矩形張拉膜結構預張力的試驗研究

郭建軍，黎洪光（重慶水利電力職業技術學院，重慶　402160）

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矩形張拉膜結構預張力的試驗研究

郭建軍，黎洪光
（重慶水利電力職業技術學院，重慶402160）

摘要：采用雙軸張拉支架施加薄膜預張力，利用數顯式推拉力計測量張力變化，對膜面施加集中沖擊荷載，采用非接觸式激光位移傳感器測得膜面各特征點的位移變化。對比薄膜在不同預張力作用下的振幅、速度、加速度。試驗結果表明，薄膜振動的振幅隨著預張力的增大而逐漸減小，振幅衰減的速度和加速度隨著預張力的增大而增大；但是當預張力增大到一定程度以后，這種變化規律的趨勢逐漸減弱，趨于穩定；通過試驗得到了該預張力的范圍。

關鍵詞：膜結構；試驗研究；動力響應；預張力

基金論文：該論文為重慶水利電力職業技術學院2015年度院級科研項目（項目編號：K201509）資助的論文之一。

0　引言

建筑張拉薄膜結構是一種新穎的建筑結構體系，其輕盈美觀的造型以及大跨度的空間跨越能力等優點使其越來越多地應用到各類建筑當中。由于建筑膜材的材料特性決定了張拉膜結構屬于柔性結構體系，其剛度和承載能力必須依靠初始預張力和初始曲率等條件來決定。為保證其工程質量，延長結構使用壽命，防止結構過早破壞以及減少工程事故等，研究這類結構形式的受荷變形、松弛徐變、褶皺等力學性能，成為發展建筑張拉膜結構的一個重要課題。

關于膜結的力學性能問題，國內外很多專家和學者作了相關研究工作。2004年，徐其功分析得出：膜結構初張力對荷載效應有較大影響，荷載與效應不是線性關系［1］。2004年，陳波采用非線性隨機模擬時程分析方法對脊谷式膜結構的風振響應特性進行系統參數分析得出：膜預張力不但對脊谷式膜結構的形狀有較大影響，對結構的動力性能也有較明顯的影響；隨著預張力的增大，結構剛度增大，故位移響應均值和均方差都減小，而且十分顯著；對薄膜應力的影響也相似，增大預張力，風荷載引起的應力增量均值和方差都相應減小，但是應力總量（包括預張力）卻增大，但幅度較小；因此，增大膜初始預張力，能明顯改善結構的動力性能［2］。2006年，蔡文琦從索膜結構的基本曲面形式入手，按不同的預張力相對關系進行形態分析，從中總結出索膜結構找形分析中預張力取值的參考標準［3］。2006年，陸鑒恒運用ANSYS二次開發實現對膜結構進行受荷分析得出：初始預拉應力、矢跨比、邊界約束等對膜結構在荷載作用下變形有著重要影響［4］。2005年，尹小明結合實際工程，采用膜的預張力一般可以假定為膜片設計強度的5％～10％的方案，并將安全系數取為5［5］。2006年，徐明輝等人從有限元分析和實際加載試驗兩方面，對膜結構單元在分布載荷下的力學性能進行測試，發現前者的位移最大值比后者結果小，而前者的應力應變最大值比后者結果大。采用最大應力理論，膜材承載的織物纖維經緯方向的最大拉應力均小于其破壞應力，滿足強度要求，得出采用膜單元構建大型建筑是安全的結論［6］。但是關于膜結構初始預張力取值范圍與其動力特性的關系研究很少，主要是由于薄膜結構的測試一直是個難題［7］。2011年，李元齊采用激光位移傳感器對乳膠薄膜振動的附加質量進行了研究［8］。

規程中給出了根據國內外膜材應力-應變試驗結果和工程經驗而確定的初始預張力最小值，但未考慮膜結構預張力大小對其荷載效應和動力性能影響，本文根據薄膜的動力響應特性，利用試驗的方法，得出張拉薄膜在沖擊荷載作用下，預張力大小與動力響應特性的關系，從這個角度出發驗證規程中初始預張力建議取值的合理性。

1　試驗裝置及測試方法

1.1試驗裝置

試驗在雙軸張拉支架上進行，支架平面尺寸3800mm× 4160mm，中心正方形區域為1200mm×1200mm，試驗原理簡圖見圖1。整個試驗支架用60mm×60mm的方鋼管焊接而成，并且在試驗架的四根支柱及其臺面四端加上60mm×60mm的方鋼管作為斜支撐。

1.2預張力測量

圖1　試驗示意圖

預張力施加過程中采用數顯式推拉力計進行張力控制測量，見圖2。數顯式推拉力計是基于S型傳感器的原理而設計的，彈性體（彈性元件）在外力作用下產生彈性變形，使粘貼在他表面的電阻應變片（轉換元件）也隨同產生變形，電阻應變片變形后，它的阻值將發生變化（增大或減小），再經相應的測量電路把這一電阻變化轉換為電信號（電壓或電流），從而完成了將外力變換為電信號的過程。

