胡洪銘， 吳明兒， 劉以婷

(同濟大學(xué) 土木工程學(xué)院，上海 200092)

乙烯-四氟乙烯共聚物(ETFE)薄膜材料具有透光性高、抗老化性好、自潔能力優(yōu)秀、重量輕等特點，廣泛運用于建筑領(lǐng)域.ETFE薄膜結(jié)構(gòu)常以氣枕形式作為建筑屋面或立面，應(yīng)用于體育館、展覽館、溫室等.

ETFE薄膜材料力學(xué)性能的研究主要包含單軸拉伸和雙軸拉伸試驗.吳明兒通過對不同厚度的ETFE薄膜單軸拉伸試驗得到了應(yīng)力-應(yīng)變曲線、抗拉強度及斷裂延伸率，測定了ETFE薄膜的泊松比[1]；Charbonneau通過單軸拉伸試驗研究了徐變特性[2]；吳明兒對ETFE薄膜進行了不同應(yīng)力比的雙軸拉伸試驗,計算了ETFE薄膜的折算應(yīng)力[3]；崔家春用圓形氣泡試驗研究ETFE薄膜雙向受力性能[4]；Galliot完成了單軸拉伸試驗、雙軸十字形試驗、氣泡試驗，對不同受力狀態(tài)下材料性能實驗數(shù)據(jù)進行了對比分析[5].

ETFE薄膜結(jié)構(gòu)的研究一直是學(xué)者關(guān)注的重點.吳明兒對2個不同矢跨比的ETFE氣枕模型進行了形狀測試、加壓以及鋪砂加壓試驗，并用非線性有限元進行了數(shù)值分析[6].陳務(wù)軍完成了ETFE氣枕和氣囊膜在不同荷載作用下的試驗，并與數(shù)值結(jié)果進行了對比[7-8].許晶對ETFE氣枕結(jié)構(gòu)進行分析，得到了初始形態(tài)下膜面應(yīng)力隨氣枕跨度、高度變化的規(guī)律以及受荷狀態(tài)下氣枕的位移、最大應(yīng)力隨初始內(nèi)壓變化的規(guī)律[9].顧磊對ETFE氣枕模型進行了氣枕形狀測試、充氣加壓測試和氣壓一定的加載測試，把試驗測試值與有限元分析結(jié)果進行比較，驗證了數(shù)值方法的正確性[10].李鵬通過應(yīng)力分析確定了 ETFE 氣枕的破壞模式及失效準(zhǔn)則，研究了尺寸、矢跨比及膜厚對氣枕承載力的影響[11].吳明兒采用彈簧支撐代替 ETFE氣枕中的壓力系統(tǒng)，開發(fā)了彈簧支撐 ETFE枕式結(jié)構(gòu)，并分析了其成形過程及受力特性[12].

目前ETFE氣枕結(jié)構(gòu)設(shè)計一般沿襲傳統(tǒng)膜結(jié)構(gòu)設(shè)計方法，包括找形分析，荷載分析及裁剪分析.裁剪分析將空間曲面近似展開為平面形狀，裁剪完成的膜片通過焊接形成氣枕.另一方面，利用ETFE薄膜材料優(yōu)良的塑性變形能力，通過施加較高的內(nèi)壓使安裝完成的平面ETFE薄膜產(chǎn)生較大的變形，然后將內(nèi)壓降到正常內(nèi)壓，利用ETFE薄膜材料自身產(chǎn)生的不可回復(fù)變形形成氣枕結(jié)構(gòu)曲面，這種方法稱為平面裁剪的塑性成形法.Kawabata提出了利用加熱以及加壓使氣枕成形的方法，并進行了試驗以及理論分析[13].ZHAO基于平面裁切成形的方法，研究了ETFE氣枕不同內(nèi)壓下結(jié)構(gòu)的應(yīng)力與應(yīng)變特點[14].塑性成形方法得到的氣枕形狀與充氣內(nèi)壓、充氣時間、氣枕邊界形狀、環(huán)境溫度等都有關(guān)系，經(jīng)歷了塑性變形后的ETFE薄膜其材料特性也會出現(xiàn)變化.塑性成形可以大大簡化裁剪和焊接工藝，提高材料的利用率，但塑性成形過程以及成形以后氣枕的受力特性等的研究還很少.

