出现皱褶，也使它曝露在大气中出现尺寸上的不稳定。如果空气的湿度出现变化，以尼龙作为布基的膜材在裁剪和成型上将产生很大的差异，这是一个非常严重的问题。另外，尼龙长时间曝露在紫外线下将丧失它的拉伸强度。所以，它经常用于建筑屋盖的内侧。
2． 涤纶（聚酯长丝）
尽管涤纶的拉伸强度比尼龙要低，涤纶被广泛应用是由于它具有较高的刚度。原始的涤纶纤维丝较之尼龙在紫外线（UV）下更容易降解，但在纤维表面涂覆上聚酯就能有效地抵抗UV侵害。从实用角度来看，涤纶具有较高的UV抵抗性。
3． 玻璃纤维
玻璃纤维具有很高的弹性模量和拉伸强度。从理论上讲，玻璃纤维的缺点是它的脆性。为了克服这个弱点，通常玻璃纤维丝的直径都非常小，但如果反复折叠，玻璃纤维丝还是会被损坏。所以在运输和安装玻璃纤维织物时必须特别小心。由于玻璃纤维的脆性，使得这种膜材不能用于临时性建筑和需要反复拆装的建筑。玻璃纤维在UV下不发生降解也是它能应用在永久性建筑上的重要因素。
4． 聚酰胺（KEVLAR）
聚酰胺是一种有机材料。它具有较高的弹性模量和破断强度。聚酰胺纤维具有高于玻璃纤维但低于尼龙和涤纶的柔韧性。它在UV下也产生降解。
5． 纤维（布基）的编织方式（见图2-1）
表2-1 各种常见的编织方式比较
编织方式名称 松散型编织 紧密型平织 普通平织
所对应的图例 （a） （b） （c）
优点 （1）较高的机械粘合性；（2）较高的抗撕裂强度； （1）较高的拉伸强度；（2）易于控制液体涂覆的方向； （1）具有双层厚度；（2）具有很高的抗撕裂强度；（3）具有优异的撕裂与拉伸之间的平衡性；（4）具有机械和化学粘合方面的平衡性；
缺点 （1）较低的拉伸强度；（2）由于纤维的空隙较大，容易引起涂覆物过量； （1）没有机械粘合性，只有化学粘合性；（2）较低的抗撕裂强度；（3）具有三层厚度；（4）纬向强度较高； （1）在经向和纬向的伸长量都较低；（2）经向和纬向几乎没有相互作用；
三．涂层
有许多材料可以用做建筑织物的涂层材料，以下介绍的只是应用最多的几种：
1． 聚氯乙烯（PVC）
由于PVC柔软易折，所以它可以满足TFS任何形状的要求。PVC能够抵抗紫外线，而且很易着色。PVC膜材多以尼龙和涤纶作为布基。
2． 聚四氟乙烯（PTFE）（特氟龙）
PTFE是化学惰性材料，它可以长时间抵抗潮湿和微生物的侵害，而自身仅仅有微小的损害。目前应用的材料只有白色。PTFE与玻璃纤维构成的膜材具有耐久性和尺寸稳定性等特点。从理论上讲，处理这种膜材应该非常小心，以免损害玻璃纤维。这种膜材的价格要比PVC涂覆涤纶的膜材高得多。它是一种不燃的材料，并具有很高的拉伸强度和弹性模量。
3． 硅树脂
硅树脂常被用做玻璃纤维的保护涂层。它具有如下的优异性能：抵抗紫外线、长时间的柔韧性、不燃、较高的拉伸强度和较大的弹性模量，它还具有很高的透光性。硅树脂涂覆玻璃纤维膜材的机械性能与PTFE涂覆玻璃纤维膜材的类似。
4． 涂层的表面处理
灰尘、污染和其它的原因极易损害涂层并缩短膜材的使用寿命。保护涂层的一个办法是在涂层表面再涂上一层表面层。表面涂层不仅要保护膜材免受UV的侵害，而且还要改善膜材的自洁性能。一种用于表面处理的材料是TEDLAR，这是一种叫做聚氟乙烯（PVF）的材料，它被广泛应用在PTFE涂覆玻璃纤维的膜材和PVC涂覆涤纶的膜材上。用涤纶作为基材的膜材的表面处理还用到丙烯酸、聚偏二氟乙烯（PVDF）或聚氨酯。
四．建筑用织物的相关性能
一旦布基和涂层（不管是否有表面处理）结合在一起就组成了建筑用织物――TFS首要的结构材料。当今的大多数TFS采用一种或两种膜材，PVC涂覆涤纶或PTFE涂覆玻璃纤维。由于这两种膜材的广泛使用，下面叙述的是其经过检测的相关性能：
1． 折叠或撕裂的损害
