郭建军，黎洪光（重庆水利电力职业技术学院，重庆　402160）



矩形张拉膜结构预张力的试验研究

郭建军，黎洪光
（重庆水利电力职业技术学院，重庆402160）

摘要：采用双轴张拉支架施加薄膜预张力，利用数显式推拉力计测量张力变化，对膜面施加集中冲击荷载，采用非接触式激光位移传感器测得膜面各特征点的位移变化。对比薄膜在不同预张力作用下的振幅、速度、加速度。试验结果表明，薄膜振动的振幅随着预张力的增大而逐渐减小，振幅衰减的速度和加速度随着预张力的增大而增大；但是当预张力增大到一定程度以后，这种变化规律的趋势逐渐减弱，趋于稳定；通过试验得到了该预张力的范围。

关键词：膜结构；试验研究；动力响应；预张力

基金论文：该论文为重庆水利电力职业技术学院2015年度院级科研项目（项目编号：K201509）资助的论文之一。

0　引言

建筑张拉薄膜结构是一种新颖的建筑结构体系，其轻盈美观的造型以及大跨度的空间跨越能力等优点使其越来越多地应用到各类建筑当中。由于建筑膜材的材料特性决定了张拉膜结构属于柔性结构体系，其刚度和承载能力必须依靠初始预张力和初始曲率等条件来决定。为保证其工程质量，延长结构使用寿命，防止结构过早破坏以及减少工程事故等，研究这类结构形式的受荷变形、松弛徐变、褶皱等力学性能，成为发展建筑张拉膜结构的一个重要课题。

关于膜结的力学性能问题，国内外很多专家和学者作了相关研究工作。2004年，徐其功分析得出：膜结构初张力对荷载效应有较大影响，荷载与效应不是线性关系［1］。2004年，陈波采用非线性随机模拟时程分析方法对脊谷式膜结构的风振响应特性进行系统参数分析得出：膜预张力不但对脊谷式膜结构的形状有较大影响，对结构的动力性能也有较明显的影响；随着预张力的增大，结构刚度增大，故位移响应均值和均方差都减小，而且十分显著；对薄膜应力的影响也相似，增大预张力，风荷载引起的应力增量均值和方差都相应减小，但是应力总量（包括预张力）却增大，但幅度较小；因此，增大膜初始预张力，能明显改善结构的动力性能［2］。2006年，蔡文琦从索膜结构的基本曲面形式入手，按不同的预张力相对关系进行形态分析，从中总结出索膜结构找形分析中预张力取值的参考标准［3］。2006年，陆鉴恒运用ANSYS二次开发实现对膜结构进行受荷分析得出：初始预拉应力、矢跨比、边界约束等对膜结构在荷载作用下变形有着重要影响［4］。2005年，尹小明结合实际工程，采用膜的预张力一般可以假定为膜片设计强度的5％～10％的方案，并将安全系数取为5［5］。2006年，徐明辉等人从有限元分析和实际加载试验两方面，对膜结构单元在分布载荷下的力学性能进行测试，发现前者的位移最大值比后者结果小，而前者的应力应变最大值比后者结果大。采用最大应力理论，膜材承载的织物纤维经纬方向的最大拉应力均小于其破坏应力，满足强度要求，得出采用膜单元构建大型建筑是安全的结论［6］。但是关于膜结构初始预张力取值范围与其动力特性的关系研究很少，主要是由于薄膜结构的测试一直是个难题［7］。2011年，李元齐采用激光位移传感器对乳胶薄膜振动的附加质量进行了研究［8］。

规程中给出了根据国内外膜材应力-应变试验结果和工程经验而确定的初始预张力最小值，但未考虑膜结构预张力大小对其荷载效应和动力性能影响，本文根据薄膜的动力响应特性，利用试验的方法，得出张拉薄膜在冲击荷载作用下，预张力大小与动力响应特性的关系，从这个角度出发验证规程中初始预张力建议取值的合理性。

1　试验装置及测试方法

1.1试验装置

试验在双轴张拉支架上进行，支架平面尺寸3800mm× 4160mm，中心正方形区域为1200mm×1200mm，试验原理简图见图1。整个试验支架用60mm×60mm的方钢管焊接而成，并且在试验架的四根支柱及其台面四端加上60mm×60mm的方钢管作为斜支撑。

1.2预张力测量

图1　试验示意图

预张力施加过程中采用数显式推拉力计进行张力控制测量，见图2。数显式推拉力计是基于S型传感器的原理而设计的，弹性体（弹性元件）在外力作用下产生弹性变形，使粘贴在他表面的电阻应变片（转换元件）也随同产生变形，电阻应变片变形后，它的阻值将发生变化（增大或减小），再经相应的测量电路把这一电阻变化转换为电信号（电压或电流），从而完成了将外力变换为电信号的过程。