本文針對平面裁剪塑性成形方法，設(shè)計制作了兩個直角梯形ETFE氣枕模型，進行了充氣成形試驗和循環(huán)充氣加載試驗.試驗測量膜面高度和氣壓值并將測量結(jié)果與考慮ETFE薄膜彈塑性特性的有限元結(jié)果進行對比.

1 試驗?zāi)Ｐ?/h2>

試驗?zāi)Ｐ蜑槎踢?.618 m、長邊4.437 m、直角邊3.15 m、斜邊3.637 m的直角梯形，包含60°銳角和120°鈍角，氣枕根據(jù)設(shè)計尺寸進行平面裁剪.考慮ETFE薄膜的幅寬和氣枕平面尺寸，上下膜面均由兩片膜片經(jīng)過高溫?zé)岷虾附佣?上下層膜面的四邊經(jīng)高溫?zé)岷虾附有纬蓺庹斫Y(jié)構(gòu)，利用鋁合金夾具固定在鋼框架上，如圖1所示.在氣枕模型下膜面角部附近設(shè)置了兩個孔，用來連接自動控制系統(tǒng)：一個用于充氣和放氣，另一個用于氣壓的測量與控制.ETFE薄膜采用日本旭硝子生產(chǎn)的材料，厚度為250 μm.

圖1 ETFE氣枕及其尺寸(單位：mm)Fig.1 ETFE cushion and its dimension (Unit: mm)

2 試驗方法

2.1 試驗準(zhǔn)備

為了實現(xiàn)ETFE氣枕充氣和泄氣、穩(wěn)壓的自動化，設(shè)計了一套簡單實用的壓力控制系統(tǒng).該系統(tǒng)由空壓機、三通管、壓力開關(guān)、電磁閥、泄氣閥、氣壓計以及無紙記錄儀組成.壓力開關(guān)可以在設(shè)定的氣壓下自動對電磁閥進行開閉，實現(xiàn)氣枕的充氣和泄氣，從而控制氣壓.

試驗在ETFE氣枕下膜面設(shè)置了5個高精度激光位移計測量位移，測點布置如圖2所示.

2.2 加載過程

將ETFE氣枕試驗分為兩組，分別用氣枕1和氣枕2表示.從工程的角度，氣枕1模擬了施工現(xiàn)在制作到使用的過程，氣枕2模擬了工廠制作再到現(xiàn)場使用的過程.氣枕1加載過程如下：首先，利用自動壓力控制系統(tǒng)將氣枕充氣到內(nèi)壓2 kPa后立即泄氣使內(nèi)壓降至0.5 kPa，接著使0.5 kPa內(nèi)壓維持70 min，此過程為充氣成形階段.充氣成形階段結(jié)束時可視為是氣枕1的工作初始形態(tài)；最后，將內(nèi)壓升到3 kPa后立即降至0.5 kPa，共重復(fù)5次，此過程為循環(huán)充氣加載階段.內(nèi)壓加載過程如圖3所示.

圖2 激光位移布置圖(單位：mm)Fig.2 Layout of laser displacement sensor (Unit: mm)

圖3 氣枕1內(nèi)壓加載過程Fig.3 Inflating and deflating process of Cushion 1

對于氣枕2，內(nèi)壓控制過程如下：首先，將氣枕內(nèi)壓升至2 kPa后立即將氣枕內(nèi)壓降至0 kPa，維持該狀態(tài)24 h，再將內(nèi)壓升到0.3 kPa而后立即降至0 kPa，共重復(fù)3次，再將內(nèi)壓充氣到0.5 kPa立即降至0 kPa，共重復(fù)3次，此過程為充氣成形階段.接著將內(nèi)壓升至3 kPa后立即降至0.3 kPa，共重復(fù)3次，此過程為循環(huán)充氣加載階段.內(nèi)壓加載過程如圖4所示.氣枕2在成形階段設(shè)置了2次0.3 kPa和0.5 kPa的循環(huán)加載，是為了測試成形得到的氣枕在正常工作內(nèi)壓下形狀的穩(wěn)定性.

