膜結構螺栓夾板與U形夾具連接節點的破壞試驗研究

殷志祥，李秀晨，焦東，王偉明，趙遠

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膜結構螺栓夾板與U形夾具連接節點的破壞試驗研究

殷志祥，李秀晨，焦東，王偉明，趙遠

(遼寧工程技術大學 建筑工程學院，遼寧 阜新 123000)

針對張拉膜結構節點因設計不合理、不恰當和節點連接件的松動和脫落，造成膜結構由局部延伸至整體破壞的問題，通過試驗研究和數值模擬分析的方法，探究單向與雙向拉伸對膜面節點承載力的影響程度，進一步研究膜結構采用螺栓夾板和U形夾具的連接方式對膜面節點應變的影響，以及膜面在豎向和橫向施加不同比例荷載時節點的傳力和破壞機理。試驗結果表明：膜面在雙向拉伸的情況下，其膜面承載力要高于單向拉伸時膜面的承載力，并且在雙向拉伸中，橫向與豎向拉力越接近，其膜面承載力越高；采用螺栓夾板連接，其節點主應力方向上的應變比U形夾具連接的節點應變要小。在以后膜結構節點連接方面，應該采用有更多膜面和邊繩參與夾板摩擦和擠壓的這種連接方式，這樣節點的傳力方式才更為合理。

拉伸膜結構；螺栓夾板；U形夾具；節點破壞

拉伸膜結構由膜面、索構件、支承結構和基礎結構構成，通過拉伸膜面，使其內部產生一定的預張力，從而形成了具有一定剛度并能覆蓋較大空間的結構體系[1?4]。對于一般的拉伸索膜結構其曲面是由裁剪的條元拼接而成的，膜與膜，膜與索的連接及索節點是索、膜2種材料可靠組合的重要保 證[5?7]，因而節點的構造設計也就成了膜結構設計中非常重要的一個環節。節點設計是否合理，不僅關系到加工制造的難易度和施工安裝能否順利進行，而且還關系到結構的外觀和受力性能[8?9]。節點設計不合理、構造措施不當而限制節點的轉動自由度等均會導致膜材的撕裂，是引發工程事故的主要原因之一。目前國內對膜結構節點破壞的研究主要集中在節點的破壞形式，膜節點撕裂的破壞機理，風雪荷載對節點破壞的影響，以及工程當中節點的設計。張蘭蘭[10]總結了膜結構的常見破壞形式，并從材料微觀的角度分析膜材料撕裂破壞機理，介紹一種基于斷裂力學的材料斷裂韌性方法。李秋等[11]利用宏觀應力聯合原位微拉曼測試技術對雙壁碳納米管(Carbon Nanotube， CNT)纖維和薄膜材料的力學性能進行實驗分析，揭示2種材料力學性能差異性的微觀機理。張麗等[12]研究溫度對膜材節點焊接強度的影響，Ferrari 1002s膜材的焊接節點因受溫度影響，其經、緯向差異較大。李道正等[13]針對螺栓夾板連接的方式，分析摩擦因數對節點受力和性能的影響，隨著摩擦因數的增大，螺栓所受拉力、剪力逐漸減小，膜面開孔處最大應力、最大變形逐漸減小。田珺等[14]采用最大熵法可靠度理論計算張拉膜結構在雪荷載滿跨堆積和半跨堆積時各節點的最大可能變形(位移)。張萬劍[15]分析膜面節點連接件在風荷載載作用下斷裂造成角部膜材撕裂的原因。方衛[16]根據世博軸索膜頂棚跨度大，位移大，幾何非線性強的特點，研究創新了一系列節點構造，并進行有限元細部節點分析。張 勇[17]重點分析單層、多層ETFE、PTFE膜材、鋼結構、鋼索之間各類細部節點的詳細構造并探討各自的優缺點。然而，目前對于膜結構在單向和雙向拉伸下、采用不同的連接方式、豎向和橫向施加不同比例荷載時膜面節點的傳力和破壞機理的分析和研究較少，在此，基于以上幾個方面，對膜面節點的破壞機理進行更為深入的研究，旨在為膜結構相關從業者在設計和建造過程中提供一些有價值的參考和借鑒。

