摘 要：歷經(jīng)幾十年的發(fā)展，膜結(jié)構(gòu)已被廣泛應(yīng)用于建筑行業(yè)，但其工程安全事故卻屢有發(fā)生，因此，對(duì)膜材料的進(jìn)一步研究是十分必要的。為了進(jìn)一步探索薄膜材料的性能，發(fā)揮其在工程中的應(yīng)用價(jià)值，本文首先總結(jié)薄膜材料雙軸力學(xué)性能研究的意義，然后通過膜材靜力與沖擊試驗(yàn)分析薄膜材料雙軸力學(xué)性能，以期能夠?yàn)橄嚓P(guān)工作者提供參考。

關(guān)鍵詞：薄膜材料；雙軸力學(xué)性能；實(shí)驗(yàn)分析文章編號(hào)：2095-4085（2024）06-0194-03

1 薄膜材料雙軸力學(xué)性能研究的意義

膜結(jié)構(gòu)作為一種輕質(zhì)低剛度結(jié)構(gòu)，在強(qiáng)風(fēng)、強(qiáng)降雪、冰雹等自然災(zāi)害中易發(fā)生災(zāi)害，對(duì)人民生命財(cái)產(chǎn)安全產(chǎn)生嚴(yán)重威脅。目前，國內(nèi)對(duì)膜結(jié)構(gòu)的研究剛剛起步，與國外相比有很大的差距，特別是針對(duì)膜結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)問題，更是鮮有報(bào)道。膜結(jié)構(gòu)是一種與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式相比較的結(jié)構(gòu)形式。

作為一種柔性材料，膜結(jié)構(gòu)的與拉應(yīng)力和其剛度有著十分密切的關(guān)系，如果初始與拉應(yīng)力足夠大那么膜結(jié)構(gòu)抵抗外部荷載的剛度也較大。膜結(jié)構(gòu)具有良好的抗風(fēng)壓和抗風(fēng)能力，在應(yīng)用中主要受風(fēng)、雪、冰雹等外部荷載的作用，進(jìn)而導(dǎo)致膜面受力發(fā)生結(jié)構(gòu)變形，只有提高薄膜材料的抗彎性和抗外荷能力才能保證其高效使用。當(dāng)外界載荷過大時(shí)，導(dǎo)致薄膜拉應(yīng)力超過薄膜材料所能承受的極限抗拉強(qiáng)度，薄膜材料可能發(fā)生變形，薄膜結(jié)構(gòu)失穩(wěn)甚至撕裂。同時(shí)，由于溫度的變化和外加荷載的作用，薄膜的受力狀態(tài)也會(huì)發(fā)生改變。當(dāng)薄膜受到?jīng)_擊載荷作用時(shí)，薄膜結(jié)構(gòu)將呈現(xiàn)出隨機(jī)振動(dòng)特性，從而引起薄膜的徐變與松弛。由于溫度、濕度等因素的影響，膜結(jié)構(gòu)的熱脹冷縮和應(yīng)力集中也是影響膜結(jié)構(gòu)性能的重要因素。因此，為進(jìn)一步優(yōu)化建筑膜材結(jié)構(gòu)，減少工程事故發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)，掌握膜材受力狀態(tài)下的力學(xué)性能，對(duì)于膜材的力學(xué)性能研究顯得尤為重要。

2 膜材靜力與沖擊試驗(yàn)

2.1 薄膜裁剪制作

2.1.1 膜材制作設(shè)備

PVC膜片熱合、PTFE膜片熱合、PVC膜材料便攜式焊槍、PTFE膜材料便攜式焊槍和高頻焊機(jī)是當(dāng)前薄膜試驗(yàn)材料制作常用的材料和設(shè)備設(shè)施。

相比焊槍和焊機(jī)，高頻焊機(jī)具的應(yīng)用有著諸多特點(diǎn)，比如有著十分廣泛的應(yīng)用范圍，加工后的試件壓邊平整，有著較高的工作效率，不過該設(shè)備使用成本相對(duì)較高。目前國內(nèi)使用的高頻焊機(jī)主要用于大型建筑膜結(jié)構(gòu)的焊接。高頻焊機(jī)廣泛應(yīng)用于建筑膜結(jié)構(gòu)、帳篷、遮陽蓬、停車棚等工程中。高頻焊機(jī)主要由高頻焊機(jī)、高頻電源、脈沖發(fā)生器、電極架、工作臺(tái)、冷卻、送絲、控制檢測(cè)等系統(tǒng)組成。高頻焊機(jī)的工作機(jī)理是在焊機(jī)上、下電極間產(chǎn)生高頻率變化的磁場(chǎng)，這種連續(xù)變化的磁場(chǎng)會(huì)引起薄膜內(nèi)分子間的摩擦發(fā)熱，再由機(jī)械加壓及模具配合，達(dá)到熔接效果。目前，國外已經(jīng)研制了多種型號(hào)的高頻焊機(jī)。膜結(jié)構(gòu)熔接機(jī)是一種高頻設(shè)備，在膜結(jié)構(gòu)領(lǐng)域有重要應(yīng)用價(jià)值，是膜結(jié)構(gòu)焊接的常用設(shè)備。