膜材是在工厂生产成型的，它们必须经过折叠或打卷、运输、打开包装、搬运到安装地点，吊装后与钢索或其它连接件连接完成安装。在这个过程中，任何弯曲都会对纤维和涂层造成损坏。玻璃纤维天然的脆性使得它的损坏尤其突出。为了减小这种损坏只有将玻璃纤维丝的直径做的很小。聚酯长丝比玻璃纤维受损要小的多。多种测试方法可以显示出织物抵抗折叠的能力大小，图4-1所示为其中一种测试方法。
由于意外和人为的原因会引起织物的撕裂。TFS膜材的涂层和布基是基于两个机理结合在一起的。一个是机械的，另一个是化学的。机械原理是用物理力将涂层和布基结合在一起。化学原理是将涂层通过化学粘合与布基中的纤维表面结合。另外，织物的抗撕裂性能还与布基的编织方式有关，例如前述的紧密型编织，它的涂层和布基之间不可能产生良好的机械粘接，所以只有化学粘合。这种粘合可以防止纤维从涂层中滑脱，因此就降低了抗撕裂强度，而与此同时，它获得了一个较高的拉伸强度。
有几种不同的撕裂方式。有的就象撕一张纸，这是不在同一平面上进行的撕裂。有的撕裂就在同一个平面上。所以也有不同测试TFS膜材抗撕裂强度的方法。图4-2所示是最常用的几种：
(a) 舌状撕裂测试；
(b) TRAPEZOIDAL式撕裂测试；
(c) 单轴中心裂缝撕裂测试；
织物的拉伸强度和撕裂强度之间有很大差别，也就是说，一种材料有很高的拉伸强度，却有很低的撕裂强度，所以，这种材料应用于结构上会有很大限制。比如，玻璃纤维具有很高的拉伸强度，但撕裂强度较低，这是由于具有高弹性模量的玻璃纤维和PTFE涂层高度粘合而造成的。这种高弹性模量阻碍了纤维的延展，高粘合也阻碍了纤维在涂层中的延展。这些特性用于结构中反而降低了织物实际的强度，很多失败的例子其实是由于织物的撕裂强度过低导致。甚至在试验室中的试验，也往往是拉伸强度合格而撕裂强度不过关。所以在实际工程中，对于织物的安全问题，最关键之处应该集中在织物的撕裂强度上而不是拉伸强度。
2． 拉伸强度
在这个专题中恰好可以说明传统结构材料与TFS膜材性能上的不同。传统结构的设计人员依靠的是强度很好的材料，如：木头、混凝土和钢铁，这些材料应用在传统结构上不会因为使用时间的加长而丧失其应有的强度。相反，随着膜结构使用时间的加长，膜材的强度会有所降低。多数膜材强度的降低与UV有关。涂层的一个功能就是防止膜材产生降解，但涂层自身在UV下也会发生降解。所以，由于UV的作用，随着时间的推移，膜材会丧失相应的强度。多数膜材在受潮之后也会丧失部分强度。由于在设计中允许膜材吸潮，导致涂层丧失部分保护能力，从而引起丧失强度。由于UV降解和吸潮引起的强度丧失与膜材的类型、涂层、使用的场所、曝露的时间都有关系。因此，依据拉伸强度选用膜材非常有必要。我们可以看出，膜材精确的双轴非线性应力分析测试尤为重要。这也是我们允许膜材的工作应力仅仅占其破断强度很小比例的一部分原因。
以玻璃纤维、聚酰胺、尼龙和涤纶作为布基的膜材在建筑用织物中具有很高的拉伸强度。值得特别注意的是，它们在经向和纬向上的应力―应变曲线有很大区别。在第一次加荷载和继续加荷载的情况下，其应力―应变曲线都表现出极大的不同。
有两种拉伸试验可以应用在膜材上，它们是单轴和双轴拉伸测试。单轴测试与测试钢材样条的拉伸强度有些相似，但二者绝不相同。在膜材的单轴测试应力―应变曲线上没有一个部分呈现出线性。再者，经过几轮对膜材的加载和卸载，曲线也表明其不是弹性的。另外，单轴拉伸测试也大致模拟出膜材在实际使用时的受力情况。在单轴测试过程中，布基中横向的纤维变短，这就允许在测试过程中，可以人为地施加一个很高的拉伸力到竖向的纤维上，使其充分地纵向延展。一般测试结果应该取测试的平均值。
