文章編號:10072861(2021)06061文章編號:10072861(2021)06061506建筑 C膜雙正交伸環(huán)試驗羅仁安1,2,凌2,靜3,凱4華倪童(.上海大學(xué)理學(xué)院上海20044;.上海大學(xué)上海市應(yīng)用數(shù)學(xué)和力學(xué)研究所,上海200072;.臥龍崗大學(xué)工程學(xué)院澳大利亞新南威爾士州2522;.湖北省黃石市房地產(chǎn)管理局湖北黃石435000)要:通過對VC膜材進行7種應(yīng)力比下的雙軸正交拉伸循環(huán)試驗,經(jīng)緯向應(yīng)力比值分別為01,15,12,11,21,5和10對膜材在雙軸拉伸作用下的拉伸特性進行了研究.試驗說明,經(jīng)過3次循環(huán)作用后,膜材的力學(xué)試驗性能更接近工程實際情況且材料具有非線性和正交各向異性.在循環(huán)荷載作用下,初次循環(huán)后剩余應(yīng)變較大.隨著循環(huán)次數(shù)的增加一般3次后)剩余應(yīng)變趨于常數(shù),滯回曲線形狀趨于穩(wěn)定.采用雙軸拉伸試驗方法測定了VC膜材的廣義泊松比驗證了廣義泊松比的非線性特征.試驗證明,當(dāng)經(jīng)緯向應(yīng)力比C≥1時,經(jīng)向應(yīng)變?yōu)檎?當(dāng)C≥.時廣義泊松比變?yōu)樨撝?當(dāng)應(yīng)力比C為1或0時,雙軸變成單軸試驗,廣義泊松比測定變成常規(guī)泊松比試驗.理論和試驗均證明當(dāng)C=1時膜材的經(jīng)向和緯向同時具有最大的彈性模量.關(guān)鍵詞:建筑膜材;雙軸拉伸試驗;正交異性;非線性;廣義泊松比;彈性模量中圖分類號:U50.3文獻標志碼:ACyclcTestofArchecualPCMmbaneMaeralsnderBaxalOrhognalyTnseLadsORena1,2,ALn2, NIJn3,NGa4(.oleeofcence,hanhaiUnersi,hanhai200444,Chn;.hanhainstiueofMahmatcsandMechanc,hanhaiUnersi,hanhai200072,Chn;.FaculyofEngneern,UnersiyofWolonon,Wolonon,NW2522,Austal;.RealEsaeAmnistaeofHuanghiCi,Huanghi435000,Hube,Chna)Abac:houhbaxalcclcensieestsofVCmmbanemaeralsateendeentatosbeweenwapandweftste,whchae01,15,12,11,21,51and10epecte,eniepeomancesofhempesunderbaxalensieoadsaeanae.heestsndcaehataferheecclcoadn,heepermenalppertesofmmbanemaeralsageewellwihacualppetesofmmbanemaeralsuednstucue.heesteultswhathebehavorofmmbanemaeralishhyonlnearandorotpcunderbaxalenieoad.Durnghecclcoadnges,heesdualtanisobvousatheendoffirstunoadn.Wihhenceaeofoadngcces(uualyaferheecce),heoalesdualstanisnearyunchaneabeandhehyseesiscuebemessab.heenealedoisonsatoismeauedusngheeultsofbaxalensieestsofVCmmbanemaeral,whcherfesheonlnearchaaceritcsofenealedoisonsat.tisilustaednhe收日期:20210624基工程:國自科學(xué)金助(10872133)通作者:羅安(1948～),男,教授,士,究方為構(gòu)程.Emai:oenan@16.m上海大學(xué)學(xué)報自然科學(xué)版)616·第15卷est上海大學(xué)學(xué)報自然科學(xué)版)616·第15卷esthathestannwapdiectonispositewhenC1,whieorC.5,heenealedoisonsatounsoneat.Whenhestessatois10or01,hebaxalestunsounaxales,andhedeemnatonofheenealedoisonsatobemesoutneoisonsatoes.BohhehoyandesteultsndcaehatunderheonditonofC=1,ohwapandweftdiectonshaehebesteastcmodul.Keyword:achiecualmmbanemaeral;baxaleniee;orotp;onlnea;enealedoionsat;eastcmoduus筑膜材料是一種涂層織物,自20世紀70年以來,膜構(gòu)在世界地蓬勃興起,對膜材的需求進步擴大.