圖4 氣枕2內(nèi)壓加載過程Fig.4 Inflating and deflating process of Cushion 2

充氣成形階段目的在于使氣枕從平面形狀變?yōu)榭臻g形狀；循環(huán)充氣階段目的在于研究由塑性成形得到的氣枕在風(fēng)荷載等外載作用下的結(jié)構(gòu)特性.

3 數(shù)值分析

采用ANSYS軟件對ETFE氣枕的充氣以及泄氣過程進行數(shù)值分析.為了簡化，本文中ETFE薄膜材料采用多折線各向同性強化的彈塑性材料模型進行模擬，不考慮其粘性特性.對與試驗中相同批次的ETFE薄膜材料進行了單軸拉伸試驗，從應(yīng)力應(yīng)變曲線提取4個特征點，構(gòu)成ETFE薄膜的折線材料模型，如圖5所示.這4個點對應(yīng)的應(yīng)變與應(yīng)力值分別為：點1(2.1%，14.0 MPa)、點2(12.2%，22.9 MPa)、點3(50.0%，37.1 MPa)和點4(100.0%，68.9 MPa).在點1之前ETFE薄膜處于彈性階段，彈性模量為650 MPa，泊松比為0.42，應(yīng)力超過點1以后進入彈塑性階段.各點的應(yīng)力應(yīng)變值均采用真實應(yīng)力與真實應(yīng)變.

采用不考慮受壓及受彎剛度的shell181單元劃分氣枕膜面，數(shù)值分析中忽略薄膜自重，考慮對稱性僅計算一層膜面.

圖5 ETFE薄膜各向同性強化彈塑性折線模型Fig.5 Multi-linear elastic-plastic model withisotropic hardening

4 試驗與數(shù)值分析結(jié)果

各測點豎向位移與氣枕內(nèi)壓的試驗結(jié)果和數(shù)值分析結(jié)果，氣枕1見圖6所示，氣枕2見圖7所示.以下矢跨比計算中，將氣枕跨度定義為梯形高度，即3 150 mm.

4.1 氣枕成形階段

氣枕1經(jīng)過2 kPa充氣，泄氣至0.5 kPa并保持70 min完成成形，在假定的0.5 kPa工作壓力下氣枕高度(即測點1位移)為335.1 mm，氣枕矢跨比為1/9.4.在0.5 kPa內(nèi)壓保持70 min的時間內(nèi)，氣枕高度降低了2.2 mm，氣枕形狀變化不大.

a測點1b測點2c測點3d測點4

e 測點5圖6 氣枕1試驗結(jié)果與數(shù)值結(jié)果Fig.6 Experimental and numerical results of Cushion 1

a測點1b測點2c測點3d測點4

e 測點5圖7 氣枕2試驗結(jié)果與數(shù)值結(jié)果Fig.7 Experimental and numerical results of Cushion 2

氣枕2經(jīng)過2 kPa充氣，泄氣后靜止24 h，0.3 kPa及0.5 kPa循環(huán)后，在假定的0.5 kPa工作壓力下氣枕高度為306.0 mm，氣枕矢跨比為1/10.3.

比較充氣至2 kPa后泄氣至0.5 kPa時的氣枕高度(357.1mm，矢跨比1/8.8)，泄氣后靜止24 h使氣枕形狀產(chǎn)生較大的回縮.具體考察氣枕2的回縮量.在泄氣后內(nèi)壓0 kPa放置24 h過程中，氣枕高度由318.3 mm降低到238.3 mm，表明氣枕形狀有較大的回縮(回縮量80 mm)；通過0.3 kPa及0.5 kPa的循環(huán)加載，0 kPa時氣枕高度為277.5 mm，表明有約50%的回縮量得到恢復(fù).

