ETFE气枕模型试验与有限元分析.pdf

建筑结构学报Journal of Building Structures 第 33 卷 第 5 期 2012 年 5 月 Vol. 33No. 5May 2012 007 文章编号 1000-6869 2012 05-0046-07 ETFE 气枕模型试验与有限元分析 顾磊 1，王 鹏 1， 2，陈世平3，王海明3 1． 哈尔滨工业大学 深圳研究生院，广东深圳 518055; 2． 大连城建设计研究院有限公司，辽宁大连 116012; 3． 柯沃泰膜结构 上海 有限公司，上海 201612 摘要 通过 2 m 2 m 的 ETFE 气枕模型试验， 进行了气枕形状测试、 充气加压测试和气压一定的加载测试。通过在上下膜 面画上一组刻线， 测量膜面在充气过程中刻线长度的变化， 进而求得膜面应力的变化。基于膜面应力和气枕矢高的试验测 试值与几何非线性有限元分析结果比较， 验证了 ETFE 气枕有限元模拟方法的正确性。研究表明 由于 ETFE 气枕充气过 程中膜材伸展率较大， 膜面粘贴应变传感器很难捕捉准确的膜面应力， 采用膜面画刻线的方法可以用于测试ETFE充气结构 的膜面应力; 立体裁剪的 ETFE 气枕， 充气成形过程中， 膜面基本展开时零应力状态下， 膜面角部区域已张紧， 具有初始应 力， 因此， 角部区域膜面应力测试时需给予初应力补偿; ETFE 膜材热熔焊缝相当于膜材局部加强， 顺焊缝及垂直焊缝的实 测应力小于按均匀材料计算的应力， 但对整体充气膜面应力的影响很小; 膜面应力和气枕矢高的试验测试值与有限元分析 值基本吻合。 关键词 ETFE 气枕;充气结构;静力试验;受力性能 中图分类号 TU353TU317. 1文献标志码 A Experimental study and FEA of ETFE cushion GU Lei1，WANG Peng1， 2，CHEN Shiping3，WANG Haiming3 1． Shenzhen Graduate School，Harbin Institute of Technology，Shenzhen 518055，China; 2． Dalian Institute of Urban and Architecture Design，Dalian 116012，China; 3． Covertex Membranes ShanghaiCo．，Ltd，Shanghai 201612，China AbstractThrough the experiment of a 2 m 2 m ETFE cushion model， the measurement of cushion shape，pneumatic compression test and loading test under constant compression were carried out． By painting a set of scratch lines on the upper and lower surfaces of the cushion，the foil stress was calculated by measuring length changes of scratches during inflation process and loading． Then，the correctness of the FEM analysis of ETFE cushions was verified by comparing the nonlinear finite element analysis results of foil stress and cushion rise with the experimental values． Studies show that the ETFE cushion elongation rate is very large during inflating． Strain sensor pasting on the foil surface is difficult to capture the foil stress accurately． The of painting scratch lines on foil surface adopted in this paper can be used to test ETFE cushion’ s foil surface stress． When a three dimensionally cut ETFE cushion is inflated， at the zero- stress state of the foil during expending，the corner regions are in tension with the initial stress． Therefore，the corner region of foil surface needs to give the initial stress compensation for stress testing． The