目前膜已成為繼磚石木材鋼材、凝和玻璃之的第六大筑材料.例如,北京奧運會立方游泳就成功地用了膜材料.越廣泛,其根本性的研.臣[1]等[2]試得S/C向和5工內(nèi)剪切模量;易洪雷[3]等人以材單的7的析量.而,程中膜是雙向受力,其力性能雜同.雙下性[45]由相用.外異點.小屈大的.D[6下E不力線同.外,設(shè)性時必性.昂貴,進行見.本試驗所的設(shè)國wck/oel0雙向拉伸試驗機,在7種應(yīng)力比條件下,對VC膜材進行雙軸正交拉驗.經(jīng)過循環(huán)作用后,膜材的力學(xué)性能更符工程的使用情況,并且試驗獲得了VC膜材征用下滯回線的律.討.的響較小,滿足測的要求,且在十字臂上開有狹長縫有助于均勻受力[7].因此,本研究在wck/Roel010雙向拉伸試驗機上,采用十字形試件進行軸拉伸試驗,變形測試采用引伸計.測試裝置、試和引伸計圖1所示.圖1在Zwck雙軸試驗機上安裝十字形試件與引伸計F.1CrucfompecmnwhexnmeernsalednheZwckbaxalestngmachne.2 PC膜材試驗采用VC膜材的術(shù)參數(shù)如表1所示.表1試驗材料的技術(shù)參數(shù)abe1Tecnalameersofhempes織物密度經(jīng)紗緯紗)/膜材質(zhì)量/織物 紗支數(shù)/膜材厚度/m-2結(jié)構(gòu)d(m)-1)(end·m方平組織1300131311001.3射狀加載方案在實際結(jié)構(gòu)中的長期荷載作用下,由于膜材的[8]工作應(yīng)力不大于破壞應(yīng)力的15% ,首先測定相應(yīng)材的經(jīng)緯向單軸抗拉強度,以便合理確定載荷水平.此外,膜材的受力性能除與應(yīng)力值有關(guān)外,還與雙向的應(yīng)力值有關(guān).因此,在十字形試件雙軸正交伸試驗中,在膜材經(jīng)緯兩方向上同時施加不同比荷載,經(jīng)緯向的應(yīng)力比分別為A(01),B(1∶5),C(12),D(11),E(21),F(51)和G(10).試加載速度制在1N/.本究借鑒了軸向拉1 驗概況.1十字試件與引計據(jù)文獻可知,十字形試件的中心區(qū)域受夾具第6期仁安,等:筑VC雙拉環(huán)驗·617·伸試的通常做法,對試樣進行3次加載卸載試驗.膜材的線狀加載案如圖2示.根據(jù)式第6期仁安,等:筑VC雙拉環(huán)驗·617·伸試的通常做法,對試樣進行3次加載卸載試驗.膜材的線狀加載案如圖2示.根據(jù)式(1)可得到廣義泊松比即緯經(jīng)向應(yīng)變比fw,以經(jīng)緯向應(yīng)力比C=w/Sf關(guān)系式,由此可繪膜材廣義泊松比的理論值和試驗值曲線圖,如圖3所示.圖2雙軸循環(huán)拉伸試驗加載方案F.2Ladngprogmforbaxalcyclcnseests圖3fw與經(jīng)緯向應(yīng)力比C之間的關(guān)系2驗理論據(jù)次雙向拉伸試驗研究的主要理論有兩點:研究二維正交異性彈性膜材的經(jīng)緯向應(yīng)變之間的關(guān)系即廣義松比研究;在雙向拉伸作用下如何確定膜的彈性模量..1雙軸伸廣義泊比軸向試驗時,經(jīng)典泊松比定義為在材料的比例極內(nèi),均勻分布的縱向應(yīng)力所引起的橫向應(yīng)與應(yīng)的縱向變之比的對值.因此,經(jīng)典泊松將為正值.如膜材拉伸時,其經(jīng)向伸長伴隨著緯向縮反之亦然),而緯應(yīng)變f與經(jīng)應(yīng)變w之比為泊松比,即νwffw.軸向正交拉伸試驗時,廣義的泊松比定義為X方向的變與相應(yīng)的Y方向的應(yīng)變之比.因此,廣義泊比有正負分.材的雙軸伸作用彈本構(gòu)方程下[9]:F.3ReatnhpbewenεεandsressatoCfw圖3到在C<1即C=.2和C=.5時比fw值論負合;在C=1時松合;在C>1時,雖松比值趨于常數(shù),但理論算值恒值值..2雙彈性模理論在雙軸拉伸作用下,確定膜材彈性模量的方法有洪雷采用拉伸彈性量估算雙軸拉伸彈性常方法,以及Mnm[10]采用幾個進行平均的彈性量值法等.本研究根工程實際試驗數(shù)據(jù)分析提出雙彈性量模型.在實際程中,膜材要經(jīng)歷找形和受力兩階段.