近年来大跨度空间膜结构建筑常有破坏失效的情况发生[1] .膜结构建筑是由优良性能的织物(膜材)通过支撑构件(柔性索、刚性梁、柱)或给膜内空气加压以一定的方式组合在一起形成具有一定刚度的空间结构.但膜结构建筑的大跨度结构形式要求其有较大的安全系数[2] ,能适应恶劣的天气情况,特别是环境温度的影响.环境温度变化时,膜材的性质会发生相应变化[3,4] ,导致膜结构建筑结构不稳,易发生建筑倒塌事件,这不仅使成品厂家和原料厂家信誉受损,而且还会威胁到第三方人财物的安全.因此,研究膜结构建筑在不同条件下的失效机理十分必要.

本文以某膜结构建筑制造商生产的长宽高为13 260 mm×12 000 mm×6 130 mm的充气肋膜结构建筑为研究模型,使用专业设备对膜材进行拉伸试验[5,6,7,8,9,10,11,12,13,14] ,测定膜材的主要参数.借助ANSYS有限元分析软件进行分析,采取先整体后局部的分析思路.通过分析整体模型得出膜结构建筑的主要薄弱位置在十字连接口处,并研究十字连接口模型得出膜结构建筑在不同温度、不同压强和不同气肋直径下应力场的分布特征,得出膜材的适用范围,为膜结构建筑制定产品标准提供研究思路.

目前建筑膜材广泛认可的分类标准是日本JISA-93C,规定膜材分3类———A、B、C[15] .本文中研究的3种膜材属于C类,如图1所示,1号膜材为膜结构建筑制造商提供,2、3号膜材为膜材制造企业提供.该膜材将PVC(polyvinyl chloride)涂在双向编织的PET(ethylene terephthalate)纤维上,PVC本身没有各项异性,PET纤维有各项异性,沿其排列方向增强,但由于双向编织,所以沿垂直与平行方向强度没有明显变化,故膜材各向同性.

JISA-93C膜材百富策略白菜网广泛,价格适中,易于加工,抗折叠性好,但其强度较低,弹性刚度较小,易老化,蠕变大,且自洁性差,用于临时结构、可折叠式薄膜结构.

膜材受力特征量包括:经纬向极限抗拉强度、拉伸断裂变形、荷载下的变形、膜片剥裂强度、粘着强度、焊缝强度以及经纬向弹性模量等.这些特征量主要通过单向拉伸和双向拉伸试验测量[16,17] .该膜材是各向同性的复合材料,在承受拉伸载荷过程中,一方面随着纤维断裂数的增加,最终导致膜材界面剪切破坏,另一方面随着拉伸载荷增大,纤维与胶面脱离,发生脱胶现象.

在四川大学高分子研究所开放平台上,利用RGL-10(深圳瑞格尔有限公司)力学性能测试仪对膜材进行拉伸试验,拉伸速度为50 mm/min,试验温度分别为30、40、60℃,样品宽度为10 mm,厚度为0.7±0.02 mm,测试采用的试样如图2所示.

由试验知膜材抗拉强度与温度的高低变化有密切关系.温度提高时,抗拉强度、弹性系数均相对降低;温度降低时,抗拉强度、弹性系数会提高,而温度低于0℃时发生脆裂现象.

膜材在不同温度下的抗拉强度如下表1所示.

由1号膜材抗拉强度与温度的散点图(图3)可知,其抗拉强度与温度的关系曲线呈线性变化.

为精确分析,采用分段曲线拟合,温度在20~40℃之间变化时,膜材的抗拉强度与温度的关系式为

即

式中:k为变化斜率;b为常数;t为温度.

温度在40~70℃之间变化时,膜材的抗拉强度与温度的关系式为

根据实验,膜结构建筑连接处的强度也符合线性变化,因变化率浮动较小,简化实验步骤,取值与上述变化率一致.

根据成品厂家提供的膜材在25℃时的焊缝强度2.5×103N/5 cm,即σj=71.43 MPa,各温度下的焊缝强度计算式分别为

20~40℃时,

40~70℃时,

由式(3)、(4)求出不同温度下的膜材抗拉强度如表2所示.

简化计算步骤,2、3号膜材不计算焊缝强度,由上述步骤求出膜材抗拉强度随温度分布如表3所示.

膜结构建筑制造商生产的某一批次产品易在高温下失效破裂,现在膜材强度已知的情况下,采用ANSYS软件进行结构有限元分析[18,19,20] ,分析膜结构建筑失效机理,可以快速计算膜结构建筑膜面应力分布,快速实现膜结构建筑的优化设计且能改进焊接工艺.

气肋式膜结构建筑的使用寿命与膜材、环境温度、载荷、膜结构气肋直径、空间跨度有密切相关,环境温度是导致膜材失效的重要因素.膜结构建筑所承受的载荷包括:自重、风载、雨载、雪载,载荷过大也导致膜结构建筑失效,载荷主要由气肋支撑.