由于膜材具有各向异性，就需要应用双轴测试建筑用织物。目前有各种各样的双轴测试方法。图4-3所示为十字形双轴测试。另一种是圆柱形双轴测试，在这种测试中，膜材被附在一个橡胶的圆筒上，向圆筒中充气，膜材的双轴向都受到应力。这种方法可以清晰地显示材料在双向的受力行为。图4-4所示为PTFE涂覆玻璃纤维膜材的典型的双轴测试结果。图4-5所示为PVC涂覆聚酯长丝的双轴测试结果。这两个测试都是采用平织布基的膜材，并且按照十字形制作的测试样条。
若是从其它的工程材料角度来看，这些曲线都是普通的应力―应变曲线，但它们与其它材料有显著差别。这些曲线说明了五个问题：
（1） 膜材的经向和纬向存在巨大的差异；
（2） 经向和纬向纤维的性能取决于施加在经向和纬向的应力的比率；
（3） 在第一次施加载荷后产生永久变形；
（4） 经向和纬向的纤维都表现出非线性；
（5） 与真正的呈线性的应力―应变曲线存在巨大偏差（见图4-6）
由于膜材的性能与在其经向和纬向所施加的应力的比率不同而有所不同，故测试设定力的比率为1：1，2：1，1：2。注意，每一种情况在第一次加载时都会产生一个巨大应变。在第一次加载之后，在继续加载的过程中，曲线变化的趋势相似，但仍然呈现出非线性。图4-6所示为以玻璃纤维为布基的膜材，用最小二乘法使其应力―应变曲线趋于线性的结果。
表4-1 典型的单轴测试破断强度
布基 丝数（丝/米） 涂层 厚度（mm） 破断应力（KN/m） 破断伸长率(%)
玻璃纤维 990/730 PTFE 0.7 144/128 8.6/8.7
聚酯长丝 600/620 PVC 0.8 101/90 24/33
双轴测试的程序是，选择一个施加力的比率，比如说2：1，通过增加荷载，得到一系列应力―应变的测量值，但一定要保持经向和纬向的应力比率为2：1恒定不变。测量出经向和纬向纤维的应变。经向的测量值绘出“经向”2：1曲线，纬向的测量值绘出“纬向”2：1曲线。此过程重复三次，给出分别如图4-4和图4-5所示的第一次、第二次、第三次荷载。同理做出比率为1：1和1：2的测试。注意以上程序会产生一个随着荷载的增加而减小的应变。在这种情况下，较高的纬向应力将导致在荷载增加的同时，纬向纤维缩短。
从以上的叙述可以看出，建立TFS在应用领域的受力分析是一个很复杂的过程。我们可以应用非线性计算机程序分析，但最终还是要依靠材料的实测数值。在实际应用中，膜材的选择通常依据单轴测试数据再加上一个很高的安全系数。但是设计人员仍要注意，应力分析并不能确切代表结构真正所受的应力。
3． 延展（松弛）和尺寸稳定性
如前所述，在第一次施加荷载时，纬向丝会卷曲在经向丝上，从而使膜材产生大量延展。为了解决这个问题采用了多种技术。一种技术是，在编织过程中将纬向丝张拉，同时控制双向的张拉程度，使得经向和纬向产生相同的延展量。另一种装置可以在安装之前将初始的延展作为预延展加在膜材上，这样能够减少膜材在使用过程中产生的延展（松弛）。
尺寸稳定性也受到温度和湿度的影响。由于温度变化和热膨胀的共同作用，产生膜材在长度方向上的变化。吸水率也会产生尺寸变化。吸水率通常由布基纤维的毛细管行为产生。这就是我们所熟悉的芯吸现象。布基里的水不仅使膜材产生尺寸的变化，而且使微生物大量繁殖而造成膜材的降解。芯吸还可以促成由于FREEZE-THAW行为而造成的损坏。芯吸现象由涂层加以控制。这就要求涂层可以阻挡水分的入侵。尼龙比涤纶对于芯吸现象更加敏感。
不管是什么原因造成的尺寸变化都是非常严重的问题。膜材在安装以后发生松弛直接导致“出兜儿”，这样会丧失膜材的预张力，在风中和撕裂的情况下产生甩动。对于TFS，张拉力的消失就表明整个结构的消失。所以在设计中注意尺寸的稳定性是十分重要的。
4． 抵抗化学物质和紫外线的侵蚀
