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2024年 第39卷 第2期
2024, 39(2): 1-19.
doi: 10.3724/j.gjgS23080101
摘要
PDF (20564KB)
摘要:
织物膜材因其轻质、高强、耐候性及加工运输便捷等优势，广泛应用于公共建筑、应急救援、航空航天、工业及军事等领域。近年来，为精确分析织物膜结构并推动其在不同领域应用，织物膜材的力学性能成为研究焦点。为此采用CiteSpace对国内外20余年的相关文献进行深入分析，通过可视化知识图谱阐述了织物膜结构研究热点的演化进程，并系统分析了织物膜材测试方法、力学性能及宏-细观本构模型等方面的研究进展。梳理发现国内膜结构的早期研究主要集中在结构找形和静力分析，随着膜结构在我国不同领域的深入运用，相关研究逐渐扩展到材料的本构模型、强度准则、结构风致灾变等方面： 1)织物膜材的拉伸性能与其细观结构、基布编织工艺、涂层工艺及纤维类型等多种因素相关，呈现典型的各向异性，其抗拉强度随偏轴角度的增加呈现“U”型和“W”型两种变化特征。2)双轴剪切测试法可使得试件核心区域的剪应力呈均匀分布，目前被广泛应用于膜材剪切性能测试。3)膜材撕裂强度受测试方法的影响显著，现有研究多集中在材料撕裂性能上，初始缺陷对膜结构的静、动力学性能的影响机理需进一步明确。4)目前关于膜结构连接部位的研究多集中在膜片与膜片热合连接试件的面内拉伸性能上，忽略了面外荷载下连接部位易出现的剥离破坏。5)织物膜材本构模型分为细观机理模型与宏观唯象模型，现有的宏观模型基本实现了膜材非线性、非弹性、黏弹性等力学特征的描述，细观模型多注重拉伸刚度预测，缺乏对抗拉强度预测的相关研究。织物膜材的研究目前已取得长足发展，但一些方面仍需进一步研究： 1)现阶段织物膜材分类依据单调，未考虑预定用途和特性差异，有必要对其分类依据进一步细化和完善。2)撕裂破坏是膜结构的主要破坏模式，但现行设计规范中并没有得到充分的体现。3)面内拉伸试验难以反映膜材热合区域真实的应力状态、力学性能和失效模式，热合焊接工艺对拼接膜材性能的影响机理有待研究。4)目前关于织物膜材以及连接部位的疲劳性能研究极少，膜材的疲劳损伤机理尚未明确。
织物膜材因其轻质、高强、耐候性及加工运输便捷等优势，广泛应用于公共建筑、应急救援、航空航天、工业及军事等领域。近年来，为精确分析织物膜结构并推动其在不同领域应用，织物膜材的力学性能成为研究焦点。为此采用CiteSpace对国内外20余年的相关文献进行深入分析，通过可视化知识图谱阐述了织物膜结构研究热点的演化进程，并系统分析了织物膜材测试方法、力学性能及宏-细观本构模型等方面的研究进展。梳理发现国内膜结构的早期研究主要集中在结构找形和静力分析，随着膜结构在我国不同领域的深入运用，相关研究逐渐扩展到材料的本构模型、强度准则、结构风致灾变等方面： 1)织物膜材的拉伸性能与其细观结构、基布编织工艺、涂层工艺及纤维类型等多种因素相关，呈现典型的各向异性，其抗拉强度随偏轴角度的增加呈现“U”型和“W”型两种变化特征。2)双轴剪切测试法可使得试件核心区域的剪应力呈均匀分布，目前被广泛应用于膜材剪切性能测试。3)膜材撕裂强度受测试方法的影响显著，现有研究多集中在材料撕裂性能上，初始缺陷对膜结构的静、动力学性能的影响机理需进一步明确。4)目前关于膜结构连接部位的研究多集中在膜片与膜片热合连接试件的面内拉伸性能上，忽略了面外荷载下连接部位易出现的剥离破坏。5)织物膜材本构模型分为细观机理模型与宏观唯象模型，现有的宏观模型基本实现了膜材非线性、非弹性、黏弹性等力学特征的描述，细观模型多注重拉伸刚度预测，缺乏对抗拉强度预测的相关研究。织物膜材的研究目前已取得长足发展，但一些方面仍需进一步研究： 1)现阶段织物膜材分类依据单调，未考虑预定用途和特性差异，有必要对其分类依据进一步细化和完善。2)撕裂破坏是膜结构的主要破坏模式，但现行设计规范中并没有得到充分的体现。3)面内拉伸试验难以反映膜材热合区域真实的应力状态、力学性能和失效模式，热合焊接工艺对拼接膜材性能的影响机理有待研究。4)目前关于织物膜材以及连接部位的疲劳性能研究极少，膜材的疲劳损伤机理尚未明确。
2024, 39(2): 20-29.
