作为一种高分子复合材料, 膜材具有明显的非线性和粘弹性, 其强度、变形、应力应变关系受温度、湿度和老化等因素影响, 其中温度影响较为显著, 膜材焊缝和膜边节点等具有相似影响特性, 但目前国内外膜结构设计关于温度影响研究较少, 且在工程设计中无指导性原则.

建筑膜材和对应焊缝在常温下力学性能研究较多, 且在规程有较明确规定.陈务军[1]详细介绍了膜材及其力学和建筑特性, 规程明确了膜材设计的基本规定和检查方法[2,3], 赵大鹏等[4]测试了PVDF涂层高强1302膜材和焊接常温力学特性, 卫东等[5]测试了1202膜材常温力学特性, 张营营等[6]测试了PTFE涂层玻璃纤维膜材特性, 陈务军等[7]测试了ETFE和PTFE/GF膜材, 陈务军等[8]测试了系列PVC膜材和节点常温力学特性, 张营营等[9]测试了PVC膜材和焊缝75mm受温度影响, 但对焊缝其他宽度、膜边节点未研究.本文以Ferrari 1002S膜材作为研究对象, 结合工程研究了在高温下PVDF膜材、焊缝以及膜边铝合金型材节点的性能, 对膜结构设计具有参考价值.

鉴于膜材力学性能受温度影响较大, 在实际工程设计中, 高温影响应尤为重视.我国南方夏季最高气温达约40℃, 由于太阳直射膜材表面温度常高达60℃, 这将显著影响膜材性能, 因此, 研究高温对于膜材、焊缝、膜边节点力学性能的影响很有必要.

以Ferrari 1002S膜材为试验研究对象, 表1为膜材基本性能参数.试验分三组.试验1:考虑高温对膜材母材的影响, 在常温和70℃下测试母材经纬向强度特性;试验2:考虑高温对膜材焊接节点的影响, 测试70℃条件下膜材焊缝节点的经纬向强度特性, 搭接宽度为40mm、75mm;试验3:考虑高温对膜边铝合金型材边节点的影响, 检验70℃条件下膜材焊缝边节点的经纬向强度特性, 搭接宽度为40mm.

母材试件制作参照规程[3].试件长度L=300mm (误差小于1mm) , 宽度B=50mm (误差小于0.5mm) , 有效长度L0=200mm (误差小于1mm) .焊缝试件的焊接方法采用高频焊接, 试件中间的搭接区域达到工业标准, 保证熔透、均匀、勿焦, 熔接焊缝宽度误差小于1mm.膜边节点采用铝合金型材节点如图1, 膜边埋边绳 (Φ12尼龙绳) , 卷边搭接焊, 焊缝宽40mm, 铝合金型材为6061-T6, 一边为边绳滑槽, 一边为U型槽连接螺栓, 为较好模拟膜边节点受力, 采用两组型材膜边节点背靠背, 中间连两个螺栓, 外连接膜边.本试验试件总共38件, 母材试件20件, 焊缝节点试件12件, 边节点试件6件.

试验采用AG-X/250试验机, 该机具有高低温功能, 具有高精度, 误差小于2N.在23℃常温试验环境以及70℃的高温环境下, 采用单向拉伸试验测试Ferrari 1002S膜材的母材、焊缝和膜边铝合金型材节点的强度特性和破坏形式.三组试验采用常速拉伸方法 (CRT) 进行加载, 拉伸速度均为100mm/min.

常温试验将试件正确安装后即开始试验.高温试验:将所有试件放入加热箱, 对试件加热到70℃, 保持20min.然后逐次进行拉伸试验, 在每次更换新试件后, 再将试件加热到70℃, 保持5min, 最后常速加载试验.在进行膜边铝合金型材节点试验时, 为了保证试验的准确性并与实际工程情况一致, 对铝合金型材也进行预热.

在试验中, 试件先预紧, 然后逐渐被拉伸长, 变形慢慢变大直至最后横向断裂.试件的变形首先呈现近似线性变化;随后出现斜率较小的曲线, 即试件强度有所下降;再接着出现斜率较大的曲线且接近线性, 即试件强度有所强化.最后断裂面破坏形态由于温度的影响也不尽相同.