ETFE foil hot melt weld is equivalent to the foil local reinforcement，and the measured stresses along the weld and perpendicular to the weld are less than the calculated stresses according to the homogeneous material． The welds influence little on the overall foil stress． Measurements of foil stress and cushion rise agree well with calculated values by ANSYS software． KeywordsETFE cushion;inflated structure;static test;mechanical behavior 基金项目 深圳市科技计划项目 SY200806260039A ， 国家自然科学基金项目 50878065 ， 哈尔滨工业大学科研创新基金项目 HIT． NSRIF． 2009133 。 作者简介 顾磊 1970 ， 男， 江苏无锡人， 工学博士， 教授级高工。E- mail gulei hitsz. edu. cn 收稿日期 2010 年 10 月 64 0引言 ETFE 薄膜的厚度通常为 0. 20 mm 和 0. 25 mm， 抗拉强度 40 ～ 60 MPa， 断裂延伸率可达 400， 透光 率 90 以上。与其它透明建筑材料相比， 具有较好 的抗老化性能、 自洁性能及延伸率， 抗破损性以及变 形追随性比玻璃好， 且重量轻。因此， ETFE 薄膜是 一种非常优越的透明建筑材料 ［1 ］。 虽然 ETFE 薄膜作为屋面材料于 20 世纪 80 年 代在欧洲开始使用， 但有关 ETFE 薄膜材料以及结构 的研究较少。日本于本世纪初展开对 ETFE 薄膜材 料进行研究， 进行了一系列气枕模型试验， 并于 2006 年制定了 ETFE 薄膜结构设计指南草案 ［2 ］。国内研 究主要通过有限元对其进行分析， 材性试验和结构 模型试验研究较少。吴明儿等 ［3-4 ］进行了 ETFE 气枕 模型试验， 对气枕膜面的矢高进行了测量和对比研 究; 陈务军等 ［5-6 ］对建筑膜材 包括 ETFE 膜材 的材 性和焊接进行了试验研究， 并对 ETFE 气囊进行了设 计和数值模拟。但对 ETFE 气枕进行膜面应力测量 尚未见文献报道。 为了能够较为准确地分析 ETFE 气枕在找形和 荷载作用下的力学特性， 并验证有限元分析结果， 本 文设计制作了 1 个 ETFE 气枕模型， 进行了气枕找形 测试、 充气加压测试和模面加载测试等模型试验研 究。通过在上下膜面画上1 组刻线， 测量膜面在充气 成形、 加压和加载过程中刻线长度的变化， 进而测得 膜面的应力值， 并将应力和矢高的测试值与有限元 分析结果进行对比分析。 1试验概况 1. 1 模型设计 试验模型为 2 m 2 m 的四边形气枕， 找形形状 初始内压 300 Pa， 上、 下膜面矢高均为 220 mm。模型 按找形形状进行三维立体裁剪， 上下膜面均设置 3 道热合焊缝， 焊缝位置由测地线法得出， 模型如图 1 所示。下膜面预留孔洞位置见图 2。试验膜材与文 献［ 2］相同， ETFE 薄膜厚度为 0. 2 mm， 屈服强度 15 MPa， 切线弹性模量为 880 MPa， 泊松比 0. 42。 气枕上、 下膜面由3 枚膜片经焊接形成， 上、 下膜 片边缘处采用热融合加工。用夹具固定在钢框架 上， 成形后的模型如图 3 所示， 即内压为 300 Pa 时找 形形状。 1. 2充气加压 气枕下膜面预留充气和测量内压的气门芯 图 2 ， 其中 1 个为安装充气用的气压枪 图 4 ， 对 a气枕立面图 b气枕平面图 图 1气枕三维裁剪模型 Fig． 1Cutting model of ETFE cushion 图 2下膜面预留孔洞位置 Fig． 2Reserved pores under membrane 图 3充气成形后的试验模型 Fig． 3Experimental model in inflated shape 气枕进行充气加压， 另 1 个气门芯用于安装气压计 图 5 ， 试验中采用 U 形液体压力计测量气枕的内 压。在 U 形压力计内注水， 其一端用医用橡皮管与 气门芯相连接， 另一端暴露于实验室环境中， 管内 左、 右液面读数之差即为气枕内压。试验所用气压 计最小刻度 1 mm， 由 l mm 高度的水柱产生的压强为 74 图 4充气设备 Fig． 4Pneumatic equipment 图 5气压计 Fig． 5Barometer equipment 9. 8 Pa， 因此 U 形管气压计读数的精确度约 10 Pa。 随着气枕工作气压的升高， 读数误差相对减小， 满足 试验精度要求。 图 6气枕膜面刻线 Fig． 