圖2　數顯式推拉力計

1.3振動位移測量

由于薄膜材料自身的輕質和易受干擾的特性，決定了在測量其振動位移時，必須考慮所選測量設備的質量對膜面振動的干擾，所以不能用傳統的接觸式測量儀。采用了ZLDS100激光位移傳感器作為薄膜振動位移測量，0.1％的精度，采樣頻率為2kHz，分辨率為0.01％，如圖3。

圖3　激光位移傳感器

1.4荷載作用點及傳感器布局

在膜的一面施加沖擊荷載，另一面布置ZLDS100激光位移傳感器，以測量膜在沖擊荷載作用下橫向振動位移，位移傳感器應該與支架相互獨立，以避免支架在沖擊荷載作用下的振動對位移傳感器的干擾。荷載作用位置和激光位移傳感器采集位置與膜面的相對位置見圖4，圖中，C1、C2和C3表示膜面上方三個激光位移傳感器的采集位置，J1、J2和J3表示膜面下方先后施加集中荷載的作用點。

圖4　荷載作用點及傳感器布置圖

2　試驗及結果分析

2.1試驗

選取工程中運用最廣泛的P類C級膜材制成膜材試件，并四邊進行編號，記X（1-3）方向為緯向，Y（2-4）方向為經向，令薄膜x、y方向的拉力值相等，即σx=σy=σo，共分八級進行張拉。依次為1.0kN、2.0kN、3.0kN、4.0kN、5.0kN、6.0kN、7.0kN、8.0kN。每個張力級別下，用兩種槍配三種子彈（仿真槍配玻璃子彈、塑料子彈和鐵子彈，依次記為FB、FS和FT；玩具槍配玻璃子彈和塑料子彈，依次記為WB和WS），沖擊薄膜表面的特征點。用激光位移傳感器采集了薄膜表面的C1、C2、C3三個測量點的振動數據并保存，試驗現場情況圖見圖5。

圖5　現場試驗圖

2.2試驗結果分析

根據薄膜在不同等級預張力下，受到橫向集中沖擊作用而振動的位移變化，可以求出其位移時程曲線、速度時程曲線、加速度時程曲線、頻率、最大沖擊位移和最大振幅等，進而分析預張力大小對薄膜動力響應的影響。

表1是采用仿真槍發射玻璃子彈射擊中心區域尺寸為1200mm×1200mm的正方形海德斯薄膜中心點J1時，膜面C1點振動的時程曲線。

根據表1可以看出，海德斯薄膜在受到同一種集中沖擊荷載作用時，薄膜的動力響應隨著預張力遞增而有規律地變化，當薄膜所受預張力F＜5kN時，其變化規律是：（1）薄膜振動的振幅隨著預張力的增大而逐漸減小，振幅衰減的速度隨著預張力的增大而增大；（2）薄膜振動的速度和加速度隨著預張力增大而增大。當薄膜所受預張力F≥5kN時，薄膜振動的幅度、速度和加速度隨預張力大小的變化而變化的趨勢同前，但是變化幅度沒有那么明顯，逐漸趨于穩定。

表1　正方形海德斯薄膜C1測點振動時程曲線

出現以上試驗現象的原因在于：（1）薄膜所受預張力很小時，膜面非常松弛，所以在沖擊荷載下，其振動的振幅較大，但是由于膜面很松弛，沒有彈性，所以振動的速度和加速度都很小；（2）隨著預張力的增大，膜面變得越來越緊，膜材處于彈性變形階段，在不改變沖擊荷載的情況下，膜面的橫向變形能力逐級降低，表現為振幅減小，振動的速度和加速度增加；（3）當預張力增加到一定程度（F=4～5kN）以后，膜材的彈性階段基本結束，膜材剛度也增加到一定大小后，在沖擊荷載不變的情況下，隨著預張力的增大，膜面振動形式表現為振幅穩定，振動的速度和加速度都趨于穩定；（4）薄膜振動的動剛度和作用力有關系，沖擊力的速度不同，薄膜的動剛度不同，則薄膜的動力響應就不同，采用仿真槍發射子彈沖擊膜面，每次沖擊的子彈速度有一定差別，所以膜面的動力響應存在一些偏差。

圖6和圖7是正方形海德斯膜在各級預張力下分別受到五種沖擊作用時的瞬間最大沖擊位移和沖擊作用后振動的最大振幅。

根據圖6和圖7分析得出：正方形海德斯薄膜受到同種橫向沖擊荷載作用時，隨著預張力的增加，薄膜的瞬間沖擊位移和沖擊作用后的振動振幅的最大值逐步趨于穩定；當膜面所受預張力越來越大時，膜面受不同種類的沖擊荷載而產生的沖擊位移和振幅的差別越來越小；這表明膜材在預張力達到一定程度后，膜面剛度增大，外部沖擊荷載相對較小，在懸殊不大的幾種荷載的沖擊下不會產生差別較大的變形和振動。