1 膜結構節點破壞試驗研究

1.1 試驗模型的設計

試驗采用菱形平面膜結構，4角點進行倒角處理，四邊有效弧長為278.5 mm。所用膜材為拉伸強度(經/緯)為4 200/3 900 (N/5cm)，厚度為0.7 mm的PVC膜材，其織物膜材主要由基材、涂層以及面層構成，屬于柔性材料，在拉力作用下，膜材的應力應變關系也呈非線性。由于膜材的正交異性，膜材不同方向的拉伸曲線呈現不同的非線性特點，而在雙軸拉應力作用下，對應不同的應力比，膜材拉伸曲線也有所不同[10]。本試驗為了排除在單向和雙向拉伸過程中，經、緯向對膜材承載力的影響，規定在所有試驗中，膜面的經向為豎向拉伸方向，緯向為橫向拉伸方向。膜結構的連接方式參考《膜結構技術規程CECS 158:2015》[1]，豎向采用螺栓夾板的連接方式，橫向采用U形夾具的連接方式，因為這2種連接方式是目前膜結構工程當中采用最多的2種方式，研究的結果更具有代表性。邊繩為直徑6 mm的尼龍繩，螺栓全部為M8級，鋼墊板的厚度為6 mm，膜面與夾板之間的襯墊為厚度2 mm的硅膠墊，膜面與邊繩、膜面與膜面的貼合都采用502固體膠黏合，節點的連接方式和膜結構的連接示意圖如圖1~2所示。

(a) 螺栓夾板連接；(b) U形夾具連接

圖2 膜結構連接示意圖

圖3 膜面測點分布圖

1.2 雙向拉伸試驗

1.2.1 試驗測點的布置及測試儀器的安裝

在試驗前先對膜面進行測點布置和編號如圖3所示。膜面共設置22個測點，1~5和19~22測量豎向測點應變，6~10測量橫向測點應變，11~18測量與豎向成45°方向測點應變。通過讀取膜面應變片的示數變化，從而得到膜面在拉伸過程中應變值的變化情況。對于膜結構的其他測試方法，譚惠豐 等[18]提到智能傳感器以及基于激光測振儀和數字攝影的動態測試，因本試驗重點研究局部膜面在拉伸時精確對應測點應變的變化情況，故考慮用黏貼應變片的方式測量。膜結構橫向通過直徑為8 mm的鋼絲繩分別連接拉力傳感器和花籃螺栓以及穿心式千斤頂。如圖4所示，橫向加載組件的兩端固定在剛度很大的鋼架兩端，拉力傳感器用來全程測量橫向拉索中的拉力，拉伸前通過旋擰花籃螺栓來消除膜面的松弛狀態，并且第1組低荷載值的橫向加載也采用手動旋擰花籃螺栓的方式進行，穿心式千斤頂則用于后面幾組更高荷載值的加載。

1.2.2 雙向拉伸試驗

試驗分為4組，編號為A3，A5，A7和A9。A3組為橫向拉力從0緩慢加載到3 kN，豎向的拉力也同步從0以0.02 kN/s緩慢加載直至破壞，橫向和豎向同時加載，每過0.5 kN記錄應變儀中22個應變片的數值變化情況。A5，A7和A9組分別為橫向荷載從0緩慢加載的到5，7和9 kN，其他方面的加載、記錄方式和內容與A3組相同。

其中每一組的橫向拉力的加載方式采用手動旋擰花籃螺栓加載至3 kN，A5，A7和A9組在3 kN之前采用花籃螺栓旋擰進行加載，3 kN以后用手動泵控制穿心式千斤頂完成對膜面橫向的持續加載。

圖4 膜結構拉伸試驗

1.3 單向拉伸試驗

為了與雙向拉伸試驗的破壞結果形成對比，探究橫向拉力的有無對膜面承載力的影響大小。本試驗也設置了3組單向拉伸試驗，該單向拉伸試驗不黏貼應變片，只是為了比較膜面的極限承載力。試驗編號為B1，B2和B3。

1.4 試驗結果及破壞機理分析

1.4.1 破壞現象

單向拉伸和雙向拉伸都是采用相同的膜面，相同的組裝方式，不同的是單向拉伸，橫向只約束，不加載。對比單向拉伸和雙向拉伸的破壞結果圖5所示，單向拉伸的破壞結果為Ⅰ類破壞，雙向拉伸的破壞結果為Ⅱ類破壞。破壞的過程當中由于膜材的泊松比效應，膜材都會從邊緣線的一側撕裂開一個小口后，不同的是單向拉伸開口線沿夾板邊緣橫向貫穿膜面而破壞，而雙向拉伸則是開口線沿邊緣線穿越開孔區域，然后貫穿膜面而破壞。