能够抵抗织物所在地外部大气中化学物质的侵蚀是其必需的一种性能。然而，一些有毒的化学物质却是由织物涂层本身产生的。当氯乙烯化合物发生降解时就产生氯化氢。如果尼龙纤维遭到侵害会很快失去强度。聚酯长丝对此还不那么敏感。
许多合成材料长时间曝露在UV下都会发生降解。此种降解可以通过在纤维中添加抗光活性剂或在涂层中添加UV吸收剂得到部分缓解。玻璃纤维不会受此影响，聚酯长丝会丧失部分强度，影响最严重的是尼龙。图4-7显示出以尼龙和涤纶作为布基的膜材的测试结果。被测试膜材在紫外线中曝露110周。测试结果表明，以尼龙为布基的膜材丧失90%的自身强度，以涤纶作为布基的膜材丧失20%的自身强度。
5． 阻燃性
TFS膜材作为建筑材料，其防火阻燃性能对于我们来说就显得十分重要。国际上和国内有如下的防火测试标准：
（1） ASTM E84――建筑材料的表面燃烧特性
（2） ASTM E108――屋顶材料的燃烧性能测试
（3） ASTM E136――材料在750℃的竖向管道中的燃烧性能
（4） NFPA 701――织物和薄膜材料的阻燃性能测试
（5） DIN 4102――建筑材料的燃烧性能测试
（6） GB8624-97――建筑材料燃烧性能分级方法
应用GB8624-97，可以将材料的燃烧性能区分为：A级――不燃；B1级――难燃；B2级――可燃；B3级――易燃。以玻璃纤维作为布基的膜材可以达到不燃（A级），而以涤纶作为基材的膜材则只能达到难燃（B1级）。
五．TFS膜材前景展望
随着TFS建筑形式逐渐被国人接受，膜结构在国内的迅速崛起，膜材的应用前景将十分广阔。2001年，国内膜结构使用的膜材总量约为20～25万平方米。估计到2008年，膜材的需用量将会以每年20%的速度递增。但是非常遗憾的是，国内绝大多数的膜结构公司采用的是国外的膜材。例如，PTFE涂覆玻璃纤维的膜材多采用日本中兴化成株式会社的FGT系列材料，其中FGT800的相关性能见表5-1。而PVC涂覆涤纶的膜材大多采用来自法国FERRARI公司FLUTOP T系列，韩国SUPERTEX公司MS系列，德国MEHLER公司FR系列的材料，这三家公司的相关产品性能比较见表5-2。早在四、五年前，国内如北京、天津、山东、浙江、江苏等省市也曾出现过膜材制造企业（都是从事PVC涂覆涤纶的膜材制造），但到目前为止，尚在坚持从事膜材制作企业的产品质量和性能仍然赶不上国外材料。膜结构公司为了对自己承揽的工程质量负责，只能选择从国外进口的材料，所以材料的成本较高。
表5-1 FGT-800 技术特性
总重量 1300±130克/平米
厚度 0.8 ±0.1mm
织物密度(经/纬) 25±1.5/19±1.5 个/25 mm
抗拉强度 (经/纬) 450/360 kgf/3cm
抗撕裂强度(经/纬) 30/30 kgf
延伸率(经/纬) 6/10 %
剥离强度 6 kgf/2cm
表5-2 国外PVC涂覆涤纶的膜材性能对比
出产国 韩国 德国 法国
膜材厂商 Supertex Mehler Ferrari
型号 MS-03P MS-33 FR1000-TypeⅢ 1202T
厚度 mm 1.15 1.15 0.9 0.8
重量 g/m2 1350 1350 1050 1250
抗拉强度 N/5cm 6000 x 5400 6000 x 5400 6000 x 5500 5600 x 5600
抗撕裂
膜结构应用的主要受力材料不同于传统的建筑材料，它应用的材料称做建筑织物，我们习惯地称之为TFS膜材，或简称为膜材，膜材的性能直接关系到整个膜结构的好坏。通常膜材是由纤维布基、高聚物涂层两部分组成（见图1-2）。本文将简要地从膜材的纤维、涂层、材料的物理化学性能等三个方面进行介绍。
二．纤维
