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建筑膜材料和膜结构的力学性能研究与应用

李阳  
【摘要】: 膜结构自诞生至今只有短短50年左右的时间,但以其丰富多变的建筑造型、轻盈通透的结构特性迅速发展成为大跨度空间结构领域重要的组成部分。无论是材料性能还是结构性能,膜结构都与传统的建筑结构有很大的差别;但国内在该领域的研究仍相对滞后,并已经成为制约国内膜结构行业健康发展的主要因素之一。 本文以建筑膜材料和膜结构的力学性能为主要研究内容,以涂层织物类膜材为主要研究对象,在膜材料的基本力学特性、强度指标、工程常数以及膜结构单元的连接性能和膜面张力检测技术的研究与应用等方面进行了系统研究。 本文对建筑膜材料的构成与分类以及建筑物理性能进行了系统阐述,并通过试验研究重点分析了建筑膜材料非线性、非弹性、各向异性以及粘弹性四大基本力学特性。 本文重点研究建筑膜材料的抗拉强度和撕裂强度两大基本强度指标。通过试验研究,确定了合理的强度指标试验方法;积累了一定数量的试验数据,并通过偏度-峰度检验法验证了膜材的强度指标均符合正态分布;确定了几类常用涂层织物类膜材的强度值。 本课题完成了膜结构、膜材料力学性能试验装置的研制,包括膜材双轴拉伸试验机以及面内纯剪试验装置等。在此基础上,通过有限元分析并结合国外先进的试验方法,确定了建筑膜材弹性常数的试验方法——十字形试件双轴比例拉伸法以及建筑膜材剪切模量的试验方法——面内纯剪试验法;测定了几类常用涂层织物类膜材的弹性模量、泊松比以及剪切模量,确定了其本构关系。 以热合、粘合的膜-膜节点以及压板、U型夹连接的膜-刚性边界节点等几类膜单元连接形式为主要研究对象,本文分析了几类节点不同的破坏模式,明确了不同节点形式的传力机理;设计并完成了不同节点参数的膜-刚性边界节点正交性试验,研究了各参数水平对节点连接性能的影响,确定了合理的节点参数水平和连接强度水平。 最后,本文在课题组前期研究的基础上,改进、完善了膜材张力测量仪,并应用于多项膜结构工程中,评定膜结构张拉施工质量。 本课题研制的试验设备以及整理归纳并经试验验证的试验方法构成了上海市工程建设规程《膜结构检测技术规程》的主要内容;本课题在建筑膜材料和膜结构力学性能方面的研究成果为膜结构的精确计算、合理设计、科学施工以及安全性能评价提供了技术支持。


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