试验后取出试件, 观察试件夹持端部, 如果在试件的钳口处出现不对称滑移且滑移量大于2mm时, 舍弃该试件取值.如果试件在距离钳口5mm以内断裂, 则作为钳口断裂.如果钳口断裂的值大于最小非钳口断裂的“正常值”, 可以保留;如果小于最小的“正常值”, 应当舍弃.

试验1分别测试了Ferrari 1002S膜材母材在23℃和70℃条件下的力学特性, 23℃和70℃试验试件破坏形态如图2、图3, 23℃和70℃试验强度曲线如图4、图5.图中, 为便于显示同组强度曲线之间的比较, 各曲线之间增加1%的相对偏移量 (后文同) .试验数据见表2.

在23℃下膜材的破坏形态基本一致, 由图2可以看出, 为单纯的纤维被拉断而破坏, 其特征是纤维均在同一位置断裂, 断口平整, 与加载方向垂直.由图3看出, 在70℃时, 由于高温的影响, 膜材纤维不在同一截面处破坏, 且断口不严格垂直于加载方向.

表2中的强度均已转化为强力.在23℃时经向试件破坏平均强度为82.44kN/m, 纬向破坏平均强度为83.90kN/m, 高于其经向强度.在70℃高温情况下, 经向破坏强度为70.55kN/m, 纬向破坏强度为63.09kN/m.在高温时, 母材的经向强度为常温情况的85.58%, 而纬向强度仅为常温的75.20%.同时膜材在断裂时候的伸长量也有明显的增加.因为, 膜材是高分子聚合物, 膜材的基布纤维是聚酯纤维, 这种高分子复合材料随着温度的升高, 分子运动增强, 分子与分子之间的分子键能减弱, 就会产生“软化”的效果.因此, 在高温条件下, 膜材的“柔性”增加, 导致膜材的破坏强度减弱;相反地, 破坏伸长量增加.当温度下降为常温时, 膜材分子运动减弱, 分子键的作用增强, 使得膜材的“刚性”增加, 破坏强度上升, 破坏的伸长量减小.

张营营等[9]对膜材温度特性的研究表明, 随温度升高膜材强度下降呈线性, 因此以23℃和70℃的膜材强度建立线性关系表达式:

经向:

纬向:

式中, fu是抗拉强度 (kN/m) ;T是温度 (℃) .

膜材的常温强度大于其高温强度, 高温会使膜材的经纬向强度明显降低, 而且降低的幅度并不一样.由式 (1) 和式 (2) 线性关系表达式看出, 对于Ferrari 1002S这种膜材, 70℃高温时, 纬向强度降低的幅度大于经向强度降低的幅度, 经向强度降低14.42%, 纬向强度降低24.80%.因此, 高温下膜材强度的下降不可忽略.

试验2测试了Ferrari 1002S膜材搭接焊缝节点在70℃条件下的力学特性, 焊缝的搭接宽度为40mm和75mm.40mm焊缝和75mm焊缝试件破坏形态如图6、图7, 强度曲线如图8、图9.试验数据见表3.

由图6和图7可以看出, 在70℃下, 40mm焊缝和75mm焊缝的经纬向膜材的破坏形态不一致.对于经向试件, 两种焊缝宽度试件的破坏形态均为表面聚合物涂层和基材的“剥离破坏”, 即粘结破坏, 试件的纵向纤维并未被拉断, 表面涂层被剥下, 与基布纤维分离.由表3中数据可以看出, 40mm焊缝经向试件的平均破坏强度为50.22kN/m, 仅为母材强度的71.18%;而75mm焊缝经向试件的平均破坏强度为62.80kN/m, 仅为母材强度的89.01%.根据膜结构技术规程规定, 膜材热合处的拉伸强度应不低于母材强度的80%.在这种破坏形态下, 40mm的经向试件焊接宽度远不能达到规程的要求, 75mm的焊接宽度则能达到规程所规定的强度要求.