一般来讲，TFS膜材的纤维有四种，尼龙、涤纶（聚酯长丝）、玻璃纤维和聚酰胺。目前应用最多的是涤纶和玻璃纤维。迄今为止，世界上只有一个大型的体育场屋盖应用的是聚酰胺膜材。由于涤纶具有良好地抵抗紫外线和较高的弹性模量等性能，它已经大量地取代了尼龙。
1． 尼龙
尼龙的强度比涤纶稍高，但它具有较低的弹性模量（E），这就导致了它在受力状态下具有较大的伸长量，这个较大的伸长量会使膜结构的表面出现皱褶，也使它曝露在大气中出现尺寸上的不稳定。如果空气的湿度出现变化，以尼龙作为布基的膜材在裁剪和成型上将产生很大的差异，这是一个非常严重的问题。另外，尼龙长时间曝露在紫外线下将丧失它的拉伸强度。所以，它经常用于建筑屋盖的内侧。
2． 涤纶（聚酯长丝）
尽管涤纶的拉伸强度比尼龙要低，涤纶被广泛应用是由于它具有较高的刚度。原始的涤纶纤维丝较之尼龙在紫外线（UV）下更容易降解，但在纤维表面涂覆上聚酯就能有效地抵抗UV侵害。从实用角度来看，涤纶具有较高的UV抵抗性。
3． 玻璃纤维
玻璃纤维具有很高的弹性模量和拉伸强度。从理论上讲，玻璃纤维的缺点是它的脆性。为了克服这个弱点，通常玻璃纤维丝的直径都非常小，但如果反复折叠，玻璃纤维丝还是会被损坏。所以在运输和安装玻璃纤维织物时必须特别小心。由于玻璃纤维的脆性，使得这种膜材不能用于临时性建筑和需要反复拆装的建筑。玻璃纤维在UV下不发生降解也是它能应用在永久性建筑上的重要因素。
4． 聚酰胺（KEVLAR）
聚酰胺是一种有机材料。它具有较高的弹性模量和破断强度。聚酰胺纤维具有高于玻璃纤维但低于尼龙和涤纶的柔韧性。它在UV下也产生降解。
5． 纤维（布基）的编织方式（见图2-1）
表2-1 各种常见的编织方式比较
编织方式名称 松散型编织 紧密型平织 普通平织
所对应的图例 （a） （b） （c）
优点 （1）较高的机械粘合性；（2）较高的抗撕裂强度； （1）较高的拉伸强度；（2）易于控制液体涂覆的方向； （1）具有双层厚度；（2）具有很高的抗撕裂强度；（3）具有优异的撕裂与拉伸之间的平衡性；（4）具有机械和化学粘合方面的平衡性；
缺点 （1）较低的拉伸强度；（2）由于纤维的空隙较大，容易引起涂覆物过量； （1）没有机械粘合性，只有化学粘合性；（2）较低的抗撕裂强度；（3）具有三层厚度；（4）纬向强度较高； （1）在经向和纬向的伸长量都较低；（2）经向和纬向几乎没有相互作用；
三．涂层
有许多材料可以用做建筑织物的涂层材料，以下介绍的只是应用最多的几种：
1． 聚氯乙烯（PVC）
由于PVC柔软易折，所以它可以满足TFS任何形状的要求。PVC能够抵抗紫外线，而且很易着色。PVC膜材多以尼龙和涤纶作为布基。
2． 聚四氟乙烯（PTFE）（特氟龙）
PTFE是化学惰性材料，它可以长时间抵抗潮湿和微生物的侵害，而自身仅仅有微小的损害。目前应用的材料只有白色。PTFE与玻璃纤维构成的膜材具有耐久性和尺寸稳定性等特点。从理论上讲，处理这种膜材应该非常小心，以免损害玻璃纤维。这种膜材的价格要比PVC涂覆涤纶的膜材高得多。它是一种不燃的材料，并具有很高的拉伸强度和弹性模量。
3． 硅树脂
硅树脂常被用做玻璃纤维的保护涂层。它具有如下的优异性能：抵抗紫外线、长时间的柔韧性、不燃、较高的拉伸强度和较大的弹性模量，它还具有很高的透光性。硅树脂涂覆玻璃纤维膜材的机械性能与PTFE涂覆玻璃纤维膜材的类似。
4． 涂层的表面处理
灰尘、污染和其它的原因极易损害涂层并缩短膜材的使用寿命。保护涂层的一个办法是在涂层表面再涂上一层表面层。表面涂层不仅要保护膜材免受UV的侵害，而且还要改善膜材的自洁性能。一种用于表面处理的材料是TEDLAR，这是一种叫做聚氟乙烯（PVF）的材料，它被广泛应用在PTFE涂覆玻璃纤维的膜材和PVC涂覆涤纶的膜材上。用涤纶作为基材的膜材的表面处理还用到丙烯酸、聚偏二氟乙烯（PVDF）或聚氨酯。
