建筑PTFE膜材双向应力松弛性能研究

作     者：梁丽宁 

作者单位：鲁东大学 

学位级别：硕士

导师姓名：孟雷;孙国春

授予年度：2019年

学科分类：08[工学] 081304[工学-建筑技术科学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 0813[工学-建筑学] 

主      题：PTFE织物膜材 粘弹性 双向应力松弛 张拉方案 

摘      要：目前,膜结构因其灵活造型及高透光率在大型空间结构中得到了广泛的应用。常用的建筑膜材有涂层织物类膜材和薄膜材料,均为典型的高分子材料,具有明显的粘弹性性能,应力松弛和徐变现象因此产生。上述力学行为造成结构的预张力损失和持续变形,影响结构的安全及美观。本文为考察膜材的双向粘弹性能,研发制备了双轴拉伸试验机。研发过程中集中解决了加载机制的灵活性,低应力水平的稳定性及垂直顶升加载要求几个关键问题,最终确定了双轴拉伸试验机设计方案。该试验设备采用人机对话界面操作系统,可实现水平和垂直加载。水平加载模式能够完成比例加卸载、交替加卸载和力保持等多种加载方案。基于该设备,进行不同十字形切缝试件尺寸、变形测量位置和加载模式下的拉伸试验。结果表明:试件尺寸、变形测量位置对试验结果影响较小,不同加载模式对拉伸曲线影响较大。上述结论可用于确定后续应力松弛试验张拉方案。本文以建筑用PTFE织物膜材为研究对象,进行一系列不同拉伸过程下的双轴应力松弛试验,分析了拉伸速率、经纬向张拉顺序、初始预张力比值、初始预张力水平对膜材经、纬向应力松弛的影响;分别采用广义Maxwell模型、分数阶模型和分指数模型对应力松弛试验数据进行拟合,比较不同模型的拟合精度。结果表明广义Maxwell五元件模型的拟合精度较高。结合实践工程施工方案,分别采用二次张拉、分阶段张拉和循环张拉方式进行膜材的双轴应力松弛试验。通过考察不同张拉方式下膜材稳定应力水平,确定施工张拉方案,以便减少应力松弛对结构膜面张力的影响。比较发现二次张拉施工方案更为有效。对水平膜面进行水平张拉和垂直顶升形成曲面进行结构应力松弛试验,采用二次张拉方案考察膜面应力松弛变化,验证施工方案的可行性。基于广义Maxwell粘弹性模型,对成形曲面应力松弛试验过程进行数值模拟,其分析结果与试验结果基本吻合。上述研究结果为膜结构的施工张拉方案提供了一定的理论依据。