1.4.2 破壞結果分析

提取拉力機的試驗數據繪制成膜面豎向拉力?位移曲線圖，如圖6所示。B1-B3都是橫向有約束，而沒有施加拉力，A5，A7和A9的橫向拉力分別為5，7和9 kN。由圖像分析可得：膜面在雙向拉伸的情況下，其承載力要高于單向拉伸的膜面承載力，并且在雙向拉伸中，橫向與豎向拉力越接近，其膜面承載力越高。而且雙向拉伸的膜面表現出比單向拉伸更短的塑性狀態，甚至是沒有，即在膜面到達彈性極限后，雙向拉伸的膜面會瞬間被撕裂，圖6中A5和A9突然下降的直線段就是膜面被瞬間撕裂的時候，而單向拉伸的膜面在達到彈性極限時會經歷塑性變形階段，緊接著在失去最大承載力后有一個緩慢的斷裂前的伸長階段。

圖6 膜結構豎向拉力-位移曲線

為了研究膜面在相同拉力下，螺栓夾板連接方式和U形夾具連接方式對膜面應變的影響有無異同，取膜面上靠近螺栓夾板連接最近的測點1和5以及U形夾具連接最近的測點6和10作為研究對象，其中1和6號測點作為第1對照組，5和10號測點作為第2對照組。分別取A3組0~3 kN，A5組0~5 kN，A7組0~7 kN和A9組0~9 kN階段膜面測點的應變值，A，B，C和D組橫向拉力分別為3，5，7和9 kN。繪制不同橫向拉力時膜面測點豎向拉力—應變關系曲線如圖7所示，結果分析表如表1所示。

由圖7曲線趨勢和表1的分析結果可得：在相同荷載的情況下，采用螺栓夾板連接，其節點主應力方向上的應變比U形夾具連接的節點應變要小。出現以上結果是因為排布的U形夾具之間的存在一定空檔，夾具內墊塊底面與膜面摩擦接觸的面積和墊塊側邊與邊繩擠壓的面積比螺栓夾板與膜面的摩擦接觸面積和邊繩的擠壓面積少。前者不如后者能更大程度上利用更多區域的膜面進行荷載的傳遞，故而后者的應變會更小一些。合理的節點傳力機理，應該是通過膜片與壓板之間的摩擦力和邊繩與壓板的擠壓力共同傳遞荷載，這樣會使膜面節點處的傳力更為均勻連續。其中圖7(a)和圖7(b)中突然下降的拐點是D組6號測點和10號測點(都是距離U形夾具最近的橫向測點)在橫向拉力分別達到4.5 kN和7.5 kN時，伴隨著部分橫向纖維織線的拉斷而出現應變驟變的現象，從另一個角度說明U形夾具連接傳力的不均勻性，所以，在膜面連接的方式上，螺栓夾板的連接效果會更好一些，當然對于復雜的和具有曲度的膜邊界，U形夾具的連接方式更靈活一些。

(a) 1和6號測點豎向拉力—應變關系曲線；(b) 5和10號測點豎向拉力—應變關系曲線

表1 螺栓夾板與U形夾具對膜面應變的影響分析

(a) 橫向拉力：3 kN；(b) 橫向拉力：5 kN；(c) 橫向拉力：7 kN；(d) 橫向拉力：9 kN

取膜面19，20，21和22以及1，2，3，4和5這9個測點的應變變化情況，其中前4個是膜面螺栓孔周圍沿第1主應力方向上的測點，后5個是膜面豎向中心軸線上的測點。4組試驗結果繪成豎向拉力-應變關系曲線。從圖8中可以看出，19~22測點的應變普遍低于其他5個測點的應變，可以得出：膜面螺栓孔周圍沿第1主應力方向上，也就是豎直拉伸方向，膜面的應變和應力比主應力方向非開孔區域小，而不是膜孔周圍由于應力集中而導致膜面應力應變都很大的這種情況。

