涨知识，建筑用膜材料拉伸蠕变性能研究

2023-11-03 | 新闻资讯 作者：小编


摘要：

本文主要探讨了膜材料在拉伸应力作用下的蠕变性能。通过实验研究，得出了膜材料在常温和高温下的拉伸蠕变伸长率指标，并与国内外标准进行了比较。研究结果表明，膜材料的蠕变性能与试验条件密切相关，对于长期服役的膜结构建筑来说，进行拉伸蠕变试验是非常必要的。


一、引言


膜结构建筑作为一种新型的建筑形式，在景观设计、遮阳设施、充气结构等领域得到了广泛应用。膜材料作为膜结构建筑的核心组成部分，其性能直接影响到膜结构建筑的安全和使用寿命。拉伸蠕变是指固体材料在保持拉伸应力不变的条件下，应变随时间延长而增加的现象。许多材料（如金属、塑料、岩石等）在一定条件下都表现出蠕变的性质。对于膜结构来说，膜材料通常被施加1000N/m～2000N/m的初始张力以形成稳定的结构形状，经过一段时间，再加上其他外力的作用，膜材料可能会发生蠕变，从而产生松弛，导致其结构形状发生改变。因此，膜材料和其焊缝的拉伸蠕变是评价膜材料在长期服役过程中能够保持膜结构设计造型非常重要的性能指标。与疲劳性能一样，蠕变性能指标的高低与试验条件密切相关。


二、试验方法


本试验参照日本膜材料协会标准MSAJ/M03和美国土木工程师学会标准ASCE SEI55.16《张拉膜结构》规范，采用常温试验温度为23℃，高温试验温度70℃。考虑到与膜材料其他物理性能的试验条件一致，23℃也是玻璃纤维和塑料制品的标准试验温度。高温选择了ASCE SEI55.16中规定的70℃，主要是考虑了膜材料夏季阳光辐照外表面可能达到的温度，这样更接近于实际使用。关于火焰辐射的影响，目前开展的研究不多，尚未有更多的数据支撑，本文暂时不予考虑。

膜材料蠕变拉伸试验


在施加的载荷方面，ASCE SEI55.16规定进行拉伸蠕变试验时：20℃，施加膜材料最大服役载荷200%的荷载，70℃时施加最大服役载荷100%的荷载。考虑到施加的载荷与ASCE SEI55.16一致，蠕变持续时间也与该标准一致，即为4h。关于蠕变伸长率的计算范围，日本膜材料协会标准MSAJ/M03是从施加预张力开始至持续施加拉伸载荷结束试样的伸长率，包括了拉伸载荷下的弹性和塑性伸长率及持续加载下的蠕变伸长率，ASCE SEI55.16仅是持续加载下的蠕变伸长率。在构建膜结构施工时，通常会对膜材料进行几次张拉加载，以消除加载前期产生的松弛，考虑膜材料的弹性伸长没有意义。因此按照ASCE SEI55.16标准给出伸长率范围仅限蠕变伸长。


三、结果与讨论


验证试验结果显示，国产结构膜材料经向的拉伸蠕变显著小于纬向拉伸蠕变，这可能是由于玻璃纤维布在织造时，经向纱线受到较大的张力，而纬向纱线没有受到张力，纬向纱线弯曲较经向纱线严重，因而进行蠕变试验时，相同等级的张力下纬向试样的伸长要大于经向试样。


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ASCE SEI55.16中没有给出高温拉伸蠕变的指标，验证试验结果显示，70℃下膜材料的拉伸蠕变显著高于常温下的拉伸蠕变。根据验证试验结果，给出了高于ASCE SEI55.16要求的膜材料拉伸蠕变伸长率指标：


结构膜拉伸蠕变性能试验条件：

温度23℃，抗拉强度标准值1/2荷载作用下持续4h，经向蠕变伸长率≤1.0%，纬向蠕变伸长率≤1.5%，且无破损、无开裂等异常；温度70℃，抗拉强度标准值1/4荷载作用下持续4h，经向蠕变伸长率≤1.5%，纬向蠕变伸长率≤2.0%，且无破损、无开裂等异常。


网格膜拉伸蠕变性能试验条件：

温度23℃，抗拉强度标准值1/2荷载作用下持续4h，经、纬向蠕变伸长率≤1.5%，且无破损、无开裂等异常；温度70℃，抗拉强度标准值1/4荷载作用下持续4h，经、纬向蠕变伸长率≤2.0%，且无破损、无开裂等异常。


四、结论


本文通过对膜材料进行拉伸蠕变试验，得出了其在常温和高温下的蠕变伸长率指标，并与现有标准进行了比较。研究结果表明，膜材料的蠕变性能与试验条件密切相关，对于长期服役的膜结构建筑来说，进行拉伸蠕变试验是非常必要的。此外，本文还探讨了膜材料在拉伸应力作用下的蠕变性能，分析了蠕变产生的原因和影响因素，为进一步优化膜材料性能和提高其使用寿命提供了理论支持。


在未来的研究中，可以进一步探讨膜材料在其他复杂环境因素下的蠕变性能，如温度变化、湿度等。同时，可以研究不同类型膜材料的蠕变性能差异，以及蠕变性能与材料微观结构的关系。此外，可以开展关于膜材料蠕变性能的预测模型研究，为实际工程应用中的膜结构建筑提供更为精确的设计依据。


总之，膜材料的蠕变性能是关系到膜结构建筑安全和使用寿命的重要因素。通过本文的研究，为膜材料性能的优化和长期服役性能的评估提供了有益的参考。同时，也为进一步研究膜材料的蠕变性能提供了新的思路和方法。


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