6Scratches on cushion 考虑 ETFE 气枕上、 下层膜面在边缘处采用热融 合加工， 以及下膜面的气门芯处、 气压计节点连接处 的气密性， 将肥皂水涂抹于这些部位， 经充气加压观 察未发现有气泡冒出， 气枕密闭良好。 为检查气枕的持续工作状态， 需对气枕进行气 压稳定性测试， 其测量方法为将气压升高到特定的 工作气压后关闭气压枪， 在9 min 内每间隔 3 min 读取 1 次气压值， 逐渐升高气枕工作内压， 并测量其气压 值， 如表1 所示， 对于本试验拟测试的气压范围300 ～ 2 000 Pa， 在 9 min 时气压波动较小， 认为气压稳定。 表 1气压实测值 Table 1Air pressure inside cushion 时间/min0 369 气压/Pa 300300300300 600600600600 900900900890 1 2001 2001 1901 180 1 6001 6001 5801 550 2 0001 9901 9601 930 1. 3量测内容 气枕膜面应力的测量采取膜面预画刻线， 测量 刻线长度变化的方法来换算刻线上的平均应力。刻 线长度采用钢卷尺测量， 钢卷尺的最小刻度 1 mm。 首先对气枕进行充压， 当气压为 50 Pa 时， 立体裁剪 的膜面开始展开， 此时膜面为零应力状态。在上下 膜面进行画刻线， 具体方法是 上膜面平行焊缝方向 画 7 条线 图 6a、 6c、 6d ， 垂直焊缝方向画 1 条线 图 6e ， 下膜面中心区平行 焊缝方向画 2 条 线 图 6b 。图 7 给出了各刻线编号。 试验需测量上、 下膜面纵向、 横向刻线的初始长 度， 以及在内压分别为300 Pa、 600 Pa、 900 Pa、 1 200 Pa、 1 600 Pa、 2 000 Pa 时膜面刻线的长度变化。 气枕矢高的测量， 是在气枕两旁竖立两个精度 为1 mm的钢尺， 拉 1 根细线使之绷紧， 当细线与膜面 的最高点相切时， 两个钢尺平均读数即为膜面矢高。 84 a上膜面 b下膜面 图 7膜面刻线编号 Fig． 7Number of scratches 如此测量 3 次， 取平均值作为气枕在不同内压下的 膜面矢高 图 8 。 图 8气枕矢高测量方式 Fig． 8Measurement of cushion’ s vector height 2充气试验结果及分析 2. 1气枕找形 气枕模型的设计高度 220 mm， 膜面形状通过膜 面气压 300 Pa、 膜面张力 2 MPa 经找形分析得到。 初始充压到 50 Pa 时， 三维立体裁剪的膜面基本 张开， 此时在上下膜面上画刻线， 并测量刻线 1 ～ 10 的长度， 作为膜面的零应力状态的初始长度， 量测结 果见表 2。 初始气压 50 Pa时， 气枕中心区尚有少许褶皱 表 2零应力状态下刻线初始长度 Table 2Scrach length under zero pressure 刻线编号 长度/mm 1 1 919. 0 2 1 926. 5 3 1 952. 0 4 1 956. 0 5 1 953. 0 刻线编号678910 长度/mm1 945. 51 916. 0 1 954. 01 961. 01 962. 0 图 9 ， 但膜面边角区已处于张紧状态， 具有一定的 初应力。 图 9膜面的皱褶 Fig． 9Membrane surface folds 用有限元软件 ANSYS 对气压 50 Pa 的气枕进行 分析， 分析方法见文献［ 7］ ， 下膜面应力如图 10 所 示， 由图 可 以 看 出， 边 角 区 应 力 较 大， 即 低 气 压 50 Pa 下膜面具有一定的初应力。因此， 需对边角 区的刻线 1、 2、 6、 7 进行应力的补偿， 刻线 1、 7 的膜面 应力补偿 1 MPa， 刻线 2、 6 应力补偿 0. 7 MPa， 中心区 的膜面应力不补偿。 图 10气压 50 Pa 下膜面应力 Fig． 10Stress distribution of ETFE cushion with 50 Pa presssure 测量气压 300 Pa 下气枕找形形状刻线 1 ～ 8 的 长度， 进而求出应变和应力， 并对刻线 1、 2、 6、 7 实测 应力经补偿后与有限元分析应力 相应刻线的平均 应力， 下同 进行对比， 结果见表 3。 从表 3 可以看出， 膜面边角区实测应力经过补 偿后， 与有限元分析结果吻合较好， 只有刻线 4、 8 误 差较大。这是由于刻线4 处于焊缝上， 焊缝由两片膜 面热合加工而成， 材料厚度增大， 应变较小。垂直于 焊缝方向的刻线 8， 膜面的 3 道焊缝对其伸长具有束 缚作用， 故实测应变较小。 94 表 3气压 300 Pa 下找形形态膜面应力实测 与有限元分析结果对比 Table 3Stress of membrane under 300 Pa pressure 刻线 编号 长度/ mm 膜面应力/MPa 实测补偿后有限元 误差 11 921. 00. 921. 921. 951. 5 21 929. 51. 372. 071. 95－6. 1 31 956. 52. 032. 051. 5 41 960. 01. 802. 0512. 2 51 957. 52. 032. 051. 