四．建筑用织物的相关性能
一旦布基和涂层（不管是否有表面处理）结合在一起就组成了建筑用织物――TFS首要的结构材料。当今的大多数TFS采用一种或两种膜材，PVC涂覆涤纶或PTFE涂覆玻璃纤维。由于这两种膜材的广泛使用，下面叙述的是其经过检测的相关性能：
1． 折叠或撕裂的损害
膜材是在工厂生产成型的，它们必须经过折叠或打卷、运输、打开包装、搬运到安装地点，吊装后与钢索或其它连接件连接完成安装。在这个过程中，任何弯曲都会对纤维和涂层造成损坏。玻璃纤维天然的脆性使得它的损坏尤其突出。为了减小这种损坏只有将玻璃纤维丝的直径做的很小。聚酯长丝比玻璃纤维受损要小的多。多种测试方法可以显示出织物抵抗折叠的能力大小，图4-1所示为其中一种测试方法。
由于意外和人为的原因会引起织物的撕裂。TFS膜材的涂层和布基是基于两个机理结合在一起的。一个是机械的，另一个是化学的。机械原理是用物理力将涂层和布基结合在一起。化学原理是将涂层通过化学粘合与布基中的纤维表面结合。另外，织物的抗撕裂性能还与布基的编织方式有关，例如前述的紧密型编织，它的涂层和布基之间不可能产生良好的机械粘接，所以只有化学粘合。这种粘合可以防止纤维从涂层中滑脱，因此就降低了抗撕裂强度，而与此同时，它获得了一个较高的拉伸强度。
有几种不同的撕裂方式。有的就象撕一张纸，这是不在同一平面上进行的撕裂。有的撕裂就在同一个平面上。所以也有不同测试TFS膜材抗撕裂强度的方法。图4-2所示是最常用的几种：
(a) 舌状撕裂测试；
(b) TRAPEZOIDAL式撕裂测试；
(c) 单轴中心裂缝撕裂测试；
织物的拉伸强度和撕裂强度之间有很大差别，也就是说，一种材料有很高的拉伸强度，却有很低的撕裂强度，所以，这种材料应用于结构上会有很大限制。比如，玻璃纤维具有很高的拉伸强度，但撕裂强度较低，这是由于具有高弹性模量的玻璃纤维和PTFE涂层高度粘合而造成的。这种高弹性模量阻碍了纤维的延展，高粘合也阻碍了纤维在涂层中的延展。这些特性用于结构中反而降低了织物实际的强度，很多失败的例子其实是由于织物的撕裂强度过低导致。甚至在试验室中的试验，也往往是拉伸强度合格而撕裂强度不过关。所以在实际工程中，对于织物的安全问题，最关键之处应该集中在织物的撕裂强度上而不是拉伸强度。
2． 拉伸强度
在这个专题中恰好可以说明传统结构材料与TFS膜材性能上的不同。传统结构的设计人员依靠的是强度很好的材料，如：木头、混凝土和钢铁，这些材料应用在传统结构上不会因为使用时间的加长而丧失其应有的强度。相反，随着膜结构使用时间的加长，膜材的强度会有所降低。多数膜材强度的降低与UV有关。涂层的一个功能就是防止膜材产生降解，但涂层自身在UV下也会发生降解。所以，由于UV的作用，随着时间的推移，膜材会丧失相应的强度。多数膜材在受潮之后也会丧失部分强度。由于在设计中允许膜材吸潮，导致涂层丧失部分保护能力，从而引起丧失强度。由于UV降解和吸潮引起的强度丧失与膜材的类型、涂层、使用的场所、曝露的时间都有关系。因此，依据拉伸强度选用膜材非常有必要。我们可以看出，膜材精确的双轴非线性应力分析测试尤为重要。这也是我们允许膜材的工作应力仅仅占其破断强度很小比例的一部分原因。
以玻璃纤维、聚酰胺、尼龙和涤纶作为布基的膜材在建筑用织物中具有很高的拉伸强度。值得特别注意的是，它们在经向和纬向上的应力―应变曲线有很大区别。在第一次加荷载和继续加荷载的情况下，其应力―应变曲线都表现出极大的不同。
有两种拉伸试验可以应用在膜材上，它们是单轴和双轴拉伸测试。单轴测试与测试钢材样条的拉伸强度有些相似，但二者绝不相同。在膜材的单轴测试应力―应变曲线上没有一个部分呈现出线性。再者，经过几轮对膜材的加载和卸载，曲线也表明其不是弹性的。另外，单轴拉伸测试也大致模拟出膜材在实际使用时的受力情况。在单轴测试过程中，布基中横向的纤维变短，这就允许在测试过程中，可以人为地施加一个很高的拉伸力到竖向的纤维上，使其充分地纵向延展。一般测试结果应该取测试的平均值。