找形階段所受荷載約為極限抗拉強度的0～5%,受力階段所受荷載約為極限抗拉強度的5%15%[8].而從應(yīng)力變曲線可以看到,膜材在應(yīng)為05的極限拉伸強度和5%15的極限拉強度這兩階段大致現(xiàn)兩個拉剛度.膜材在找階段和受階段的彈性模量公式分別為00D33wfwfwSfwfD11D210D12D220=,(1)式中,wfD11= ,1-ννD22= ,1-ννD33=12,E=1(Ewfwwfw+E),(2)sσ=0σ=5σulmae2wffwwD21=D12= = ,1-νν 1-νν1(Eσ=5σ2),(3)El=+Eσ=15σwfwwfwutmaeulmae式中,w,ww分別為經(jīng)向彈性模量應(yīng)力和應(yīng)變,f,Sff分別緯向彈性量力和應(yīng)變,wf,wf,w分別為切模量剪應(yīng)力和剪應(yīng)變wfw分別為經(jīng)向起的緯向松比緯向引起經(jīng)向泊松比.式中,Es為找形階段的彈性模量,El為受力階段的彈性模量,Eσ=5σulma為應(yīng)力是極限抗拉強度的5時的彈性模量,Eσ=15σ 為應(yīng)力是極限抗拉utmae上海大學(xué)學(xué)報自然科學(xué)上海大學(xué)學(xué)報自然科學(xué)版)618·第15卷強度的15時的彈模量.圖4描述了式(2)和式(3)所代表的膜材的雙模量型.的載和卸載可分別獲得經(jīng)向與緯向力位移的滯回線實測圖,如圖6所示.圖4PC膜材的雙模量模型F.4TwopaemodulimodelforPCmmbanes圖5給出了雙軸拉伸條件下,本模型所得的膜材在受力階段的彈性模量值易紅雷模型的理論值[11]和試驗值,其中C=10表示經(jīng)緯向應(yīng)力比為1.圖5中可以看出,經(jīng)向彈性模量的理論值和試驗吻合得很好.在C.5時,經(jīng)向的彈性模量負,這與C.5時,經(jīng)向應(yīng)為負相一致.特別是在C時,緯向彈性模量的理論值和試驗值有一定的差異.此外,當(dāng)C=1時,膜材的經(jīng)向和緯向同時具有大的彈性量.圖6經(jīng)緯向荷載力位移的滯回曲線實測圖F.6Tesedaddpacmnthyseresscurvesnboharpandweftdrectns通過分析材在不同移速率和不同載荷水平的環(huán)加卸實測變形特性曲線,可以發(fā)現(xiàn)膜材具有下特征:由于本的非線性特性,膜材在循環(huán)荷載況下的卸載曲線與加載曲線不重合,形成一條封的非線性彈塑性滯環(huán);第1次循環(huán)第2次環(huán)所得到的塑性滯回環(huán)面積最大,但第2次循環(huán)第3次循環(huán)的彈塑性滯回環(huán)面積根本上相等;經(jīng)和緯向的滯回環(huán)曲線的形狀不同,經(jīng)向的滯回曲是凸的,緯向的回曲線是先凹后凸的.分析原因知,向纖維的曲度小,一開始就具有較大的抗剛度.緯向纖維的卷曲度大,在張拉開時,拉力較小,纖沒被拉直,抗拉剛度自然較小,而拉力大到定程度時,纖維被拉直,抗拉剛度就會變大;在卸時,向的應(yīng)變不是直接減小,而是先增大,后減小.不種類的VC膜材在施加不同比例經(jīng)緯向荷時循環(huán)加與卸載條下的變形響應(yīng)程度也將有不同.圖5經(jīng)緯向應(yīng)力比對雙軸向彈性模量的影響F.5 nfunceofsressatoCnbaxaleastccnsants3 驗結(jié)果變形特分析.1滯回線及演化律不同荷載比例對經(jīng)緯向施加拉力,通過循環(huán)第6期仁安,等:筑VC第6期仁安,等:筑VC雙拉環(huán)驗·619·.2經(jīng)緯的應(yīng)力應(yīng)曲線研究的膜雙軸拉伸環(huán)荷載試驗由7種應(yīng)力比成,緯向應(yīng)力應(yīng)變試驗曲線數(shù)據(jù)繪成了曲開階段,拉力較小,纖維沒被拉直,抗拉剛度自然較小,而力大到一定程度時,纖維被拉直,抗拉剛度會變大..3剩余應(yīng)變特性試驗說明,經(jīng)緯均存在不同程度的剩余應(yīng)變,其與雙向加載的應(yīng)力比及加載循環(huán)次數(shù)有關(guān),并且經(jīng)緯兩方向的剩余應(yīng)變是不同的.第3次循環(huán)加時的經(jīng)緯應(yīng)力應(yīng)曲線如圖8所示.7為初始循環(huán)加載時經(jīng)緯向應(yīng)力應(yīng)變曲線花.圖線圖.圖7多種應(yīng)力比試驗構(gòu)成膜材的應(yīng)力應(yīng)變曲線花F.7Sressancurvesoffrstadngnboharpandweftdrectnswhevnarpoweftsressatos圖8膜材在第3次加載時應(yīng)力應(yīng)變曲線及剩余變形F.8Sressancurvesofhrdadngnboharpandweftdrectnswhevnarpoweftsresatos曲線花可以看到,雙軸拉伸試驗的曲線有其身特點.