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ETFE薄膜是氣枕式膜結(jié)構(gòu)最為常用的覆面材料。通過(guò)向兩層或多層邊緣熱合封閉的ETFE薄膜內(nèi)充氣而形成的結(jié)構(gòu)稱(chēng)為ETFE氣枕。20世紀(jì)80年代，ETFE氣枕首次作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)被用于植物溫室改造。隨著建造技術(shù)和材料工藝的發(fā)展，ETFE氣枕開(kāi)始應(yīng)用于體育場(chǎng)館和展覽館等大型建筑工程中。作為一種新型圍護(hù)結(jié)構(gòu)，目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于ETFE氣枕的研究報(bào)道較少。近年來(lái)，隨著國(guó)家游泳中心等一批氣枕式膜結(jié)構(gòu)工程的建設(shè)，國(guó)內(nèi)學(xué)者展開(kāi)了ETFE氣枕的數(shù)值模擬和試驗(yàn)研究。
形態(tài)分析是ETFE氣枕荷載分析的前提，文獻(xiàn)首先在小彈性模量下尋找等應(yīng)力曲面，然后在正常彈性模量下施加內(nèi)壓得到ETFE氣枕的最終形態(tài)。張建等則提出了一種先小彈性模量下找形，然后超大彈性模量下找態(tài)的兩階段形態(tài)分析方法。荷載分析中，應(yīng)準(zhǔn)確考慮內(nèi)充氣體的影響。已有研究中通常將內(nèi)充氣體視為可變壓力，將求解內(nèi)充氣體體積和壓力的子程序與有限元分析軟件ANSYS相結(jié)合，以考慮內(nèi)壓變化的影響。盡管該方法實(shí)現(xiàn)了對(duì)ETFE氣枕荷載分析的有效模擬，但由于需要自編程序以計(jì)算內(nèi)壓，操作復(fù)雜；此外，上述方法忽略了內(nèi)充氣體的質(zhì)量效應(yīng)，不宜用于氣枕動(dòng)力分析。
為了驗(yàn)證數(shù)值模擬方法的正確性，學(xué)者們展開(kāi)了ETFE氣枕的形態(tài)測(cè)試和加載測(cè)試，采用的測(cè)試手段包括全站儀、位移計(jì)、刻線法及數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量技術(shù)等。由于已有測(cè)試多采用縮尺模型，初始缺陷和邊界效應(yīng)影響顯著。為了方便測(cè)量和降低誤差，試驗(yàn)中往往使氣枕的內(nèi)壓遠(yuǎn)高于正常值，但這不利于獲得ETFE氣枕的真實(shí)力學(xué)性能。且已有試驗(yàn)主要測(cè)試荷載作用下的膜面變形，尚沒(méi)有對(duì)氣枕內(nèi)壓進(jìn)行詳細(xì)測(cè)量。此外，已有試驗(yàn)研究主要為ETFE氣枕的靜力測(cè)試，氣枕動(dòng)力特性測(cè)試鮮有涉及。ETFE氣枕屬于輕柔結(jié)構(gòu)，動(dòng)力測(cè)試時(shí)采用傳統(tǒng)加速度傳感器會(huì)產(chǎn)生附加質(zhì)量和附加剛度，且不易安裝，這對(duì)測(cè)試設(shè)備和技術(shù)提出了更高要求。
在航天領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)航天器中的充氣膜結(jié)構(gòu)進(jìn)行了大量動(dòng)力測(cè)試，使用的傳感器主要為智能材料加速度計(jì)和激光位移計(jì)。前者質(zhì)量較輕，但由于需要連接導(dǎo)線，仍會(huì)對(duì)充氣膜結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性造成一定影響；后者采用非接觸式測(cè)量技術(shù)，不產(chǎn)生附加質(zhì)量，但對(duì)測(cè)試距離和角度有更為嚴(yán)格的要求。然而，由于ETFE氣枕在幾何形式、材料類(lèi)型、設(shè)計(jì)載荷及使用環(huán)境等方面與航天器中的充氣結(jié)構(gòu)有較大差異，故無(wú)法直接引用航天領(lǐng)域的研究成果。為此，設(shè)計(jì)并制作了1個(gè)足尺ETFE氣枕模型，旨在通過(guò)形態(tài)測(cè)試、加載測(cè)試及自由振動(dòng)測(cè)試研究 ETFE氣枕的靜、動(dòng)力性能，驗(yàn)證數(shù)值模擬方法的準(zhǔn)確性和適用性，為ETFE氣枕的設(shè)計(jì)和分析提供參考。
測(cè)試模型為正六邊形ETFE氣枕，邊長(zhǎng)為2m。按設(shè)計(jì)規(guī)定，正六邊形氣枕的跨度L定義為其內(nèi)切圓直徑。經(jīng)計(jì)算，模型跨度為3.464m。氣枕上、下層膜面按照等矢高設(shè)計(jì)，矢跨比取8%。由于裁剪膜材焊接及安裝后膜面矢高會(huì)較理論值有所減小(模型矢高減小約5%) ，為保證氣枕充氣后矢高仍滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，文中用于膜材裁剪的找形分析結(jié)果略高于理論值。氣枕膜材選用透明ETFE膜，厚度為250μm，密度1750kg/m2，切線彈性模量830MPa。氣枕的固定底座高1m，由焊接成整體的六邊形鋼梁和4根支柱組成。鋼梁采用100mm×200mm方鋼管型材，支柱采用直徑100mm圓鋼管型材，壁厚均為4.5mm。
ETFE氣枕部分的加工及底座鋼構(gòu)件切割在工廠完成，模型的整體裝配及焊接在實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行。氣枕上、下層膜面均由3片ETFE薄膜熱合而成，各設(shè)置兩道平行焊縫。采用微型電動(dòng)氣泵充氣至內(nèi)壓為300Pa并檢測(cè)氣枕矢高和褶皺程度是否符合設(shè)計(jì)要求(矢高誤差1%內(nèi)，膜面絕大部分光滑無(wú)褶皺)。
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