由于膜材具有各向异性，就需要应用双轴测试建筑用织物。目前有各种各样的双轴测试方法。图4-3所示为十字形双轴测试。另一种是圆柱形双轴测试，在这种测试中，膜材被附在一个橡胶的圆筒上，向圆筒中充气，膜材的双轴向都受到应力。这种方法可以清晰地显示材料在双向的受力行为。图4-4所示为PTFE涂覆玻璃纤维膜材的典型的双轴测试结果。图4-5所示为PVC涂覆聚酯长丝的双轴测试结果。这两个测试都是采用平织布基的膜材，并且按照十字形制作的测试样条。
若是从其它的工程材料角度来看，这些曲线都是普通的应力―应变曲线，但它们与其它材料有显著差别。这些曲线说明了五个问题：
（1） 膜材的经向和纬向存在巨大的差异；
（2） 经向和纬向纤维的性能取决于施加在经向和纬向的应力的比率；
（3） 在第一次施加载荷后产生永久变形；
（4） 经向和纬向的纤维都表现出非线性；
（5） 与真正的呈线性的应力―应变曲线存在巨大偏差（见图4-6）
由于膜材的性能与在其经向和纬向所施加的应力的比率不同而有所不同，故测试设定力的比率为1：1，2：1，1：2。注意，每一种情况在第一次加载时都会产生一个巨大应变。在第一次加载之后，在继续加载的过程中，曲线变化的趋势相似，但仍然呈现出非线性。图4-6所示为以玻璃纤维为布基的膜材，用最小二乘法使其应力―应变曲线趋于线性的结果。
表4-1 典型的单轴测试破断强度
布基 丝数（丝/米） 涂层 厚度（mm） 破断应力（KN/m） 破断伸长率(%)
玻璃纤维 990/730 PTFE 0.7 144/128 8.6/8.7
聚酯长丝 600/620 PVC 0.8 101/90 24/33
双轴测试的程序是，选择一个施加力的比率，比如说2：1，通过增加荷载，得到一系列应力―应变的测量值，但一定要保持经向和纬向的应力比率为2：1恒定不变。测量出经向和纬向纤维的应变。经向的测量值绘出“经向”2：1曲线，纬向的测量值绘出“纬向”2：1曲线。此过程重复三次，给出分别如图4-4和图4-5所示的第一次、第二次、第三次荷载。同理做出比率为1：1和1：2的测试。注意以上程序会产生一个随着荷载的增加而减小的应变。在这种情况下，较高的纬向应力将导致在荷载增加的同时，纬向纤维缩短。
从以上的叙述可以看出，建立TFS在应用领域的受力分析是一个很复杂的过程。我们可以应用非线性计算机程序分析，但最终还是要依靠材料的实测数值。在实际应用中，膜材的选择通常依据单轴测试数据再加上一个很高的安全系数。但是设计人员仍要注意，应力分析并不能确切代表结构真正所受的应力。
3． 延展（松弛）和尺寸稳定性
如前所述，在第一次施加荷载时，纬向丝会卷曲在经向丝上，从而使膜材产生大量延展。为了解决这个问题采用了多种技术。一种技术是，在编织过程中将纬向丝张拉，同时控制双向的张拉程度，使得经向和纬向产生相同的延展量。另一种装置可以在安装之前将初始的延展作为预延展加在膜材上，这样能够减少膜材在使用过程中产生的延展（松弛）。
尺寸稳定性也受到温度和湿度的影响。由于温度变化和热膨胀的共同作用，产生膜材在长度方向上的变化。吸水率也会产生尺寸变化。吸水率通常由布基纤维的毛细管行为产生。这就是我们所熟悉的芯吸现象。布基里的水不仅使膜材产生尺寸的变化，而且使微生物大量繁殖而造成膜材的降解。芯吸还可以促成由于FREEZE-THAW行为而造成的损坏。芯吸现象由涂层加以控制。这就要求涂层可以阻挡水分的入侵。尼龙比涤纶对于芯吸现象更加敏感。