隨著經(jīng)緯應(yīng)力比的逐漸減小,經(jīng)向纖維由伸變?yōu)閴嚎s,而緯向纖維除了經(jīng)緯向應(yīng)力比為1:0以外,其余都為伸.在經(jīng)緯向應(yīng)力比為11,21,5和1的情況下,經(jīng)的應(yīng)力應(yīng)變曲線在應(yīng)力較時,率相差較大,隨后差距減小.在經(jīng)緯向應(yīng)力為01,15,1和1的情況下,緯向的應(yīng)力應(yīng)曲線也在應(yīng)力較小時,斜率相差較大,隨后差距小.向的應(yīng)力應(yīng)變曲線在不同應(yīng)力比下的一致較差,緯向的應(yīng)力應(yīng)變曲線在不同應(yīng)力比下的一性較好.經(jīng)緯向曲線的形狀不同,經(jīng)向的應(yīng)力應(yīng)變曲線是凸的,緯向的應(yīng)力應(yīng)變曲線是先凹凸的.這因為經(jīng)向維的卷曲度小,一開始就具較的抗拉剛度.而向纖維的卷曲度大,在張拉從圖8中可以看到,試件存在不同程度的剩余變形,其與雙向加的比例有關(guān),且在經(jīng)緯兩方向是同的.隨著經(jīng)緯荷載比例的增加,緯向的剩余變逐漸減小.與第1次循環(huán)相比較,第3次的應(yīng)力變曲線與第2次根本重合.試驗證明,只要通過3次循環(huán)加載,就可以用其應(yīng)力應(yīng)變曲線來描述膜的非線性性力學(xué)性質(zhì)..4廣泊松比試成果材料的泊松比一般通過試驗方法來測定.圖9為向應(yīng)變與經(jīng)向應(yīng)變關(guān)系實測曲線,即膜材的實測義泊松比線.圖橫坐標為經(jīng)向應(yīng)變,縱坐標上海大學(xué)學(xué)報自然科學(xué)版)620·第1上海大學(xué)學(xué)報自然科學(xué)版)620·第15卷緯應(yīng)變.從曲線分可知,膜材在雙向拉伸狀態(tài)下的義泊松比是常量,而是隨經(jīng)向緯向應(yīng)力比的改而改變,呈非線性狀態(tài).在試驗中,雙軸都施加了應(yīng)力,所以在經(jīng)緯向應(yīng)力比C1時,廣義泊松比正值;而在經(jīng)緯向應(yīng)力比C.5的情況下,廣義泊松比卻變?yōu)樨撝?當(dāng)應(yīng)力比C為1或01時雙軸正拉伸試驗成單軸拉伸試驗,實測曲線呈直狀態(tài),廣義泊松比變成常量,即泊松比.本次軸伸試驗實應(yīng)變曲線據(jù)驗證了本研究的廣義泊比的理論析.參文獻:[1]王臣.建筑膜材力學(xué)特性分析及試驗研究[D.哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué),2002:374.衛(wèi)東,王臣,向陽.建筑膜材的材性試驗研究[J.空間結(jié)構(gòu),2002,8(1):374.易洪雷丁辛陳守輝.PES/VC膜材料拉伸性能的各向異性及破壞準那么[J.復(fù)合材料學(xué)報,2005,22(6):9810.LN.Mechancalppertesofoaedabrcs[C]∥MechancsofFexbeFbeAsmble.Neherand:Sijof&Nodo,198:46146.NK,ANESM.Nmercalpeenatonofstesstaneatonsoroaedabrcs[C]∥nstiutonofStucualEngneersmpomonheDesnofAirpporedStucue,Briso.1980:16217.AYA.Stessstanequatonsoronlnearbehavorofoaedoenabrcs[C]∥hel,Mmbane,andpaceFme:PoceedngsofheASmposmonMmbaneStucuesandpaceFme,Oaka,Jpa.1986:172.WEE,AORH.Anepermenalandhoetcalnestatonofbaxalstesstaneatonsnapanweaecoh[J.Textiens,1963,54(2):32334.倪靜.VC膜材料的雙軸拉伸試驗研究及其工程應(yīng)用[D.上海:上海大學(xué),2021:18.楊慶山,姜憶南.張拉索膜結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計[M.北京:科學(xué)出版社,200.MMIH,OOAA. 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