图2　数显式推拉力计

1.3振动位移测量

由于薄膜材料自身的轻质和易受干扰的特性，决定了在测量其振动位移时，必须考虑所选测量设备的质量对膜面振动的干扰，所以不能用传统的接触式测量仪。采用了ZLDS100激光位移传感器作为薄膜振动位移测量，0.1％的精度，采样频率为2kHz，分辨率为0.01％，如图3。

图3　激光位移传感器

1.4荷载作用点及传感器布局

在膜的一面施加冲击荷载，另一面布置ZLDS100激光位移传感器，以测量膜在冲击荷载作用下横向振动位移，位移传感器应该与支架相互独立，以避免支架在冲击荷载作用下的振动对位移传感器的干扰。荷载作用位置和激光位移传感器采集位置与膜面的相对位置见图4，图中，C1、C2和C3表示膜面上方三个激光位移传感器的采集位置，J1、J2和J3表示膜面下方先后施加集中荷载的作用点。

图4　荷载作用点及传感器布置图

2　试验及结果分析

2.1试验

选取工程中运用最广泛的P类C级膜材制成膜材试件，并四边进行编号，记X（1-3）方向为纬向，Y（2-4）方向为经向，令薄膜x、y方向的拉力值相等，即σx=σy=σo，共分八级进行张拉。依次为1.0kN、2.0kN、3.0kN、4.0kN、5.0kN、6.0kN、7.0kN、8.0kN。每个张力级别下，用两种枪配三种子弹（仿真枪配玻璃子弹、塑料子弹和铁子弹，依次记为FB、FS和FT；玩具枪配玻璃子弹和塑料子弹，依次记为WB和WS），冲击薄膜表面的特征点。用激光位移传感器采集了薄膜表面的C1、C2、C3三个测量点的振动数据并保存，试验现场情况图见图5。

图5　现场试验图

2.2试验结果分析

根据薄膜在不同等级预张力下，受到横向集中冲击作用而振动的位移变化，可以求出其位移时程曲线、速度时程曲线、加速度时程曲线、频率、最大冲击位移和最大振幅等，进而分析预张力大小对薄膜动力响应的影响。

表1是采用仿真枪发射玻璃子弹射击中心区域尺寸为1200mm×1200mm的正方形海德斯薄膜中心点J1时，膜面C1点振动的时程曲线。

根据表1可以看出，海德斯薄膜在受到同一种集中冲击荷载作用时，薄膜的动力响应随着预张力递增而有规律地变化，当薄膜所受预张力F＜5kN时，其变化规律是：（1）薄膜振动的振幅随着预张力的增大而逐渐减小，振幅衰减的速度随着预张力的增大而增大；（2）薄膜振动的速度和加速度随着预张力增大而增大。当薄膜所受预张力F≥5kN时，薄膜振动的幅度、速度和加速度随预张力大小的变化而变化的趋势同前，但是变化幅度没有那么明显，逐渐趋于稳定。

表1　正方形海德斯薄膜C1测点振动时程曲线

出现以上试验现象的原因在于：（1）薄膜所受预张力很小时，膜面非常松弛，所以在冲击荷载下，其振动的振幅较大，但是由于膜面很松弛，没有弹性，所以振动的速度和加速度都很小；（2）随着预张力的增大，膜面变得越来越紧，膜材处于弹性变形阶段，在不改变冲击荷载的情况下，膜面的横向变形能力逐级降低，表现为振幅减小，振动的速度和加速度增加；（3）当预张力增加到一定程度（F=4～5kN）以后，膜材的弹性阶段基本结束，膜材刚度也增加到一定大小后，在冲击荷载不变的情况下，随着预张力的增大，膜面振动形式表现为振幅稳定，振动的速度和加速度都趋于稳定；（4）薄膜振动的动刚度和作用力有关系，冲击力的速度不同，薄膜的动刚度不同，则薄膜的动力响应就不同，采用仿真枪发射子弹冲击膜面，每次冲击的子弹速度有一定差别，所以膜面的动力响应存在一些偏差。

图6和图7是正方形海德斯膜在各级预张力下分别受到五种冲击作用时的瞬间最大冲击位移和冲击作用后振动的最大振幅。

根据图6和图7分析得出：正方形海德斯薄膜受到同种横向冲击荷载作用时，随着预张力的增加，薄膜的瞬间冲击位移和冲击作用后的振动振幅的最大值逐步趋于稳定；当膜面所受预张力越来越大时，膜面受不同种类的冲击荷载而产生的冲击位移和振幅的差别越来越小；这表明膜材在预张力达到一定程度后，膜面刚度增大，外部冲击荷载相对较小，在悬殊不大的几种荷载的冲击下不会产生差别较大的变形和振动。