2.1.2 膜材的裁剪制作

本實(shí)驗(yàn)采用手工裁剪方式制作膜材，檢測(cè)人員通過排料、放樣畫線、試件碼、劃線檢查及實(shí)際裁切制作一定規(guī)格的膜材。在排料過程中，裁剪人員按裁切圖上畫出的裁切片，根據(jù)薄膜材料卷的長(zhǎng)寬合理地排列，達(dá)到最佳效果。放樣繪圖完成后要做劃線記號(hào)并粘貼膠帶。放樣畫線時(shí)，按圖放樣，劃線后還要做自檢、互檢。在自檢過程中，應(yīng)注意檢查尺寸段間的相互關(guān)系。畫線檢查的主要內(nèi)容是對(duì)已標(biāo)定的樣件再檢查一遍，其主要目的是檢驗(yàn)樣件的精度及標(biāo)注的正確性。畫樣板時(shí)，先按尺寸要求畫出等長(zhǎng)的試塊圖，再在樣板上畫出所需的線框圖或線段。在最終裁斷試樣前，必須反復(fù)檢查，以確定其精度。切割時(shí)要確保尺寸精度和外觀質(zhì)量。采用 PVC手提式焊槍及高頻焊接設(shè)備對(duì)剪切試樣進(jìn)行壓邊燒結(jié)，對(duì)經(jīng)檢查合格的試件進(jìn)行編號(hào)。

工作人員進(jìn)一步加工經(jīng)過熱合壓好邊的試件。在此次試驗(yàn)中，采用螺栓連接試驗(yàn)試件和夾板。工作人員用打孔工具在試件指定位置進(jìn)行打孔，為達(dá)到保護(hù)效果，加工人員可以選擇塑料砧板等較好的塑料制品作為打孔沖子、沖子保護(hù)墊。

2.2 雙軸試驗(yàn)實(shí)施

為了順利地完成薄膜材料的雙軸試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)人員按照如下步驟進(jìn)行操作：

（1）利用螺栓穿過上夾板和下夾板對(duì)已切割樣品的四個(gè)端面進(jìn)行固定，并將樣品固定于支撐裝置的首層以確保樣品放置平整。

（2）通過鋼絲繩與緊繩器橫向連接，使試樣x向一端與支撐裝置固定，另一端夾板通過鋼絲繩與手動(dòng)絞盤S型拉力傳感器相連，手動(dòng)絞盤通過螺栓與支撐裝置末端固定。

（3）通過鋼絲繩和緊繩器，將試驗(yàn)件在y方向的一端夾板與支撐裝置進(jìn)行水平連接。同時(shí)，用鋼絲繩將試樣的另一端夾板與S型拉力傳感器在手動(dòng)絞盤上進(jìn)行水平連接，并在支撐裝置的端部固定手動(dòng)絞盤。

（4）固定試件，并將三腳架穩(wěn)定地安裝于試件下放，試驗(yàn)人員調(diào)整三腳架托盤中的激光位移傳感器，同時(shí)調(diào)整托盤高度，最終保證激光位移傳感器能精確測(cè)量試樣所產(chǎn)生的位移并保證能滿足試樣位移要求。

（5）利用螺栓將夾板充分固定后借助緊繩器移動(dòng)試件，確保試件按照操作規(guī)范設(shè)置于支撐裝置上，試驗(yàn)人員分別對(duì)x、y方向上的絞盤進(jìn)行旋轉(zhuǎn)從而確保兩個(gè)方向的預(yù)張力保持一致。

（6）通過緊繩器調(diào)整最終張拉好的試件，確保其能夠在支撐裝置的中心位置。

（7）將激光位移傳感器開啟，做好激光位移傳感器水平位置的合理調(diào)整，確保激光能夠和張緊后的試件測(cè)點(diǎn)位置對(duì)準(zhǔn)。

（8）通過預(yù)試驗(yàn)明確測(cè)試設(shè)備、試件受力情況能夠滿足試驗(yàn)要求，如果可以滿足試驗(yàn)要求，那么可以按照上述步驟正式進(jìn)行試驗(yàn)檢測(cè)。預(yù)實(shí)驗(yàn)所得的數(shù)據(jù)可以不保存。

（9）通過預(yù)實(shí)驗(yàn)將試驗(yàn)流程確定，然后開始正式試驗(yàn)。正式試驗(yàn)中按照從小到大進(jìn)行五級(jí)施壓的方式施加與張力，在某一級(jí)有著穩(wěn)定的張力后，利用傳感器采集并整理相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，之后借助沙袋進(jìn)行施壓，逐層增加沙袋，檢測(cè)人員對(duì)每次加壓后的數(shù)據(jù)進(jìn)行細(xì)致地檢查記錄，在得到準(zhǔn)確數(shù)據(jù)后可以卸掉均布荷載。