2 膜節點連接的數值模擬研究

2.1 張拉膜結構有限元模型

創建張拉膜結構有限元模型如圖9所示，橡膠墊片、膜面、夾板之間，兩兩建立接觸對，螺栓和夾板之間，通過對螺桿中間單元實施降溫以達到對夾板的預緊力。約束上端夾板的位移，對下端夾板和兩側拉力連接件施加拉力。模擬分5組進行，第1組為單向拉伸，其余4組為雙向拉伸，其中橫向拉力加載極值分別為3，5，7和9 kN且豎向一直加載至9 kN。求解完成后提取整個膜面單元上測點的位移、應力和應變的數據結果，因膜面是高度對稱的，且模擬分析后的膜面的應力應變云圖也是對稱分布的。所以隨機取右下1/4膜面單元作為研究對象。為得到隨橫向拉力增大膜面各點位移、應力、應變變化規律，將5種工況繪制如圖10~12所示。

圖9 不同荷載下膜面各測點位移

2.2 數值模擬結果分析

由圖10~12可以得出：單向拉伸中膜面豎向測點(3，4，5和22)應力都比雙向拉伸中的大，即膜面在雙向拉伸的情況下，其承載力要高于單向拉伸的膜面承載力；在雙向拉伸中，隨著橫向拉力的增大，豎向測點(3，4，5和22)的位移略有增加、應力基本保持不變、應變在逐漸減小，這也說明隨橫向與豎向拉力越接近，膜面承載力越高；豎直拉伸方向膜孔周圍測點(22)沿第1主應力方向上，膜面的應變和應力比主應力方向非開孔區域(3，4和5)小；與膜面豎向軸向成45°方向上測點(13和14)位移，等效應力和等效應變都是逐漸減小的，并且13和14測點的位移也比其他測點大很多；所有測點的應力在隨著橫向和豎向拉力的逐漸接近的同時都趨于同一個值，膜面趨于等應力狀態，因此，減少了單向應力過大的不利影響，膜面承載力有上升趨勢。

圖10 不同荷載下膜面各測點位移

圖11 不同荷載下膜面各測點應力

圖12 不同荷載下膜面各測點應變

3 試驗與模擬的對比分析

膜面在雙向拉伸的情況下，其承載力要高于單向拉伸的膜面承載力，并且在雙向拉伸中，橫向與豎向拉力越接近，其膜面承載力越高，這和數值模擬分析后得出的結論是一致的。

對于膜面在雙向拉伸的情況下，其承載力要高于單向拉伸的膜面承載力，以及2種膜面的破壞結果的原因，可以從膜面材料構成的角度去分析：一般的膜材都是由中間的纖維紡織布基層和外涂的樹脂涂層組成，中間的纖維紡織布是交叉排布的，所以在膜面進行豎向拉伸時，只發揮了膜材經向(本試驗經向為豎向，緯向為橫向)纖維的抗拉性能，緯向的纖維并沒有參與其中。而雙向拉伸則充分發揮了膜面經、緯向纖維同時承受和傳遞荷載的組合作用，雙向拉伸與單向拉伸對膜面抗拉強度不同的影響，也體現了膜面材料的應力剛化效應，即一個方向受拉時另一個方向的剛度會顯著變大，這樣在雙向拉伸的作用下，經、緯向的纖維紡織布的剛度會有所提高。正是這種“互相幫助”的特性，才致使膜面在雙向拉伸的情況下，其承載力要高于單向拉伸的膜面承載力。

在雙向拉伸時膜面荷載傳遞的路徑會沿著應力集中的地方即膜面開孔區域進行傳遞，就形成了第2類破壞結果；而單向拉伸時，由于泊松比效應，即軸向拉伸時膜面橫向應變的現象更為顯著，在膜材邊緣一旦出現微裂縫，裂口就會沿著這個裂縫迅速展開，就會形成第1類破壞結果。

膜面螺栓孔周圍沿第1主應力方向上，也就是豎直拉伸方向，膜面的應變和應力比主應力方向非開孔區域小，而不是膜孔周圍由于應力集中而導致膜面應力應變都很大的這種情況，和數值模擬分析后得出的結果也一致。出現這種現象的原因是：擰緊的螺栓對于夾板、橡膠墊片和膜面有很大的的預緊作用，使得膜面與橡膠墊片，橡膠墊片與夾板之間的摩擦力非常大，在拉伸過程中位于夾板內的膜面是很難發生形變的，所以在主應力方向上其膜面螺栓孔周圍的應變相比其他非開孔區域就會小 一些。