不管是什么原因造成的尺寸变化都是非常严重的问题。膜材在安装以后发生松弛直接导致“出兜儿”，这样会丧失膜材的预张力，在风中和撕裂的情况下产生甩动。对于TFS，张拉力的消失就表明整个结构的消失。所以在设计中注意尺寸的稳定性是十分重要的。
4． 抵抗化学物质和紫外线的侵蚀
能够抵抗织物所在地外部大气中化学物质的侵蚀是其必需的一种性能。然而，一些有毒的化学物质却是由织物涂层本身产生的。当氯乙烯化合物发生降解时就产生氯化氢。如果尼龙纤维遭到侵害会很快失去强度。聚酯长丝对此还不那么敏感。
许多合成材料长时间曝露在UV下都会发生降解。此种降解可以通过在纤维中添加抗光活性剂或在涂层中添加UV吸收剂得到部分缓解。玻璃纤维不会受此影响，聚酯长丝会丧失部分强度，影响最严重的是尼龙。图4-7显示出以尼龙和涤纶作为布基的膜材的测试结果。被测试膜材在紫外线中曝露110周。测试结果表明，以尼龙为布基的膜材丧失90%的自身强度，以涤纶作为布基的膜材丧失20%的自身强度。
5． 阻燃性
TFS膜材作为建筑材料，其防火阻燃性能对于我们来说就显得十分重要。国际上和国内有如下的防火测试标准：
（1） ASTM E84――建筑材料的表面燃烧特性
（2） ASTM E108――屋顶材料的燃烧性能测试
（3） ASTM E136――材料在750℃的竖向管道中的燃烧性能
（4） NFPA 701――织物和薄膜材料的阻燃性能测试
（5） DIN 4102――建筑材料的燃烧性能测试
（6） GB8624-97――建筑材料燃烧性能分级方法
应用GB8624-97，可以将材料的燃烧性能区分为：A级――不燃；B1级――难燃；B2级――可燃；B3级――易燃。以玻璃纤维作为布基的膜材可以达到不燃（A级），而以涤纶作为基材的膜材则只能达到难燃（B1级）。
五．TFS膜材前景展望
随着TFS建筑形式逐渐被国人接受，膜结构在国内的迅速崛起，膜材的应用前景将十分广阔。2001年，国内膜结构使用的膜材总量约为20～25万平方米。估计到2008年，膜材的需用量将会以每年20%的速度递增。但是非常遗憾的是，国内绝大多数的膜结构公司采用的是国外的膜材。例如，PTFE涂覆玻璃纤维的膜材多采用日本中兴化成株式会社的FGT系列材料，其中FGT800的相关性能见表5-1。而PVC涂覆涤纶的膜材大多采用来自法国FERRARI公司FLUTOP T系列，韩国SUPERTEX公司MS系列，德国MEHLER公司FR系列的材料，这三家公司的相关产品性能比较见表5-2。早在四、五年前，国内如北京、天津、山东、浙江、江苏等省市也曾出现过膜材制造企业（都是从事PVC涂覆涤纶的膜材制造），但到目前为止，尚在坚持从事膜材制作企业的产品质量和性能仍然赶不上国外材料。膜结构公司为了对自己承揽的工程质量负责，只能选择从国外进口的材料，所以材料的成本较高。
表5-1 FGT-800 技术特性
总重量 1300±130克/平米
厚度 0.8 ±0.1mm
织物密度(经/纬) 25±1.5/19±1.5 个/25 mm
抗拉强度 (经/纬) 450/360 kgf/3cm
抗撕裂强度(经/纬) 30/30 kgf
延伸率(经/纬) 6/10 %
剥离强度 6 kgf/2cm
表5-2 国外PVC涂覆涤纶的膜材性能对比
出产国 韩国 德国 法国
膜材厂商 Supertex Mehler Ferrari
型号 MS-03P MS-33 FR1000-TypeⅢ 1202T
厚度 mm 1.15 1.15 0.9 0.8
重量 g/m2 1350 1350 1050 1250
抗拉强度 N/5cm 6000 x 5400 6000 x 5400 6000 x 5500 5600 x 5600
抗撕裂
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