進一步考察氣枕膜面的應(yīng)力，在2 kPa時膜面中央大部分區(qū)域進入塑性，最大Mises應(yīng)力處于圖5中點1和點2之間，氣枕成形過程使膜面產(chǎn)生塑性變形.

數(shù)值分析較好地模擬了氣枕1的成形過程.對于氣枕2，數(shù)值分析無法模擬靜止階段的回縮現(xiàn)象.

4.2 循環(huán)加載階段

對于循環(huán)加載，氣枕1和氣枕2表現(xiàn)出了相同的特性.

氣枕從循環(huán)加載最初的0.5 kPa加載到2 kPa時，其形狀與成形階段加載到2 kPa時的形狀基本重合.氣枕1的氣壓位移幾乎是直線，表明ETFE薄膜材料經(jīng)過成形過程已經(jīng)得到強化，ETFE氣枕呈現(xiàn)彈性特性.氣枕2在成形階段產(chǎn)生的回縮基本得以消除.繼續(xù)加載至3 kPa時，ETFE薄膜材料重新進入塑性，卸載至0.5 kPa時氣枕產(chǎn)生殘余變形.在3 kPa循環(huán)加載過程中，氣枕表現(xiàn)較好的彈性特性，加載與卸載曲線幾乎重合，繼續(xù)產(chǎn)生的殘余變形量很小.

循環(huán)加載結(jié)束時，氣枕在0.5 kPa內(nèi)壓下的高度，氣枕1為432.2 mm，氣枕2為429.0 mm，兩者矢跨比基本一致，約為1/7.3.

數(shù)值計算結(jié)果與試驗結(jié)果基本一致，表明采用本論文的ETFE薄膜彈塑性模型可以進行循環(huán)加載的模擬.

5 結(jié)論

本文對兩個直角梯形ETFE氣枕進行了充氣成形試驗和循環(huán)充氣加壓試驗，同時與考慮ETFE彈塑性特性的有限元結(jié)果進行了對比，得出以下結(jié)論：

(1) 通過最大壓力為2 kPa的成形試驗，兩個試驗?zāi)Ｐ偷玫降臍庹淼氖缚绫确謩e為1/9.4和1/10.3；

(2) 氣枕成形后經(jīng)較長時間放置后，氣枕形狀有較大的回縮.氣枕2在24h后的回縮使氣枕的矢跨比從1/8.8變?yōu)?/10.3；

(3) 2 kPa的成形加載，使ETFE薄膜發(fā)生塑性變形，材料得到強化.由此方法成形得到的氣枕，繼續(xù)承載的壓力不超過成形氣壓(2 kPa)時，氣枕的變形近似為彈性變形；

(4) 超過成形氣壓的加載，使氣枕產(chǎn)生新的塑性變形，但循環(huán)加載過程中氣枕仍表現(xiàn)出較好的彈性特性；

(5) 考慮ETFE薄膜材料彈塑性特性的有限元分析，可以較好地模擬成形及循環(huán)加載過程，但是無法模擬氣枕成形階段的形狀回縮.

參考文獻(xiàn):

[1] 吳明兒, 劉建明, 慕仝, 等. ETFE薄膜單向拉伸性能[J]. 建筑材料學(xué)報, 2008, 11(2): 241.

WU Minger, LIU Jianming, MU Tong,etal. Uniaxial tensile properties of ETFE foils [J]. Journal of Building Materials, 2008, 11(2): 241.

[2] CHARBONNEAU L, POLAK M A, PENLIDIS A. Mechanical properties of ETFE foils: testing and modelling [J]. Construction and Building Materials, 2014, 60: 63.

[3] 吳明兒, 賞瑩瑩, 李殷堂. 雙軸拉伸下ETFE薄膜材料力學(xué)性能[J]. 建筑材料學(xué)報, 2014, 17(4):623.