根據以上試驗現象分析可以看出：正方形海德斯薄膜所受預張力在5kN以內時，膜面受到橫向沖擊荷載作用而振動的位移、速度和加速度隨著預張力增加而明顯變化，當預張力增加到約5kN以后，膜面因受到橫向沖擊作用而振動的位移、速度和加速度隨著預張力增加而變化的趨勢逐漸減弱，趨于穩定。這說明在膜材受張拉時，只需要將張拉力控制在5kN左右后，膜面的剛度就基本穩定，隨著預張力的增加而增加的幅度變小，所以在膜結構的設計和施工過程，膜結構預張力達到一定水平后，繼續加大張拉力對膜結構剛度的增加是沒有明顯效果的，反而會造成膜材進入塑性變形階段，長期處于高應力狀態，加快膜材的老化，縮短膜結構的使用壽命；同時要提高張拉力，需要投入更多的人力和功率更大的張拉機具，導致工程成本增加。

圖6　正方形海德斯薄膜在集中沖擊下中心點的最大沖擊位移

圖7　正方形海德斯膜材在集中沖擊下中心點的最大振幅

3　結論與討論

3.1試驗小結

利用集中沖擊荷載沖擊張拉薄膜分析薄膜預張力大小對其動力性能的影響。根據試驗薄膜振動微小位移測量的需要，在試驗中使用了激光位移傳感器，該方法可為類似結構沖擊振動微位移試驗研究提供參考。通過改變預張力的大小，對薄膜受沖擊而引起振動位移進行了初步研究，得到了沖擊作用后薄膜振動的位移時程曲線、速度時程曲線、加速度時程曲線、最大沖擊位移和最大振幅，對試驗結果進行分析得到：在張拉膜結構中，膜的預張力取值宜為4.0～5.0×103kN/m2，這既與結構工程設計師們的長期設計經驗（實際膜結構工程中膜預張力一般取為106N/m2量級范圍內）相吻合，又與前人的軟件分析結論［9］相吻合。該試驗結論是從一個新的角度為常用建筑膜材預張力取值大小提供試驗依據［10］。

3.2存在的問題

試驗中用螺桿進行張拉，夾具和十字架相接觸面存在一定的摩擦力，難于精確控制膜材所受到預張力，這會引起誤差。

采用仿真槍與鐵子彈、玻璃子彈和塑料子彈搭配作為集中沖擊荷載加載系統，各種子彈的質量和體積存在一定離散性，這使得每次沖擊的能量存在差異性，不能保證絕對每次試驗的可重復性，引起了試驗誤差。

參考文獻：

［1］徐其功，蘇建華，韓大建，等.張拉膜結構荷載分析過程中的若干問題討論［J］.特種結構，2004，21（4）:9-12.

［2］陳波，武岳，沈世釗.脊谷式張拉膜結構風振特性分析［J］.空間結構，2004，10（1）: 41-45.

［3］蔡文琦.索膜結構的形態分析設計及靜力性能研究［D］.杭州:浙江大學，2006：58-71.

［4］陸鑒恒.索膜結構動力松弛法的研究與改進［D］.武漢：華中科技大學，2006：19-39.

［5］尹小明，朱慈勉，王明軒.體育看臺索膜結構工程設計［J］.工業建筑，2006，36（1）: 581-584.

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［9］曹立嶺，羅堯治，沈雁彬，等.索膜結構預張力取值研究:第十屆空間結構學術會議論文集［M］.北京：中國學術期刊電子出版社，2002：268-274.

［10］中國鋼結構協會空間結構分會，中國建筑科學研究院.CECS158:2004膜結構技術規程［S］.北京：中國工程建設標準化協會，2004.

責任編輯：孫蘇，李紅

Experimental Study on Pretension of Rectangular Tensioned Membrane Structure

Keywords:membrane structure；experimental study；dynamic response；pretension

Abstract:The pretension of membrane is applied with biaxial tension bracket.The digital indicators for push-pull force is adopted for measuring the tension change.Non-contact laser displacement sensor is applied to get the displacement change of the features of rectangular membrane surface.The amplitude，velocity and acceleration of the membrane under different tensions are compared.The study results show that the vibration amplitude of rectangular membrane decreases as the pretension increases，the declining rate and acceleration of the amplitude increase with the enhancement of the pretension，but the change law steadily weakens and is stabilized when the pretension increases to a certain extent.The scope of the pretension is confirmed by the study.

中圖分類號：TU311

文獻標識碼：A

文章編號：1671-9107（2016）04-0035-04

doi：10.3969/j.issn.1671-9107.2016.04.035

收稿日期：2014-08-11

作者簡介：郭建軍（1986-），男，四川南充人，研究生，講師，主要從事固體力學教學和研究工作。