上海交通大学硕士学位论文大型充气膜结构特性分析与高强膜材试验研究姓名：赵大鹏申请学位级别：硕士专业：结构工程指导教师：陈务军20070201大型充气膜结构特性分析与高强膜材试验研究 摘 要 充气膜结构是一类特殊的膜结构体系，气承式膜结构为大跨结构体系发展做出了卓越贡献，大型气囊膜结构近几年在国外也得到了应用与发展，但我国尚无相关研究与应用。高性能织物膜材是实现大型膜结构的基础，但我国尚不能生产，同时对其性能无研究。因此，本文首先对大型充气膜结构的分析方法及基本特性进行了研究， 然后对高性能(高强)膜材进行了试验研究。 首先，基于 Easy 软件系统，介绍了相关理论及充气膜结构分析实现方法。充气肋是实现大跨膜结构的一种基本结构支撑单元，本文先从理论解析方面对其承载力与变形进行了研究，然后利用 Easyvol 进行了数值分析，以及全面的参数分析，如气压、矢高、拱长、荷载大小与加载模式等，并与试验结果进行了比较研究。以 2008 年奥运会“鸟巢”中央开孔为背景，当采用气囊膜和气承式膜结构时，分别分析了在雪荷载和风吸荷载下膜面的应力、矢高、内压、变形等结构特性参数变化。 目前强度最高的 C 类 PVDF/PES 主流建筑织物膜的代表产品为：杜肯(B1618和 B1092)、法拉利(1302和 1502)，主要用于大型受力复杂膜结构。本文采用四种膜材进行了一系列试验研究，主要包括：不同搭接焊缝宽度膜材的单向拉伸试验，得到了膜材的破坏形态、应力-应变曲线、极限抗拉强度和断裂延伸率；膜材的往返荷载试验，得到了膜材在往返荷载作用下的应力-应变曲线及弹性模量(弹性刚度)；法拉利(1302和 1502)膜材的徐变试验，得到了其在 6 小时内的徐变曲线及徐变量。最后，对两种军用充气帐篷篷布进行了试验，包括单向、双向强度拉伸试验。 关键词：气囊膜，充气肋，高强膜材，极限强度，弹性模量，徐变 STRUCTURAL PERFORMANCES ANALYSIS OF LARGE PNEUMATIC MEMBRANE STRUCTURE AND EXPERIMENT ON HIGH-STRENGTH FABRICS ABSTRACT The pneumatic membrane structure is a special membrane structure system. As a type of pneumatic membrane, the air supported membrane has been made outstanding contributions to the development of the large span space structures and the large air inflated membrane has also been applied and developed over the past few years in abroad. But the correlative researches and applications in this field had no been studied domestic. In addition, the high-properties fabric membranes are necessary to construct the large membrane structures, but these textiles still can not be produced in our country and their properties thus can not be research thoroughly either. In this paper, the analysis methods and basic performances of the pneumatic membrane structures were investigated, and the experimental studies of the high-performance (high-strength) fabrics were carried out either. Firstly, the numerical method and the correlated theory are introduced briefly for the pneumatic membrane structure involved in the software system Easy. The air arch is a basic structural component to realize the large span pneumatic membrane structure. The load carrying capacity and deformation are evaluated with analytical theory. Meanwhile, the numerical analyses are performed with EasyVol involved the comprehensive parametrical analysis such as the pressure, the rise, the length of the arch, the load size and the loading pattern etc. The experimental results are also evaluated and trade-off. Next, on the background of the central open of the Beijing national stadium “Bird Nest” in 2008, the basic structural performance are evaluated for the possible schematic idea, a large air supported membrane or air inflated membrane structure, including the variation of the fabric stress, the rise, the inner pressure and the deformation due to snow pressure and wind suction, respectively. Duraskin (B1618 and B1092) and Ferrari (1302 and 1502) are the representative products of the high-strength architectural fabrics of C-type PVDF/PES, which are mainly used to build large and complicated membrane structures. A series of experiments have been carried out for the four type fabrics. The first experiments are the uniaxial tensile for the welded seams with various lapped widths, and the broken style, the stress-strain curves, the ultimate strength and the broken elongation ratio are obtained for the corresponding membrane. The characteristics of the membrane subjected to the cyclic loading are tested to determine the elastic modulus (elastic stiffness) from the cycling stress-strain curves. The creep versus time (six hours) curves is obtained through the creep experiments for Ferrari (1302 and 1502). Finally, the uniaxial and bi-axial tensile experiments are performed for two kinds of military clothes to manufacture the air-inflated tents. KEY WORDS: Air inflated membrane, Air-arch, High-strength fabric, Ultimate strength, Elastic modulus, Creep 上海交通大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：赵大鹏 日期：2007 年 01 月 30 日 上海交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密保密，在 年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密不保密。 （请在以上方框内打“”） 学位论文作者签名：赵大鹏 指导教师签名：戈东明 日期：2007 年 01 月 30 日 日期：2007 年 01 月 30 日 上海交通大学硕士学位论文 第一章 绪论 1第一章 绪论 1.1 引言 作为现代空间结构体系的一个重要分支，膜结构是一种全新的建筑结构形式，它集建筑学、结构力学、精细化工与材料科学、计算机技术等为一体，借鉴现代造型艺术与技术美学的成就，其曲面可以随着建筑师的设计需要任意变化，外观造型新颖独特，内部空间给人一种梦幻般的感觉，很大程度上满足了现代人的审美观念，成为现代建筑的新风格1,2,3。另外具有充分利用阳光、空气以及与自然融合的特性，符合当前提倡的“环保、可持续发展”重大战略，也为高科技生态建筑的发展提供了广阔的空间，更受到世界各地绿色建筑运动倡导者们的青睐，将成为 21 世纪“绿色建筑体系”的宠儿，具有如下的特点1,4： 1. 艺术性：充分发挥建筑师的想象力，又体现结构构件优异的受力特性。 2. 经济性：由于膜材特有透光性，白天可减少照明强度和时间，能很好地节约能源。同时夜间彩灯透射形成的绚烂景观也能达到很好的建筑艺术效果。 3. 大跨度：膜结构可以从根本上克服传统结构在大跨度(无支撑)建筑上实现所遇到的困难，可创造巨大的无遮挡可视空间，有效增加空间使用面积。 4. 自洁性：膜材自身具有防护涂层，可使建筑具有良好的自洁效果，同时保证建筑的使用寿命。 5. 工期短：膜建筑工