科创中国

采矿业

一、项目背景

膜结构在我国的应用已有十余年的历史，在这期间，我国在膜结构的计算与设计理论、制作与工程实践方面取得了长足的进步，并编制出版了设计与检测技术规程。目前，国内已经具备了针对大型工程自行进行计算、设计、制作、安装、检测与监测等各项工作的能力。但是，相对而言，针对膜结构材料本构关系及基本材料性能等基础研究方面的工作十分薄弱。膜面作为结构的一部分，大都暴露在空气中，其不可避免地要受到风荷载的作用，风荷载对膜结构的作用主要表现为循环荷载作用。这必然会使膜材产生残余变形，减小膜材原有的预张力，影响到膜材的使用。尤其对于张拉膜结构体系，预张力是膜面成形并具备整体刚度的必要条件，预张力的损失亦会给结构安全性造成影响，轻者局部膜面出现褶皱，重者使结构丧失整体刚度而破坏。因此研究建筑膜材料在循环应力下的应力应变变化规律等，是确定膜材强度设计值、膜结构裁剪缩小率、张力调节装置等的重要前提。

二、成果内容

本项目结合几种常用的黏弹性本构关系模型与第一循环拉伸试验结果进行了对比分析，得到的分析结果如图2所示。其中，图中方形符号曲线为采用Maxwell模型对膜材在第一循环拉伸下本构行为的预测结果，圆形符号曲线为采用Kelvin模型的预测结果，三角形符号曲线为采用Burgers模型的预测结果。结果表明：由于涂层织物类膜材复杂的内部结构，具有明显的非线性、非弹性、各向异性以及黏弹性等特性，现有模型不能对涂层织物类膜材的黏弹性行为做出良好的预测，预测结果和试验结果相差比较大。

三、经济效益

本成果适用于涂层织物类膜材在复杂受力状态下黏弹性本构行为分析，采用单轴循环拉伸试验方法进行拉伸试验，将膜材按某一速率拉伸至最大应力，再以相同的速率卸载至0，如此循环直至达到稳定。膜材具有明显的非线性和黏弹性，加载、卸载曲线形成滞回环，膜材残余应变比较大。与现有常用黏弹性本构关系模型相比，本发明能够准确预测涂层织物类膜材在循环荷载拉伸下的应力应变关系，合理选取参数对涂层织物类膜材的弹性、黏性相互关系进行修正调整，真实反映膜材的瞬时弹性变形，可恢复黏性变形和不可恢复的黏性变形，有效解决了现有模型在描述涂层织物膜材在复杂受力状态下黏弹性本构关系时出现的较大误差。其方法简单、操作方便，预测结果准确，有效弥补了目前大部分涂层织物类膜材黏弹性本构关系模型存在的问题。