随着社会的进步, 土木工程技术的不断发展, 各种大跨度空间结构技术逐渐被百富策略白菜网与推广。膜结构作为大跨度空间结构中的一种, 在公共建筑领域中扮演着重要的角色, 既给人类提供了宽敞舒适的室内空间, 又最大限度地与自然环境相融, 既满足了人类对建筑艺术的追求, 又降低了成本, 取得良好的经济效益。但是, 膜结构的自重轻、刚度小、自振频率低和跨度大的特点, 使其对外部荷载的反应特别敏感, 容易发生振动, 甚至可能导致工程事故。

近年来, 国内外专家对于膜结构工程的研究工作也取得了很大的进展。大多集中在膜结构的风致振动破坏和风洞试验方面。在膜结构振动方面的理论研究也较多, 而试验研究较少, 这与膜结构的特点有关[1];2006年, 徐明辉等从有限元和实际加载试验两方面计算得出膜结构单元在均布荷载下的位移、应变和应力分布[2];2010年, 林文静构造6节点三角形单元, 用于平面薄膜自由振动的有限元分析[3]。在膜结构自振频率方面, 部分学者做过理论研究和数值分析, 没有具体的试验测试, 在膜结构的相关技术规程中也没有明确的测试手段[4];2004年, 余志祥采用了兰索斯法研究了加强索刚度、膜面初张力、膜面矢高和膜材质量对自振特性的影响[5];2007年, 潘钧俊给出了结构等效一阶频率的计算方法, 拟合出了方形膜结构的等效一阶频率的简洁拟合公式[6];2009年, 林文静根据哈密顿原理建立薄膜横向振动方程, 采用分离变量法求解了周边固定的圆形薄膜、扇形薄膜自由振动的固有频率及其固有模态[7];2011年, 王磊对比了乳胶薄膜和橡胶薄膜在不同空气密度中的振动频率, 得出薄膜自振频率随气体密度减小而增大, 附加质量效应十分明显, 且与模态振型相关的结论[8]。文献[9], [10]也从理论的角度研究了薄膜的振动特性。

本文作者设计了张拉膜结构冲击动力响应试验模型。运用张拉支架将膜结构进行分级张拉, 分别采用集中冲击荷载和均布冲击荷载对膜面进行横向冲击, 同时通过非接触式激光位移传感器测量膜面的振幅变化, 运用软件绘出了膜面特征点的振动时程曲线, 求出了各工况下的振动频率。

由于膜材料主要承受拉力, 不适合压缩和剪切试验, 而实际膜结构工程中, 也是张拉膜结构居多, 所以本文进行张拉膜结构的冲击测试, 采用简易的十字张拉支架, 同时从经向和纬向方向对膜材进行预张拉, 张拉力分级施加。在垂直于膜面方向, 施加横向冲击荷载;在膜面上方安设三台非接触式激光位移传感器, 同步采集膜面受冲击后的振动过程;从而得出各工况下膜面的振动位移时程曲线, 进而求出振动频率。

双轴张拉试验支架制作成井字形, 其平面尺寸设计为3 800 mm×4 160 mm, 中心正方形区域为1 200 mm×1 200 mm, 其高度为1 600 mm, 整个试验支架用60 mm×60 mm的方钢管焊接而成, 为了保证试验架能满足试验所需的强度要求, 而在试验架的四根支柱及其台面四端加上斜支撑, 斜撑也采用60 mm×60 mm的方钢管, 见图1。

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的时候, 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, 本次试验经过反复研究和论证, 最终决定选用激光位移传感器来测量膜面的振动, 这样可以避免接触式传感器的探头对薄膜振动产生影响。相关科研单位也采用过类似的手段, 例如, 同济大学的王磊、沈祖炎等, 在做薄膜振动附加质量试验研究中, 采用激光位移传感器测量了乳胶薄膜和橡胶薄膜在不同气压下的振动变化情况[8]。传感器型号是ZLDS100, 采用英国技术生产, 主要技术参数:量程:100 mm, 起始距离:140 mm, 采样频率:2 k Hz, 分辨率:0.01%, 精度:0.1%, RS485串口输出, 数字量, 有触发输入及AL逻辑控制端, IP67的防护等级, 带接线缆连接方式, 线缆长度5 m, 见图2。整个试验模型如图3所示。

选用了实际工程中常用德国海德斯H5573和星益达膜材料制作试件。将膜材试件做成十字形, 并分别在四端做切缝处理, 四个转角做倒圆角处理, 在四个张拉边进行折叠锁边和钻孔, 具体图示见图4。切缝处理是为了保证预先施加的拉力能基本均匀地传递给中间区域的膜材。

对每一张试件分别进行分级施加预张力, 令膜x, y方向的拉力值相等, 即σx=σy=σ0。共分八级进行张拉, 依次为1.0 k N, 2.0 k N, 3.0 k N, 4.0 k N, 5.0 k N, 6.0 k N, 7.0 k N, 8.0 k N。在每一级预张力下, 对膜面施加横向冲击荷载, 用仿真枪射击玻璃子弹, 模拟单点集中冲击荷载;用高功率风机吹风, 模拟均布面荷载。采用三台激光位移传感器同步采集薄膜受冲击过程的振动位移数据。

通过试验可以得出薄膜振动的位移时程曲线, 如图5a) 和图5b) 所示就是薄膜在集中冲击荷载作用下的位移时程曲线。试验结果表明, 薄膜在受外荷载冲击后自由振动过程是一个有阻尼振动过程, 在不同的外荷载冲击下, 薄膜振动的振幅不同。

根据薄膜振动的位移时程曲线, 本文给出了薄膜在各工况下的位移功率谱密度曲线, 图5a) 和图5b) 对应的位移功率谱密度曲线是图5c) 和图5d) , 图6a) ~图6d) 依次是预张力F=2 k N, 3 k N, 5 k N, 8 k N时的位移功率谱密度函数曲线。从图5, 图6中可以看出, 随着预张力的增大, 薄膜振动响应的峰值频率明显提高。表1~表4分别给出了薄膜在各工况下的振动频率测试结果。“FB, FS, FT, WB, WS”依次表示“仿真枪发射玻璃子弹、仿真枪发射塑料子弹、仿真枪发射铁子弹、玩具枪发射玻璃子弹、玩具枪发射塑料子弹”。

表1和表2表明, 薄膜在不同的外荷载冲击下, 薄膜振动的频率是相同的, 所以所求的振动频率为薄膜的自振频率。根据表3可以得出, 薄膜在同一外荷载冲击下, 不同测点测得的薄膜振动频率是相同的, 证明该试验中薄膜振动所表现的主振型只有一个, 同时也可以根据图5, 图6中的位移功率谱密度曲线看出, 薄膜振动的功率主要集中在一个振动频率值。由表4可得出, 两种物理参数接近的膜材在同一种外荷载冲击下, 薄膜振动的频率是相同的, 可以说明膜材本身的材料性质对振动频率的影响不明显;这可以简化薄膜自振频率测量及其百富策略白菜网的推广。从表1~表4可以看出, 薄膜的自振频率随着预张力的增加而增加。给出的各级预张力下的薄膜的振动频率, 为膜结构设计提供依据。

本文通过冲击试验来测试张拉薄膜的自振频率。试验结果表明, 若薄膜所受预张力不同, 则其自振频率不同, 但是张力达到最大F=8 k N时, 薄膜的振动频率也只有35 Hz左右, 所以证明了建筑薄膜自振频率低的特性。本次试验的成功证明了该方法可以用于薄膜动力特性参数的测试, 并为开发张拉膜结构张力测量装置提供了依据。