一般情况下,气肋直径越大,膜内气压越高,所需膜材抗拉强度也越大,膜结构建筑的承载能力也越大,但在实际生产中还要考虑造价因素,要科学合理确定气肋直径、跨度、高度和膜内气压.

按膜结构建筑制造商提供的尺寸建立比例为1∶1的模型.简化焊缝搭接处的十字连接口模型,同时不考虑减压阀、固定索等影响较少的附件.

在SOLIDWORKS软件里建立三维模型,在ANSYS软件中导入需要分析的1/4几何模型(模型对称),利用ANSYS软件的参数化建模快速建立连接口模型,如图4所示

整体计算模型如图5所示.通过对整体模型的荷载分析,确定膜结构建筑的应力分布特征.选取1号膜材,气肋直径335 mm,膜材的密度2.89×10-9t/mm3,施加0.02 MPa正常工作载荷.

百富策略白菜网ANSYS软件分析得到25、70℃时该膜结构建筑等效应力云图(图6、7).

在膜内压和气肋直径保持不变的情况下,温度对膜面应力的影响较小.随着温度从20~70℃,膜结构建筑的等效应力云图基本一致,最大等效应力为53 MPa.在不考虑膜材安全系数的情况下,对比膜材焊缝的抗拉强度可知,该膜结构建筑工作环境温度应在65℃以下.

膜结构建筑的顶部为高温区,底部为低温区.在高温区,膜材的弹性模量和抗拉强度随着温度的升高而逐渐降低,当膜材的抗拉强度降低到与此处膜面应力接近甚至低于膜面应力时,膜材就会破裂.由图6、7可知,十字连接口应力集中位置应最先发生膜材失效破裂,与实际情况完全吻合.

为快速研究膜结构建筑在不同压强、温度及气肋直径下的失效机理,单独截取一段十字连接口处膜结构模型进行膜面应力分析.1号膜材考虑焊缝强度,2、3号膜材不考虑焊缝强度,直径取100~500 mm,内压分别取0.018、0.020、0.022 MPa.

首先分析25℃、直径335 mm膜结构建筑的失效情况.通过编制十字连接口处模型的APDL建模仿真程序,快速分析出不同压强下的等效应力云图(图8、9).

由图8、9可知,接口处最大等效应力分别为48.14、53.49、58.84 MPa.重复上述步骤可得出在不同温度、不同压强和不同直径条件下膜结构建筑膜面最大应力分布表,根据最大分布表绘制出不同压强、直径下膜面应力变化趋势图,如图10所示.

由图10得出1号膜材在不同压强下的适用范围,如图11所示.

膜结构建筑在使用时,假设安全阀和风机正常工作,膜内气压恒定在0.02 MPa.重复上述步骤求出2、3号膜材所组成的膜结构建筑在正常工作内压下的适用范围,如图12所示.

气肋式膜结构建筑的初始应力主要靠内外压差形成,选取膜面的初始应力是膜结构设计的关键,由日本《专业膜结构建筑技术规范》[21] 可知:

(1)膜面内的长期应力不应大于膜材容许应力的1/8,膜面内的短期应力不应大于膜材容许应力的1/4.

(2)膜结构的空间曲面是由多块平面膜材拼接而成,溶合处的接缝达不到膜材的容许应力,会先于膜材破坏.因此膜材的容许应力需要折减,即

式中:n为裁剪片的数量;Fm为折减后膜材的容许应力;F'为焊缝强度.

(3)膜结构初始应力(膜面预应力与膜材厚度的乘积)一般应在1.5~3.0 k N/m之间.

由上述可以确定本次研究膜材的最小安全系数α=4,膜材的裁剪片数为2,得到膜面应力为

(1)在膜结构建筑气肋直径和内压不变的条件下,随着温度25~70℃变化,膜面应力几乎不变;在膜结构建筑气肋直径和温度不变的条件下,随着内压从0.018~0.022 MPa变化,膜面应力逐渐加大;在膜结构建筑内压和温度不变的条件下,随着气肋直径增大,膜面应力也逐渐增大.

(2)在直径为335 mm时,1号膜材建成的膜结构建筑来说,随着内压从0.018~0.022 MPa变化,膜面最大应力在47.70~58.31 MPa范围内.加大了膜材的负荷,在不考虑安全系数的情况下,膜材的适用温度在70~56℃以下.

(3)膜材组成的十字连接口膜结构膜面应力远远大于折减后膜材容许应力的1/4,这导致建筑在短期内可以正常工作,但如果长期的超负荷工作膜材容易出现老化,强度降低,从而导致接口破裂.如果要想长期使用该膜材的建筑,必须提高膜材的抗拉强度,以及焊缝强度,或者减少气肋直径及内压.