[发明专利]适用于模型试验中涂层织物类膜材的弹性模量测试方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种膜材料弹性模量的测试方法，特别是一种适用于模型试验中涂层织物类膜材的弹性模量测试方法。

背景技术

膜结构因其美丽卓越的造型而受到广大设计师、建筑师的欢迎，成就了诸多地标性建筑。但是其力学性能受结构外形、外荷载等作用影响明显，具有明显的几何非线性和材料非线性，现有设计理论尚不完善，仅仅通过数值模拟很难准确把握其力学性能，往往需要结合模型试验对计算结果进行验证。考虑到实验室条件的限制，往往需要采用缩尺模型试验来进行分析。此时，模型试验中的材料，虽然也要经过张拉、应力松弛、二次张拉，但是其受力与实际工程结构还是有较大区别，很难直接经受其他荷载(比如风、雪等荷载)的作用，因此模型试验中的材料受力特性与实际工程结构中的材料受力特性差别很大。

张拉膜结构中主要应用的是涂层织物类膜材。涂层织物类膜材由基层、涂层和面层三部分组成。其中基层由各种织物纤维编织而成，决定膜材的结构力学特性。涂层和面层保护基层，且具有自洁、抗污染、耐久性等作用。基层的编织纤维相互垂直，分别为经向纤维和纬向纤维，两个方向的力学性能差异较大。因此涂层织物类膜材具有明显的非线性、非弹性、各向异性以及粘弹性等特性，在设计时需要考虑因膜片布置产生的弹性主轴的偏轴问题，用计算软件在计算中需要设定两个弹性主轴方向的弹性模量和泊松比，还要考虑膜片裁剪放样中的布置方向。

膜材料的力学性能研究是研究膜结构力学性能的重要前提，包括本构关系、强度准则等。考虑到膜材料的非线性、粘弹性特性，相比传统材料来讲，膜材料本构关系的确定是材料力学性能研究的重中之重。现行设计规程中，往往采用线弹性、各向异性的假定，因此弹性常数(主要指弹性模量、泊松比)的准确显得尤为重要。

国内外的膜材双轴拉伸试验大致可分为三类:鼓形双轴试验、圆柱状双轴试验和平面十字形双轴拉伸试验。目前应用最广的是平面十字形双轴拉伸试验，该方法近似假定膜材经纬向为两个弹性主轴，将膜材受力视为各向异性弹性理论下的平面应力问题。

目前，德国RainBlum试验室和日本膜结构行业协会制定的双轴十字形试验方法是比较常见的两种双轴试验方法。其中，德国RainBlum试验室设计的膜材双轴拉伸试验机尺寸较大，在加载制度方面，该方法的膜面大多是一种负高斯曲率曲面，在试验数据的处理过程中，考虑到膜材应力与应变之间为非线性、非弹性关系，该方法将膜材本构关系用应力增量与应变增量局部线性化表示，对试验机加、卸载以及保载控制的要求较高；同时该方法得到的膜材弹性常数在应用到假定膜材料为正交各向异性材料的膜结构计算前应进行相应的转换与推导。具体的测试步骤如下：

(1)为测量其应变，首先记录经、纬方向的原始长度，在试样经、纬方向分别加载至其预应力水平，然后对经向和纬向交替进行循环加载，加载幅值从预应力水平到最大设计应力的1/3～1/2。

(2)将应力值重新设定在预应力值的1.5倍并在44℃的温度下保持18h，然后将试样的应力值降到预应力水平并在22℃的温度条件下保持4h，取这个时段结束时的应变值作为用于裁剪下料的回缩补偿值。

(3)在22℃条件下，将纬向应变保持在预应力水平(与第二步相衔接)，经向应力增加到最大应力设计值的1/2，记录从预应力状态开始的经向应变增量及新的纬向应力。将记录所得的经、纬向应力、应变值带入式(1-2)可直接得到EA_x和EA_c的值。