对于纬向试件, 40mm焊缝和75mm焊缝的试件均未产生焊缝处“剥离破坏”形态.这种纬向的焊缝破坏处均为焊缝附近或者焊缝外的母材破坏, 根据表3数据可以看出, 40mm焊缝纬向试件的平均破坏强度为64.90kN/m, 75mm焊缝纬向试件的平均破坏强度为67.61kN/m, 均与其母材强度一致.也就是说, 在70℃的高温下, 纬向焊缝的强度与母材的强度一致.

40mm焊缝在常温下的试验抗拉强度:经向78.66kN/m、纬向93.48kN/m, 可建立强度与温度的线性表达式:

经向:

纬向:

式中, fu是抗拉强度 (kN/m) ;T是温度 (℃) .

由式 (3) 、 (4) 可知, 两直线斜率接近, 说明焊缝强度随温度升高呈线性降低, 且经纬向变化率一致.

虽然随温度升高经纬向焊缝强度下降幅度一致, 但两种破坏形态说明高温对于经向、纬向焊缝试件的影响不尽一样.比较相同温度下的母材试验, 经向焊缝强度明显下降, 而纬向焊缝强度并未下降, 即焊缝强度与母材强度一致.

试验3测试了Ferrari 1002S膜边节点在70℃条件下的力学特性, 焊缝的热合宽度为40mm.试件破坏形态如图10, 强度位移曲线如图11.试验数据见表4.

从图10看出, 在70℃下, 40mm焊缝膜边节点的经向和纬向试件的破坏形态较为一致, 均为焊缝以外的膜材母材破坏.铝合金型材及螺栓均正常工作, 尼龙绳边也正常工作, 挤压形变在正常范围之内, 未被拉出铝合金型材导槽.在靠近尼龙绳一侧的焊缝完好无损, 未产生上下撕裂的情况.图11中的曲线起始段斜率较小, 尼龙绳在受力的开始由于受到挤压而产生了形变, 故在拉力不是很大的时候就产生了较大的形变.由表4中数据得出, 40mm焊缝宽度的经向膜边节点试件的平均破坏强度为76.08kN/m, 纬向膜边节点的平均破坏强度为72.12kN/m, 两者的破坏形态一致, 而且破坏强度接近.

然而, 其破坏强度高于同条件下母材的破坏强度, 是由于试验时留出的有效长度L0偏小导致.在进行本组试验时, 为了模拟实际工程的边节点情况, 在两夹具中间加入了一个模拟实际边界节点的铝合金型材.本试验的试件有效长度为20cm, 铝合金型材的总长度为10cm, 上侧用于固定的夹持端留出1cm, 而下侧试件的有效长度的仅为9cm, 并且焊缝宽度为4cm, 故焊缝至夹具仅有5cm.有效长度的减小, 导致了破坏强度的偏大.但是从破坏形态看出, 破坏均为母材破坏而非焊缝破坏, 这说明40mm焊缝宽度的膜边节点不先于母材破坏.

(1) Ferrari 1002S膜材对于温度的影响较为敏感, 在工程设计中, 考虑到夏季高温的影响, 膜材强度在高温条件下宜考虑一定的温度折减系数.由本试验可以得出的温度折减系数为75%.

(2) 在高温条件下, Ferrari 1002S膜材的焊接节点经纬向强度差异较大.纬向焊接宽度取40mm即可满足规程要求, 而经向焊接宽度需达到75mm以上.

(3) 在高温条件下, Ferrari 1002S膜材的40mm宽焊缝的膜边节点可满足强度要求.

(4) 不同膜材的母材、焊缝和膜边节点的强度性能与工程实际受力有关, 重要工程可根据受力并结合试验确定相应的参数.

本文针对Ferrari 1002S膜材进行了常温高温条件下的母材试验、高温条件下的焊缝试验和膜边节点试验, 得出了符合工程实际的数据, 提出了高温对该膜材的影响系数, 确定了高温情况下经纬向焊缝的焊接宽度, 并且检验了高温情况下膜边节点的强度性能, 对膜结构工程设计具有参考价值.