WU Minger, SHANG Yingying, LI Yintang. Biaxial tensile mechanical properties of ETFE foil [J]. Journal of Building Materials, 2014, 17(4): 623.

[4] 崔家春, 吳明兒, 楊聯(lián)萍. ETFE薄膜雙向力學(xué)性能試驗研究[J]. 建筑材料學(xué)報, 2016, 19(5):866.

CUI Jiachun, WU Minger, YANG Lianping. Experimental study on biaxial mechanical properties of ETFE film [J]. Journal of Building Materials, 2016, 19(5): 866.

[5] GALLIOT C, LUCHSINGER R H. Uniaxial and biaxial mechanical properties of ETFE foils [J]. Polymer Testing, 2011, 30(4): 356.

[6] 吳明兒, 劉建明, 張其林. ETFE 薄膜氣枕模型試驗研究[J]. 建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報, 2009, 29(6): 126.

WU Minger, LIU Jianming, ZHANG Qilin. Experimental study on ETFE foil cushion [J]. Journal of Building Structures, 2009, 29(6) : 126.

[7] 陳務(wù)軍, 唐雅芳, 任小強, 等. ETFE 氣囊膜結(jié)構(gòu)設(shè)計分析方法與數(shù)值分析特征研究[J]. 空間結(jié)構(gòu), 2010, 16(4): 38.

CHEN Wujun, TANG Yafang, REN Xiaoqiang,etal. Analysis methods of structural design and characteristics of numerical algorithm for ETFE air inflated film structures [J]. Spatial Structures, 2010, 16(4): 38.

[8] 趙兵, 陳務(wù)軍, 何艷麗,等. ETFE薄膜雙層氣枕結(jié)構(gòu)試驗研究[J]. 空間結(jié)構(gòu), 2013, 19(1): 65.

ZHAO Bing, CHEN Wujun, HE Yanli,etal. Experimental study on double-layer ETFE foil cushion [J]. Spatial Structures, 2013, 19(1): 65.

[9] 許晶. 氣枕式ETFE膜結(jié)構(gòu)的靜力分析[D]. 北京：北京工業(yè)大學(xué), 2005.

XU Jing. The static analyses for ETFE air cushion membrane structure [D]. Beijing: Beijing University of Technology, 2005.

[10] 顧磊, 王鵬, 陳世平, 等. ETFE氣枕模型試驗與有限元分析[J]. 建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報, 2012, 33(5): 46.

GU Lei, WANG Peng, CHEN Shiping,etal. Experimental study and FEA of ETFE cushion [J]. Journal of Building Structures, 2012, 33(5): 46.

[11] 李鵬, 楊慶山, 王曉峰. 基于共同作用模型的ETFE氣枕力學(xué)性能研究[J]. 工程力學(xué), 2014, 31(9): 203.

LI Peng, YANG Qingshan, WANG Xiaofeng. Study on mechanical properties of ETFE cushions based on interaction model [J]. Engineering Mechanics, 2014, 31(9): 203.

[12] 吳明兒, 毛元慶. 雙彈簧支撐ETFE枕式膜結(jié)構(gòu)性能研究[J]. 建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報, 2013, 34(11): 57.

WU Minger, MAO Yuanqing. Studies on structural behavior of ETFE foil spring cushion structure consisting of two spring units [J]. Journal of Building Structures, 2013, 34(11): 57.

[13] KAWABATA M, NISHIKAWA K, MORIYAMA F,etal. Study on heat and pressure shaping of ETFE film pneumatic panel, (part 1) behavior and material constant when heating ETFE film, (part 2) examination of behaviors on heat and pressure shaping[C]// Summaries of Technical Papers of Annual Meeting Architectural Institute of Japan. [S.l]: Architectural Institute of Japan, 2005: 929-932.

[14] ZHAO B, CHEN W, HU J,etal. Mechanical properties of ETFE foils in form-developing of inflated cushion through flat-patterning [J]. Construction and Building Materials, 2016, 111: 580.