5 61 948. 51. 362. 051. 95－5. 1 71 918. 00. 921. 911. 952. 1 81 958. 01. 802. 0512. 1 膜面矢高测量值和有限元分析结果的对比见表 4， 由表可见， 结果吻合较好。从膜面应力和矢高的 测量值和有限元分析值的对比可以看出， 经过三维 立体裁剪、 加工制作的模型具有很好的找形精度。 表 4初始找形实测矢高和有限元分析结果对比 Table 4Vector height comparison 测量次数123均值有限元误差 矢高/mm217. 25216. 25 217. 25217. 00220. 001. 3 2. 2充气加压 充气加压至 600 Pa、 900 Pa、 1 200 Pa、 1 600 Pa、 2 000 Pa， 膜面实测应力经补偿后和有限元分析结果 的对比， 见表 5 ～9。 表 5气压 600 Pa 下膜面应力实测与 有限元分析结果对比 Table 5Stress of membrane under 600 Pa pressure 刻线 编号 长度/ mm 膜面应力/MPa 实测补偿后有限元 误差 11 922. 01. 382. 382. 649. 8 21 931. 02. 052. 752. 915. 4 31 960. 53. 834. 004. 3 41 964. 03. 604. 0010. 0 51 961. 53. 834. 004. 3 61 949. 51. 802. 502. 9114. 1 71 918. 51. 152. 142. 6418. 9 81 962. 03. 604. 0010. 0 表 6气压 900 Pa 下膜面应力实测与 有限元分析结果对比 Table 6Stress of membrane under 900 Pa pressure 刻线 编号 长度/ mm 膜面应力/MPa 实测补偿后有限元 误差 11 923. 01. 832. 833. 4016. 7 21 933. 53. 203. 894. 248. 3 31 965. 05. 866. 002. 3 41 968. 05. 396. 0010. 0 51 965. 55. 636. 006. 2 61 952. 02. 943. 644. 2414. 1 71 920. 01. 832. 833. 4016. 7 81 966. 05. 406. 0010. 0 表 7气压 1 200 Pa 下膜面应力实测与 有限元分析结果对比 Table 7Stress of membrane under 1 200 Pa pressure 刻线 编号 长度/ mm 膜面应力/MPa 实测补偿后有限元 误差 11 925. 52. 983. 984. 6314. 0 21 936. 04. 345. 035. 305. 1 31 968. 07. 217. 503. 8 41 970. 56. 527. 5013. 1 51 969. 57. 437. 500. 9 61 954. 54. 074. 775. 3010. 0 71 923. 03. 224. 214. 639. 1 81 968. 06. 317. 5016. 0 表 8气压 1 600 Pa 下膜面应力实测与 有限元分析结果对比 Table 8Stress of membrane under 1 600 Pa pressure 刻线 编号 长度/ mm 膜面应力/MPa 实测补偿后有限元 误差 11 927. 03. 674. 665. 006. 8 21 938. 55. 486. 186. 687. 5 31 973. 09. 479. 601. 4 41 976. 09. 009. 606. 3 51 973. 59. 249. 603. 8 61 957. 05. 205. 906. 6811. 6 71 924. 03. 674. 675. 006. 6 81 974. 09. 019. 606. 25 表 9气压 2 000 Pa 下膜面应力实测与 有限元分析结果对比 Table 9Stress of membrane under 2 000 Pa pressure 刻线 编号 长度/ mm 膜面应力/MPa 实测补偿后有限元 误差 11 928. 54. 365. 366. 1012. 1 21 943. 07. 538. 238. 01－2. 7 31 982. 013. 5212. 80－5. 6 41 986. 013. 4912. 80－5. 4 51 984. 013. 9712. 80－9. 1 61 962. 57. 688. 388. 01－4. 6 71 926. 04. 595. 596. 108. 4 81 983. 013. 0612. 80－2. 0 为了更直观地观察膜面应力在不同气压下实测 与有限元分析结果的近似程度， 提取了边角区刻线 2， 中心区刻线 3， 中心区焊缝上的刻线 4， 垂直于焊缝 方向的刻线 8， 膜面应力随气压变化， 如图 11 所示。 