4 結論

1) 膜面在雙向拉伸的情況下，其承載力要高于單向拉伸的膜面承載力，并且在雙向拉伸中，橫向與豎向拉力越接近，其膜面承載力越高。此時膜面1≈2，膜面處于一種應力處處相等的狀態，這時的膜面能夠最大程度地抵抗外界荷載。在實際工程中應盡可能避免膜材的單向拉伸，可以根據膜結構的構造形式，調整最合適的張拉度曲和張拉角度，能夠充分發揮膜結構面對外界荷載所表現出自我調節面內應力相等的這種自適應性。

2) 雙向拉伸的膜面表現出比單向拉伸更短的塑性狀態，甚至是沒有，即在膜面到達彈性極限后，雙向拉伸的膜面會瞬間被撕裂，而單向拉伸的膜面在達到彈性極限的時候會經歷塑性變形階段，緊接著在失去最大承載力后有一個緩慢的斷裂前的伸長階段。由于膜面泊松比效應，在雙向拉伸的情況下，當膜面邊緣出現微小裂口時，會被迅速撕裂。面對這種情況，建議在膜面邊緣處做膜材的補強處理，如增加邊緣膜面的厚度，從而增強膜面邊緣處抗撕裂能力，總體提高膜面的抗拉強度；同時膜面邊緣處的黏結強度不宜過大，因為黏結強度增大會限制纖維布絲受力后的滑移，進一步會限制膜材的拉伸和延展，其抗撕裂性能會有所減小。

3) 在相同加載速度的情況下，螺栓夾板連接方式的膜面節點對應主應力方向上的應變，相比于U形夾具連接方式的應變要更小一點。兩者的選擇建議根據情況而定，對于膜面與支承構件的連接和曲度不大的膜單元與膜單元之間的連接可以考慮螺栓夾板的連接方式。對于曲度較大的膜邊界建議使用U形夾具的連接方式，連接U型連接件的鋼索端頭，應制作成可調節式，以便應對膜面出現應力松弛和膜面皺褶等其他情況時，可以進行膜面的二次張拉，以便消除松弛和皺褶的狀態。

4) 膜面螺栓孔周圍沿第1主應力方向上，膜面的應變和應力比主應力方向非開孔區域小，而不是膜孔周圍由于應力集中而導致膜面應力應變都很大的這種情況。在實際工程中，對于需要開孔的膜面，其開孔的孔徑應大于螺桿或金屬桿件的直徑，避免在拉伸過程中，螺桿或金屬桿件與膜孔發生接觸碰撞，導致膜面的應力集中，其次在開孔區域也應對膜面做補強處理，如增加膜面局部厚度等措施，來加強膜面節點處的強度。

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Experimental study on the failure of the joint membrane structure bolt splint and U-shaped clamp fixture

YIN Zhixiang, LI Xiuchen, JIAO Dong, WANG Weiming, ZHAO Yuan

(College of Engineering and Architecture, Liaoning Technical University, Fuxin 123000, China)

Aiming at the problem that the membrane structure node due to unreasonable design, improper and node connection loosening and shedding caused by local membrane structure extends to the whole failure. In this paper, through the experimental study and numerical simulation analysis, the influence degree of uniaxial and biaxial stretching on the bearing capacity of the membrane was studied, and the connection method of the bolt clamp and the connection way of the U-shaped fixture were further studied. The influence of the membrane surface strain, and the force and failure mechanism of the membrane surface were also studied when the load was applied in different proportions. The results show that the bearing capacity of the membrane surface is higher than that of the membrane surface in the case of uniaxial tension. And in the biaxial stretching, the horizontal and vertical tension closer, the higher the bearing capacity of the membrane. The strain in the direction of the main stress of the joint is smaller than that of the U-shaped fixture. In the future connection of the membrane structure nodes, should be used to have more membrane and side rope to participate in the friction and squeeze with the splint of this connection, so that the way the force of the node is more reasonable.

tensioned membrane structure; bolt splint; U-shaped fixture; node failure

10.19713/j.cnki.43?1423/u.2019.03.030

TU358

A

1672 ? 7029(2019)03 ? 0788 ? 08

2018?04?14

國家自然科學基金資助項目(U1261122)

殷志祥(1962?)，男，河北趙縣人，教授，博士，從事大跨度空間結構研究；E?mail：lngdyzx@163.com

(編輯 陽麗霞)