doi: 10.3724/j.gjgS23072902
摘要:
气肋式膜结构是一种采用高压气肋作为支承体系的充气膜结构，通过将多根气肋连接成整体的方式创造出使用空间，具有轻质便携、可快速运输、低耗能、安全可靠等优点。为满足跨度大、承载性能强的要求，国内外学者对此进行了充分的研究，气肋式膜结构得到了广泛的应用和发展，成为国内外众多城市的象征性建筑。为此，首先对气肋式膜结构的结构形式进行了综述，概述了气肋内压的作用和设计要求，简述了工程应用中的设计内压，概括了使用性能监测手段和失效性能研究方法。随后对气肋式膜结构工程应用案例进行了归纳，此种结构形式已广泛应用于展览馆、运动场所、实验室、充气机库、存储仓库等实际工程项目中。在大跨度气肋式膜结构建筑中，索笼绑带型气肋式膜结构提供了一种有效的方法来连接多根气肋使其形成整体。绑带式连接可以通过增加绑带布置提高单根气肋的承载能力以及气肋之间的协同工作能力，着重介绍了索笼绑带型气肋式膜结构的结构特点和BUILDAIR公司采用索笼绑带型气肋式膜结构建设的大型飞机机库工程应用。最后对索笼绑带型气肋式膜结构工程应用中的气肋直径与结构跨度的关系进行了统计分析，结果表明，在大部分索笼绑带型气肋式膜结构工程案例中气肋直径与结构跨度的比值约为1/10，但具体气肋直径的选取，还需根据实际的工程条件通过设计分析后确定。
气肋式膜结构是一种采用高压气肋作为支承体系的充气膜结构，通过将多根气肋连接成整体的方式创造出使用空间，具有轻质便携、可快速运输、低耗能、安全可靠等优点。为满足跨度大、承载性能强的要求，国内外学者对此进行了充分的研究，气肋式膜结构得到了广泛的应用和发展，成为国内外众多城市的象征性建筑。为此，首先对气肋式膜结构的结构形式进行了综述，概述了气肋内压的作用和设计要求，简述了工程应用中的设计内压，概括了使用性能监测手段和失效性能研究方法。随后对气肋式膜结构工程应用案例进行了归纳，此种结构形式已广泛应用于展览馆、运动场所、实验室、充气机库、存储仓库等实际工程项目中。在大跨度气肋式膜结构建筑中，索笼绑带型气肋式膜结构提供了一种有效的方法来连接多根气肋使其形成整体。绑带式连接可以通过增加绑带布置提高单根气肋的承载能力以及气肋之间的协同工作能力，着重介绍了索笼绑带型气肋式膜结构的结构特点和BUILDAIR公司采用索笼绑带型气肋式膜结构建设的大型飞机机库工程应用。最后对索笼绑带型气肋式膜结构工程应用中的气肋直径与结构跨度的关系进行了统计分析，结果表明，在大部分索笼绑带型气肋式膜结构工程案例中气肋直径与结构跨度的比值约为1/10，但具体气肋直径的选取，还需根据实际的工程条件通过设计分析后确定。
2024, 39(2): 30-42.