（10）第二塊、第三塊試件按照和上述步驟相同的方式進(jìn)行測(cè)定。

（11）試驗(yàn)人員在測(cè)定薄膜材料的均布荷載數(shù)據(jù)后進(jìn)行絞盤轉(zhuǎn)動(dòng)并施加下一級(jí)的預(yù)張力，做好相關(guān)數(shù)據(jù)信息的采集整理，以此方式逐步施加其他級(jí)預(yù)張力均布荷載。

（12）完成試驗(yàn)后，關(guān)閉電源并釋放預(yù)張力。

在該試驗(yàn)中，檢測(cè)人員需要按照五級(jí)逐步進(jìn)行荷載的施加，荷載主要為10kg的沙袋，按照從小到大、三層分別施加壓力的方式進(jìn)行操作。每次完成預(yù)張力施加后工作人員都要及時(shí)施加均布荷載。試驗(yàn)人員在采集到相關(guān)數(shù)據(jù)信息后還要對(duì)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行細(xì)致地分析和討論，繪制曲線圖，直觀地觀察薄膜材料的雙軸力學(xué)性能。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析與討論

3.1 整理后的數(shù)據(jù)及分析

實(shí)驗(yàn)人員布置了A、B、C、D四個(gè)雙軸試驗(yàn)的試件測(cè)點(diǎn)，不過沒有采集全C、D兩點(diǎn)的激光位移位所以選取A、B兩點(diǎn)的采集結(jié)果進(jìn)行分析。

如圖1所示為位移與預(yù)張力的關(guān)系曲線。從圖1可以看出，在保證膜材尺寸和厚度不變的前提下，預(yù)張力大小的增大會(huì)導(dǎo)致張拉膜的膜面位移逐漸減小。

在保持膜材尺寸和厚度不變的前提下，均布荷載大小會(huì)影響張拉膜的膜面位移，當(dāng)均布荷載增大，張拉膜的位移也隨之增大。

均布荷載、預(yù)張力等多種因素會(huì)影響膜材的位移。在不考慮彈性模量和膜材邊長(zhǎng)的前提下，假設(shè)

k2=qσ0

擬合后得到擬合結(jié)果如圖4所示，擬合公式如式（1）。

ωmax=0.008 34lnqσ0+0.090（1）

σ0為薄膜的預(yù)應(yīng)力，σ0=N/h，其中N為預(yù)張力，h為膜材厚度。

即表示膜面中心點(diǎn)位移與均布荷載、預(yù)張力之間的關(guān)系。

通過擬合結(jié)果可知，調(diào)整后擬合結(jié)果誤差降低。

3.2 結(jié)論

試驗(yàn)人員通過薄膜材料雙軸力學(xué)性能分析發(fā)現(xiàn)，在不計(jì)算薄膜尺寸、彈性模量并且荷載均布的前提下，如果相對(duì)張力很小，那么薄膜的豎向位移會(huì)隨著薄膜均布荷載增加而逐漸呈現(xiàn)出線性增加的現(xiàn)象，隨著張力增大位移-均布荷載曲線的斜率會(huì)呈現(xiàn)出逐漸減小的趨勢(shì)。

4 結(jié)語

薄膜材料隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步得到了非常快速的發(fā)展，當(dāng)前在航空航天、機(jī)械設(shè)備、電工電子等多個(gè)行業(yè)都開始使用薄膜材料。目前常用的膜結(jié)構(gòu)形式有預(yù)應(yīng)力膜結(jié)構(gòu)與張拉膜結(jié)構(gòu)。張拉膜結(jié)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)柔軟、重量輕、造型美觀等優(yōu)點(diǎn)，非常適用于大跨空間結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，被廣泛應(yīng)用于大型建筑結(jié)構(gòu)中。由于薄膜材料較薄，剛性好，因此，當(dāng)受到較大的外力作用時(shí)，薄膜不易變形或損壞。薄膜材料是一種柔性材料，具有較低的剛度，只有在施加合適的預(yù)拉力時(shí)，才能有效的抵抗外界載荷。當(dāng)膜結(jié)構(gòu)受到較大外力作用時(shí)，膜面將產(chǎn)生較大的撓度及內(nèi)力，因此，應(yīng)通過合理的設(shè)計(jì)計(jì)算，保證膜面張拉力能滿足使用要求。為了進(jìn)一步發(fā)揮薄膜材料的應(yīng)用價(jià)值，拓寬薄膜材料的應(yīng)用范圍，將薄膜應(yīng)用中發(fā)生問題的概率降低，相關(guān)工作者應(yīng)不斷創(chuàng)新優(yōu)化，提高薄膜材料的力學(xué)性能，發(fā)揮該材料的應(yīng)用價(jià)值。

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