大型充气膜结构特性分析与高强膜材试验研究

摘要

充气膜结构是一类特殊的膜结构体系，气承式膜结构为大跨结构体系发展做出了卓越贡献，大型气囊膜结构近几年在国外也得到了应用与发展，但我国尚无相关研究与应用。高性能织物膜材是实现大型膜结构的基础，但我国尚不能生产，同时对其性能无研究。因此，本文首先对大型充气膜结构的分析方法及基本特性进行了研究，然后对高性能(高强)膜材进行了试验研究。 首先，基于Easy软件系统，介绍了相关理论及充气膜结构分析实现方法。充气肋是实现大跨膜结构的一种基本结构支撑单元，本文先从理论解析方面对其承载力与变形进行了研究，然后利用Easyvol进行了数值分析，以及全面的参数分析，如气压、矢高、拱长、荷载大小与加载模式等，并与试验结果进行了比较研究。以2008年奥运会“鸟巢”中央开孔为背景，当采用气囊膜和气承式膜结构时，分别分析了在雪荷载和风吸荷载下膜面的应力、矢高、内压、变形等结构特性参数变化。 目前强度最高的C类PVDF/PES主流建筑织物膜的代表产品为：杜肯(B1618a和B1092a)、法拉利(1302a和1502a)，主要用于大型受力复杂膜结构。本文采用四种膜材进行了一系列试验研究，主要包括：不同搭接焊缝宽度膜材的单向拉伸试验，得到了膜材的破坏形态、应力-应变曲线、极限抗拉强度和断裂延伸率；膜材的往返荷载试验，得到了膜材在往返荷载作用下的应力-应变曲线及弹性模量(弹性刚度)；法拉利(1302和1502)膜材的徐变试验，得到了其在6小时内的徐变曲线及徐变量。最后，对两种军用充气帐篷篷布进行了试验，包括单向、双向强度拉伸试验。