doi: 10.3724/j.gjgS23051902
摘要:
加筋高透膜材(STFE)是一种新型的高透明度建筑膜材，它具有涂层织物膜材高抗拉强度、高撕裂强度的特点以及聚合物膜材高透明度的特点，适用于需要透明效果的张拉膜结构中。作为一种新式进口膜材，要在国内建筑结构设计中得到应用，首先要依据国内标准对其进行力学性能的检测。根据DG/TJ 08-2019—2019《膜结构检测标准》对STFE膜材进行了共6项力学性能测试：抗拉强度与断裂延伸率、撕裂强度、弹性模量与泊松比、剪切模量、徐变延伸率、连接强度。试验测得STFE膜材经向抗拉强度为4 241 N/(5 cm)，纬向抗拉强度为4 335 N/(5 cm)；经向撕裂强度为809 N，纬向撕裂强度为873 N；经向弹性模量为1 512 kN/m，纬向弹性模量为2 352 kN/m；剪切模量为30.5 kN/m；经向徐变延伸率为0.85%，纬向徐变延伸率为0.73%；室温条件下膜片与膜片之间的连接强度可以达到主材的100%。为明确STFE膜材的应用场景，介绍了目前该膜材在国内外一些新建建筑与建筑改造项目中的应用，包括伊斯坦布尔国际机场人行通道、巴黎2024奥运大皇宫临时场馆、伦敦Brent Cross车站过道天幕、伦敦皇家骨科医院休息屋面改造、墨尔本Mpavilion景观亭、佛山博爱湖公园景观遮阳亭。张拉膜结构中，焊接节点是重要的组成部分，介绍了该类膜材在结构中高频焊接的各类节点形式，包括膜-膜焊接连接、膜-索连接、与其他涂层织物膜材的焊接、螺枪夹板等机械连接方式等。通过对STFE膜材力学参数的测定与对膜材在结构中应用与节点做法的简单介绍，为该类膜材在国内的应用和推广提供一定的参考。
加筋高透膜材(STFE)是一种新型的高透明度建筑膜材，它具有涂层织物膜材高抗拉强度、高撕裂强度的特点以及聚合物膜材高透明度的特点，适用于需要透明效果的张拉膜结构中。作为一种新式进口膜材，要在国内建筑结构设计中得到应用，首先要依据国内标准对其进行力学性能的检测。根据DG/TJ 08-2019—2019《膜结构检测标准》对STFE膜材进行了共6项力学性能测试：抗拉强度与断裂延伸率、撕裂强度、弹性模量与泊松比、剪切模量、徐变延伸率、连接强度。试验测得STFE膜材经向抗拉强度为4 241 N/(5 cm)，纬向抗拉强度为4 335 N/(5 cm)；经向撕裂强度为809 N，纬向撕裂强度为873 N；经向弹性模量为1 512 kN/m，纬向弹性模量为2 352 kN/m；剪切模量为30.5 kN/m；经向徐变延伸率为0.85%，纬向徐变延伸率为0.73%；室温条件下膜片与膜片之间的连接强度可以达到主材的100%。为明确STFE膜材的应用场景，介绍了目前该膜材在国内外一些新建建筑与建筑改造项目中的应用，包括伊斯坦布尔国际机场人行通道、巴黎2024奥运大皇宫临时场馆、伦敦Brent Cross车站过道天幕、伦敦皇家骨科医院休息屋面改造、墨尔本Mpavilion景观亭、佛山博爱湖公园景观遮阳亭。张拉膜结构中，焊接节点是重要的组成部分，介绍了该类膜材在结构中高频焊接的各类节点形式，包括膜-膜焊接连接、膜-索连接、与其他涂层织物膜材的焊接、螺枪夹板等机械连接方式等。通过对STFE膜材力学参数的测定与对膜材在结构中应用与节点做法的简单介绍，为该类膜材在国内的应用和推广提供一定的参考。
2024, 39(2): 43-49.