根据以上试验现象分析可以看出：正方形海德斯薄膜所受预张力在5kN以内时，膜面受到横向冲击荷载作用而振动的位移、速度和加速度随着预张力增加而明显变化，当预张力增加到约5kN以后，膜面因受到横向冲击作用而振动的位移、速度和加速度随着预张力增加而变化的趋势逐渐减弱，趋于稳定。这说明在膜材受张拉时，只需要将张拉力控制在5kN左右后，膜面的刚度就基本稳定，随着预张力的增加而增加的幅度变小，所以在膜结构的设计和施工过程，膜结构预张力达到一定水平后，继续加大张拉力对膜结构刚度的增加是没有明显效果的，反而会造成膜材进入塑性变形阶段，长期处于高应力状态，加快膜材的老化，缩短膜结构的使用寿命；同时要提高张拉力，需要投入更多的人力和功率更大的张拉机具，导致工程成本增加。

图6　正方形海德斯薄膜在集中冲击下中心点的最大冲击位移

图7　正方形海德斯膜材在集中冲击下中心点的最大振幅

3　结论与讨论

3.1试验小结

利用集中冲击荷载冲击张拉薄膜分析薄膜预张力大小对其动力性能的影响。根据试验薄膜振动微小位移测量的需要，在试验中使用了激光位移传感器，该方法可为类似结构冲击振动微位移试验研究提供参考。通过改变预张力的大小，对薄膜受冲击而引起振动位移进行了初步研究，得到了冲击作用后薄膜振动的位移时程曲线、速度时程曲线、加速度时程曲线、最大冲击位移和最大振幅，对试验结果进行分析得到：在张拉膜结构中，膜的预张力取值宜为4.0～5.0×103kN/m2，这既与结构工程设计师们的长期设计经验（实际膜结构工程中膜预张力一般取为106N/m2量级范围内）相吻合，又与前人的软件分析结论［9］相吻合。该试验结论是从一个新的角度为常用建筑膜材预张力取值大小提供试验依据［10］。

3.2存在的问题

试验中用螺杆进行张拉，夹具和十字架相接触面存在一定的摩擦力，难于精确控制膜材所受到预张力，这会引起误差。

采用仿真枪与铁子弹、玻璃子弹和塑料子弹搭配作为集中冲击荷载加载系统，各种子弹的质量和体积存在一定离散性，这使得每次冲击的能量存在差异性，不能保证绝对每次试验的可重复性，引起了试验误差。

参考文献：

［1］徐其功，苏建华，韩大建，等.张拉膜结构荷载分析过程中的若干问题讨论［J］.特种结构，2004，21（4）:9-12.

［2］陈波，武岳，沈世钊.脊谷式张拉膜结构风振特性分析［J］.空间结构，2004，10（1）: 41-45.

［3］蔡文琦.索膜结构的形态分析设计及静力性能研究［D］.杭州:浙江大学，2006：58-71.

［4］陆鉴恒.索膜结构动力松弛法的研究与改进［D］.武汉：华中科技大学，2006：19-39.

［5］尹小明，朱慈勉，王明轩.体育看台索膜结构工程设计［J］.工业建筑，2006，36（1）: 581-584.

［6］徐明辉，梁大开，郑世杰，等.PVDF涂层建筑膜材单元结构力学性能的试验研究［J］.试验力学，2006，21（2）: 220-224.

［7］Christopher H.M.Jenkins，Umesh A.Korde.Membrane vibration experiments: An historical review and recent results［J］.Journal of Sound and Vibration，2006，295：602-613.

［8］Yuanqi Li，Lei Wang，Zuyan Shen，et al.Added-mass estimation of flat membranes vibrating in still air［J］.Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics，2011，99：815-824.

［9］曹立岭，罗尧治，沈雁彬，等.索膜结构预张力取值研究:第十届空间结构学术会议论文集［M］.北京：中国学术期刊电子出版社，2002：268-274.

［10］中国钢结构协会空间结构分会，中国建筑科学研究院.CECS158:2004膜结构技术规程［S］.北京：中国工程建设标准化协会，2004.

责任编辑：孙苏，李红

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.

中图分类号：TU311

文献标识码：A

文章编号：1671-9107（2016）04-0035-04

doi：10.3969/j.issn.1671-9107.2016.04.035

收稿日期：2014-08-11

作者简介：郭建军（1986-），男，四川南充人，研究生，讲师，主要从事固体力学教学和研究工作。