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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)稱為ETFE氣枕。20世紀80年代，ETFE氣枕首次作為圍護結(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氣枕開始應用于體育場館和展覽館等大型建筑工程中。作為一種新型圍護結(jié)構(gòu)，目前國內(nèi)外關(guān)于ETFE氣枕的研究報道較少。近年來，隨著國家游泳中心等一批氣枕式膜結(jié)構(gòu)工程的建設(shè)，國內(nèi)學者展開了ETFE氣枕的數(shù)值模擬和試驗研究。
形態(tài)分析是ETFE氣枕荷載分析的前提，文獻首先在小彈性模量下尋找等應力曲面，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，應準確考慮內(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。盡管該方法實現(xiàn)了對ETFE氣枕荷載分析的有效模擬，但由于需要自編程序以計算內(nèi)壓，操作復雜；此外，上述方法忽略了內(nèi)充氣體的質(zhì)量效應，不宜用于氣枕動力分析。
為了驗證數(shù)值模擬方法的正確性，學者們展開了ETFE氣枕的形態(tài)測試和加載測試，采用的測試手段包括全站儀、位移計、刻線法及數(shù)字攝影測量技術(shù)等。由于已有測試多采用縮尺模型，初始缺陷和邊界效應影響顯著。為了方便測量和降低誤差，試驗中往往使氣枕的內(nèi)壓遠高于正常值，但這不利于獲得ETFE氣枕的真實力學性能。且已有試驗主要測試荷載作用下的膜面變形，尚沒有對氣枕內(nèi)壓進行詳細測量。此外，已有試驗研究主要為ETFE氣枕的靜力測試，氣枕動力特性測試鮮有涉及。ETFE氣枕屬于輕柔結(jié)構(gòu)，動力測試時采用傳統(tǒng)加速度傳感器會產(chǎn)生附加質(zhì)量和附加剛度，且不易安裝，這對測試設(shè)備和技術(shù)提出了更高要求。
在航天領(lǐng)域，國內(nèi)外學者對航天器中的充氣膜結(jié)構(gòu)進行了大量動力測試，使用的傳感器主要為智能材料加速度計和激光位移計。前者質(zhì)量較輕，但由于需要連接導線，仍會對充氣膜結(jié)構(gòu)的動力特性造成一定影響；后者采用非接觸式測量技術(shù)，不產(chǎn)生附加質(zhì)量，但對測試距離和角度有更為嚴格的要求。然而，由于ETFE氣枕在幾何形式、材料類型、設(shè)計載荷及使用環(huán)境等方面與航天器中的充氣結(jié)構(gòu)有較大差異，故無法直接引用航天領(lǐng)域的研究成果。為此，設(shè)計并制作了1個足尺ETFE氣枕模型，旨在通過形態(tài)測試、加載測試及自由振動測試研究 ETFE氣枕的靜、動力性能，驗證數(shù)值模擬方法的準確性和適用性，為ETFE氣枕的設(shè)計和分析提供參考。
測試模型為正六邊形ETFE氣枕，邊長為2m。按設(shè)計規(guī)定，正六邊形氣枕的跨度L定義為其內(nèi)切圓直徑。經(jīng)計算，模型跨度為3.464m。氣枕上、下層膜面按照等矢高設(shè)計，矢跨比取8%。由于裁剪膜材焊接及安裝后膜面矢高會較理論值有所減小(模型矢高減小約5%) ，為保證氣枕充氣后矢高仍滿足設(shè)計要求，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驗室現(xiàn)場進行。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。采用微型電動氣泵充氣至內(nèi)壓為300Pa并檢測氣枕矢高和褶皺程度是否符合設(shè)計要求(矢高誤差1%內(nèi)，膜面絕大部分光滑無褶皺)。
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