doi: 10.3724/j.gjgS23051801
摘要:
为满足建筑设计要求，有色ETFE薄膜被研制并应用于现代大型公共建筑。然而，作为一种新材料，有色ETFE薄膜的性能研究相对有限，特别是ETFE薄膜典型的光热性能特征。从实际工程应用出发，代表性地以成都农博园所采用的9种有色ETFE薄膜和1种无色透明ETFE薄膜为试验对象，对其透光性能和热工性能进行试验测试。首先使用紫外-可见-近红外分光光度计测量试验薄膜在太阳辐射波段内的透射率和反射率，通过对比有色ETFE薄膜与无色透明ETFE薄膜太阳辐射曲线的走势和波动，分析了有色ETFE薄膜与无色透明ETFE薄膜的透光性能和热辐射性能在太阳光波段内的变化，计算并获得了试验薄膜的可见光透过率和太阳辐射系数。采用激光散射法测试试验薄膜的热传导性能，计算得到室温条件下试验薄膜的导热系数和热阻。总结不同颜色ETFE薄膜的光热性能参数变化规律，并与无色透明ETFE薄膜进行比较，结果发现： 1)在紫外光区，有色ETFE薄膜的透射率和反射率均处于较低水平(合计不超过30%)，有色ETFE薄膜对紫外线的吸收能力强，实际使用中应注意有色ETFE薄膜的老化问题。2)有色ETFE薄膜的可见光透过率和太阳辐射透射系数均低于无色透明ETFE薄膜，导热系数略低于无色透明ETFE薄膜，太阳辐射吸收系数及相同厚度下的薄膜热阻均大于无色透明ETFE薄膜。3)影响有色ETFE薄膜可见光透过率、太阳辐射系数的主要因素是薄膜颜色的深浅，薄膜颜色越浅，其可见光透过率越大，太阳辐射透射系数越大，吸收系数越小；随着薄膜颜色加深，薄膜对太阳光的吸收能力逐渐增加，透射系数和反射系数相对处于较低水平。4)影响有色ETFE薄膜热阻的主要因素是薄膜厚度；相同厚度下，有色ETFE薄膜热阻高出无色透明ETFE薄膜7%~14%。研究结果表明，使用有色ETFE薄膜作为建筑围护结构，能增加围护结构对太阳辐射的反射和吸收作用，并在一定程度上阻挡热量传导，减少室内光照过度及夏季过热问题。
为满足建筑设计要求，有色ETFE薄膜被研制并应用于现代大型公共建筑。然而，作为一种新材料，有色ETFE薄膜的性能研究相对有限，特别是ETFE薄膜典型的光热性能特征。从实际工程应用出发，代表性地以成都农博园所采用的9种有色ETFE薄膜和1种无色透明ETFE薄膜为试验对象，对其透光性能和热工性能进行试验测试。首先使用紫外-可见-近红外分光光度计测量试验薄膜在太阳辐射波段内的透射率和反射率，通过对比有色ETFE薄膜与无色透明ETFE薄膜太阳辐射曲线的走势和波动，分析了有色ETFE薄膜与无色透明ETFE薄膜的透光性能和热辐射性能在太阳光波段内的变化，计算并获得了试验薄膜的可见光透过率和太阳辐射系数。采用激光散射法测试试验薄膜的热传导性能，计算得到室温条件下试验薄膜的导热系数和热阻。总结不同颜色ETFE薄膜的光热性能参数变化规律，并与无色透明ETFE薄膜进行比较，结果发现： 1)在紫外光区，有色ETFE薄膜的透射率和反射率均处于较低水平(合计不超过30%)，有色ETFE薄膜对紫外线的吸收能力强，实际使用中应注意有色ETFE薄膜的老化问题。2)有色ETFE薄膜的可见光透过率和太阳辐射透射系数均低于无色透明ETFE薄膜，导热系数略低于无色透明ETFE薄膜，太阳辐射吸收系数及相同厚度下的薄膜热阻均大于无色透明ETFE薄膜。3)影响有色ETFE薄膜可见光透过率、太阳辐射系数的主要因素是薄膜颜色的深浅，薄膜颜色越浅，其可见光透过率越大，太阳辐射透射系数越大，吸收系数越小；随着薄膜颜色加深，薄膜对太阳光的吸收能力逐渐增加，透射系数和反射系数相对处于较低水平。4)影响有色ETFE薄膜热阻的主要因素是薄膜厚度；相同厚度下，有色ETFE薄膜热阻高出无色透明ETFE薄膜7%~14%。研究结果表明，使用有色ETFE薄膜作为建筑围护结构，能增加围护结构对太阳辐射的反射和吸收作用，并在一定程度上阻挡热量传导，减少室内光照过度及夏季过热问题。
2024, 39(2): 50-57.
