涂层织物类膜材撕裂强度及其对膜结构破坏的影响

Although tearing of membrane material is the main reason of the failure of membrane structures, a few researches can be found about the tearing properties of architectural fabrics. There is a lack of tearing strength data and few studies on tearing failure of membrane structures exist. In this project, a great number of tests will be carried out to obtain tearing strengths of commonly used architectural fabrics. The influences of test method, fabric, tensile strength and temperature on tearing strengths will be studied. Central crack tearing tests through both uniaxial and biaxial tensile loads will be used to investigate the crack propagation when there is a slit or a crease on the fabric. The failure pattern and critical stress of crack propagation will be studied by considering the tension of fabric and the initial long of slit. A tearing experiment on a membrane structure model is also scheduled and crack propagation of the curved fabric of model will be observed. Several theoretical methods, such as classic fracture mechanics model, empirical model and critical strain energy method, will be selected to analyze the tearing of fabric and the results will be compared with those from experiments. The validity of theoretical methods for analyzing the tearing of architectural fabrics will be examined. By investigating the tearing strength, the fracture toughness, the tearing critical stress and the minimum critical length of crack of fabrics which are evaluated from experiments and analysis, some suggestions will be given for tearing resistance design of membrane structures.

膜材撕裂是膜结构的主要破坏形式，然而对建筑膜材的撕裂研究很少，撕裂强度统计数据很少，对膜结构的撕裂研究几乎没有。本项目对各类常用建筑膜材进行大量的撕裂强度测试试验，研究撕裂强度与试验方法、膜材类型、抗拉强度、温度等的关系，积累撕裂强度基础数据；考虑膜材裂缝、折痕等缺陷因素，进行单轴和双轴的中心撕裂试验，研究应力状态、膜面缺陷等对撕裂破坏模式和撕裂临界应力的影响；进行膜结构撕裂破坏的模型试验，研究处于曲面状态以及复杂应力状态下膜面的裂缝发展情况；利用现有织物类膜材撕裂分析理论进行膜材以及膜结构的撕裂破坏分析，并与试验结果进行对比，考察经典断裂力学理论、经验法以及弹性能量法等方法分析建筑膜材撕裂的可行性和分析精度；利用撕裂试验结果和理论分析结果，考察各类膜材的撕裂强度、断裂韧性、撕裂临界应力、最小临界裂缝宽度等描述建筑膜材撕裂特性的参数，对膜结构设计中膜材撕裂的相关规定提出建议。

膜材料撕裂是膜结构的主要破坏形式，现阶段对建筑用涂层织物类膜材的撕裂研究较少，相关的撕裂强度数据不够丰富，撕裂机理和相关理论的研究不够充分，膜结构的撕裂研究几乎没有。本项目选取P类和G类涂层织物类膜材，分别采用梯形撕裂法、舌形撕裂法、单轴中心撕裂法、双轴中心撕裂法以及单侧边撕裂法进行撕裂强度测试试验，考察了相应的试验现象、破坏模式、撕裂强度和影响因素，积累撕裂强度基础数据。对织物类膜材进行人工及自然环境下老化试验，对老化后膜材的撕裂性能和其他力学性能进行研究。为考察切缝存在对膜结构承载的影响，对带切缝伞形骨架膜结构模型进行加载试验，研究膜面裂缝开展以及膜结构破坏规律。本项目在大量试验数据的基础上，考察了蒂勒经验公式、应力场模型、经典断裂力学理论和Hedgepeth应力集中系数模型进行织物类膜材撕裂性能评价的适用性，提出了一种根据单侧边和梯形撕裂试样荷载-位移曲线计算应变能释放率GIC的试验方法和一种综合了蒂勒经验公式和应力场模型特点的临界撕裂强度预测模型。针对不同类型的膜材，采用统计学理论和方法，研究梯形撕裂强度和单侧边撕裂强度与膜材基本材料性能的相关性，并考察这两种撕裂方法在评价涂层织物类膜材抗撕裂性能上的异同。本项目得到的不同类型膜材在不同撕裂方法下的试验数据可用于膜材的选择，并为膜结构设计规范的进一步修编提供膜材料抗撕裂性能的基础数据和撕裂强度参考评价方法。