考虑膜材粘弹特性的膜结构张拉成形及应力松弛全过程分析

Due to viscosity of membrane materials, the membrane stresses of structures after forming process are decreased over time and have adverse effects on structural safety. Without considering viscosity of membrane materials in the design step, the tension methods are used to eliminate the stress relaxation effect in construction site. The effectiveness of methods needs to be verified by stress relaxation analysis of the equilibrium surface. By taking the actual equilibrium surface of membrane structure as research object, the viscoelastic properties of membrane materials and the stress relaxation analysis are carried out to obtain the membrane stress curve over time after construction. Meantime the effects of tension method to membrane stress distribution are discussed. With solving the stress relaxation problem, the viscoelastic constitutive equation of membrane material is established, and the stress analysis method of the actual equilibrium is proposed. The above research will improve the existing design method and propose the effective tension for enhancing structural safety and reliability.

因膜材的粘弹性能，膜结构张拉完成后膜面发生应力松弛，导致膜面刚度降低，影响结构安全性能及美观性。目前膜结构设计分析过程未考虑膜材粘弹性能，仅通过一定张拉方法来消除膜面应力松弛对膜结构张力的影响。对膜结构施工成形曲面进行应力松弛分析是检验张拉方案有效性的直接手段。本研究以膜结构施工成形曲面为研究对象，以膜材粘弹性能及结构应力松弛分析为研究内容，考察膜结构施工张拉完成后膜面应力随时间的变化，分析不同张拉方式对膜面应力分布影响。本项目在解决成形曲面应力松弛问题中，对膜材粘弹性本构方程建立，成形曲面应力分析方法等基础理论问题进行了细致研究，为完善膜结构设计方法提供理论基础，同时对施工张拉方案进行探索，提高膜结构设计的安全性能及可靠性，促进膜结构的健康发展。

因膜材的粘弹性能，膜结构张拉完成后膜面发生应力松弛，导致膜面刚度降低，影响结构安全性能及美观性。本研究以膜结构施工成形曲面为研究对象，以膜材粘弹性能及结构应力松弛分析为研究内容，考察膜结构施工张拉完成后膜面应力随时间的变化，分析不同张拉方式对膜面应力分布影响。对建筑PTFE膜材进行不同张拉方式的双向拉伸应力松弛试验，考察其对膜材的粘弹性能影响。研究表明：应力松弛前四小时随拉伸速率增加，膜材经纬向应力松弛量增加，后期基本无影响；经纬向张拉顺序对经纬向应力松弛量影响取决于加载过程中是否发生较大应力松弛；不同加载比例对经向松弛量影响较大，纬向基本无影响；等比例加载情况下，低应力水平下经纬向松弛量变化不大，但高应力水平下应力松弛量降低。基于上述试验结果，采用不同的粘弹性模型拟合，结果显示广义maxwell五元件模型和分指数模型拟合精度高。结合膜材的二次张拉、分阶段张拉和循环张拉方式下稳定松弛应力结果，对成形曲面的张拉方案进行研究。结果表明：同等初始预张力水平下，二次张拉方式得到的稳定应力值更高，通过平面膜材的顶升试验也验证了该方案的有效性。采用不同的试验方法得到缩小率值，通过马鞍形曲面的应力松弛分析验证其方法的可靠性，得出：不同试验方法得到的缩小率值相差较大，成形曲面应力分布不均匀且有褶皱和超张拉现象。上述研究成果对工程实践张拉方案以及成形曲面长期性能有一定指导意义。