由表 5 ～9 和图 11 可以看出， 边角区刻线 1、 2、 6、 7 经过补偿后膜面的实测应力和有限元分析结果 近似程度稍好， 误差在 10 左右; 中心区刻线 3、 5 实 测值和有限元分析结果也比较接近， 误差在 5 左 右。由于焊缝的影响， 刻线 4、 8 误差较大， 在 15 左 右。试验值小于有限元分析值， 当气压增至 2 000 Pa 时， ETFE 膜材接近屈服状态， 实测应力大于有限元 分析值。 05 a刻线 2 b刻线 3 c刻线 4 d刻线 8 图 11膜面应力随气压的变化 Fig． 11Stress of membrane under different pressures 气枕上膜面的矢高随气压的增大而增加， 实测 值和有限元分析值比较如图12 所示。初始阶段有限 元分析值和实测值误差较小， 约 2， 在气压达到 2 000 Pa时， ETFE 膜材接近屈服， 矢高有较大增长， 实 测结果比有限元分析结果略大。 试验误差来源于内压测试、 刻线长度读数、 模型 三维裁剪、 模型制作、 材料非线性等。试验应力换算 中没有考虑泊松比对试验结果的影响， 同时， ETFE 膜材在双向拉伸状态下弹性模量比单向拉伸有一定 的提高。 图 12矢高随气压的变化 Fig． 12Vector under different pressures 3模面加载试验 对 ETFE 气枕进行膜面加载试验， 模拟雪荷载对 气枕的作用， 采用工厂袋装膜材原料作为荷载进行 加载， 每袋膜面长 1. 96 m、 宽 1. 00 m、 质量 48 kg， 2 袋 膜材均匀的铺设在气枕的上膜面， 加载方式如图 13 所示。 图 13气枕加载试验 Fig． 13Loading test 气枕气压 600 Pa， 关闭充气阀门， 气体与外界不 交换， 上膜面的荷载换算成均布荷载为 0. 24 kN/m2。 待气压计稳定后， 气枕气压有一定的升高， 实测为 700 Pa。测量气枕下膜面刻线 9、 10 的长度， 并计算 求得的应力值与有限元分析值的对比见表 10， 气枕 下膜面矢高与有限元分析值的对比见表 11。 表 10荷载状态下膜面应力实测与有限元分析结果对比 Table 10Comparison of measured stress of membrane under load with finite element analysis results 刻线 编号 长度/ mm 膜面应力/MPa 实测有限元 误差 91 971. 04. 484. 704. 6 101 972. 04. 464. 705. 1 表 11荷载状态下矢高实测与有限元分析结果对比 Table 11Comparison of measured vector height under load with finite element analysis results 测量次数123均值有限元误差 矢高/mm227. 00226. 25 227. 25227. 00228. 000. 4 15 从图表 10 和 11 可以看出， ETFE 气枕在荷载状 态下的应力和矢高实测与有限元模拟结果接近， 误 差为 0. 4。 4结论 本文对 ETFE 气枕进行了模型试验， 与采用有限 元软件 ANSYS 的分析结果进行了对比分析， 得到以 下结论 1 由于 ETFE 气枕充气过程膜材伸展率较大， 膜面粘贴应变传感器很难捕捉准确的膜面应力。本 文采用的膜面画刻线的方法可以用于测试 ETFE 充 气结构的膜面应力。 2 立体裁剪的 ETFE 气枕， 充气成型过程中， 膜 面基本张开的零应力状态下， 角部区域已张紧， 具有 初始应力。因此， 角部区域膜面应力测试时需给予 初应力补偿。 3 ETFE 膜材热熔焊缝相当于膜材局部加强， 顺焊缝以及垂直焊缝的实测应力小于按均匀材料计 算的应力， 但对整体充气膜面应力的影响很小。 4 膜面应力和气枕矢高的实测结果与有限元 分析结果基本吻合， 验证了 ETFE 气枕有限元分析模 型的正确性。 参考文献 ［ 1］ 胥传喜，陈楚鑫，钱若军． ETFE 薄膜的材料性能及 其工程应用综述［J］ ． 钢结构， 2003，18 6 1-4． Xu Chuanxi，Stanley Tan C S，Qian Ruojun．An introduction ofmaterialpropertiesandengineering applications of ETFE foil［J］ ．Steel Construction， 2003， 18 6 1-4． in Chinese ［ 2］ フィルム膜パネル委員会． ETFEフィルムパネル設 計． 施工指針 案 ［ C］/ /膜構造研究論文集． 東京 日本膜構造協会， 2005 Ⅱ1- Ⅱ 51． Committee of film Panels． Recommendations for design and construction of ETFE film panels draft ［C］/ / Research Report of Membrane Structures． TokyoThe Membrane 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