doi: 10.3724/j.gjgS23051802
摘要:
气承式膜结构是典型的风敏感结构，在风荷载作用下膜面会产生较大变形，抗风问题是制约膜结构发展的重要因素。为了研究矩形平面气承式膜结构的风荷载特性，设计并制作了6个不同的刚性模型，利用尖劈、粗糙元和锯齿挡板对A、B、C共3类地貌进行模拟，在大气边界层风洞中进行了矩形平面气承式膜结构刚性模型测压试验，分析了风向、矢跨比、长宽比以及地面粗糙度等因素对结构表面平均风压分布的影响，并计算了结构在不同风向角下的风力系数。基于风洞试验获得的风荷载数据，在有限元软件ABAQUS中对原型尺寸的矩形平面气承式膜结构进行了风振响应分析，膜面选用M3D4R单元建模，拉索选用T3D2单元建模，研究了不同风向角下结构的平均风响应特性，总结了风荷载作用下膜面的位移及应力分布规律，确定了出现位移极值及应力极值的位置，最后提出了适用于矩形平面气承式膜结构的风荷载体型系数分区方案，并给出了不同分区的建议取值。研究表明：矩形平面气承式膜结构的平均风压系数受风向和结构长宽比的影响较大，受地面粗糙度影响较小；长宽比越小，上吸区的风压越小；随矢跨比增加，迎风区正风压系数增加，上吸区负风压减小； 0°风向角下矩形平面气承式膜结构的风力系数最大； 0°及45°风向角下，矩形平面气承式膜结构的迎风面及顶部变形较大，90°风向角下迎风面变形较大而顶部变形较小； 0°及90°风向角下，结构两侧与中部连接的凸起部位应力较大，45°风向角下迎风面拐角处出现明显褶皱并伴随应力集中； 0°风向角下位移及应力均最大，90°风向角下位移及应力均最小；建议0°和90°风向角下矩形平面气承式膜结构风荷载体型系数采用5分区形式，45°风向下采用7分区； 0°及90°风向角下结构分区风荷载体型系数受矢跨比影响明显，45°风向下结构分区风荷载体型系数受长宽比影响明显。
气承式膜结构是典型的风敏感结构，在风荷载作用下膜面会产生较大变形，抗风问题是制约膜结构发展的重要因素。为了研究矩形平面气承式膜结构的风荷载特性，设计并制作了6个不同的刚性模型，利用尖劈、粗糙元和锯齿挡板对A、B、C共3类地貌进行模拟，在大气边界层风洞中进行了矩形平面气承式膜结构刚性模型测压试验，分析了风向、矢跨比、长宽比以及地面粗糙度等因素对结构表面平均风压分布的影响，并计算了结构在不同风向角下的风力系数。基于风洞试验获得的风荷载数据，在有限元软件ABAQUS中对原型尺寸的矩形平面气承式膜结构进行了风振响应分析，膜面选用M3D4R单元建模，拉索选用T3D2单元建模，研究了不同风向角下结构的平均风响应特性，总结了风荷载作用下膜面的位移及应力分布规律，确定了出现位移极值及应力极值的位置，最后提出了适用于矩形平面气承式膜结构的风荷载体型系数分区方案，并给出了不同分区的建议取值。研究表明：矩形平面气承式膜结构的平均风压系数受风向和结构长宽比的影响较大，受地面粗糙度影响较小；长宽比越小，上吸区的风压越小；随矢跨比增加，迎风区正风压系数增加，上吸区负风压减小； 0°风向角下矩形平面气承式膜结构的风力系数最大； 0°及45°风向角下，矩形平面气承式膜结构的迎风面及顶部变形较大，90°风向角下迎风面变形较大而顶部变形较小； 0°及90°风向角下，结构两侧与中部连接的凸起部位应力较大，45°风向角下迎风面拐角处出现明显褶皱并伴随应力集中； 0°风向角下位移及应力均最大，90°风向角下位移及应力均最小；建议0°和90°风向角下矩形平面气承式膜结构风荷载体型系数采用5分区形式，45°风向下采用7分区； 0°及90°风向角下结构分区风荷载体型系数受矢跨比影响明显，45°风向下结构分区风荷载体型系数受长宽比影响明显。
2024, 39(2): 58-60.
doi: 10.3724/j.gjgS23031020
摘要:
论述了抗震设计的反身性和决定构件抗震性能的三个方面，以及按照GB 50017—2017《钢结构设计标准》第17章的钢结构建筑抗震设计方法，对结构性能系数给出了短周期调整、多自由度放大、二阶效应放大和阻尼调整系数。介绍了延性开展机构的控制及其与机构控制等效的方法，对高层多自由度结构的底部加强区地震作用调整引入了新的解释，最后接受了地震作用组合下的二阶分析设计法。
论述了抗震设计的反身性和决定构件抗震性能的三个方面，以及按照GB 50017—2017《钢结构设计标准》第17章的钢结构建筑抗震设计方法，对结构性能系数给出了短周期调整、多自由度放大、二阶效应放大和阻尼调整系数。介绍了延性开展机构的控制及其与机构控制等效的方法，对高层多自由度结构的底部加强区地震作用调整引入了新的解释，最后接受了地震作用组合下的二阶分析设计法。
