一种etfe薄膜双向力学性能测试装置及方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及建筑设计领域，具体涉及一种ETFE薄膜双向力学性能测试方法。
【背景技术】
[0002] ETFE(EthyleneTetraFluoroEthylene)薄膜中文全称为乙稀-四氟乙稀共聚 物，是一种有机高分子材料，既具有类似聚四氟乙烯的优良性能，又具有类似聚乙烯的易加 工性能。于20世纪70年代由杜邦化学公司发明，后由德国人斯蒂芬?勒耐特成立维克 多-福伊特克公司，专门设计和制造ETFE薄膜并向全球的建筑公司推广。经过近四十年的 开发与应用，ETFE薄膜已成为建筑材料领域中一颗璀璨的明星。
[0003] 目前，对于ETFE薄膜单轴拉伸性能的试验与分析研宄国内外均已较为成熟，生产 厂商也逐渐将研宄范围拓宽至生产、加工、安装以及使用寿命等，对工程应用起到很大作 用。2005年日本膜结构协会对ETFE薄膜结构的材性、加工、设计、施工和维护等方面进行了 整理，形成了ETFE气枕结构设计指南草案，草案中ETFE薄膜的材料性能均来自单轴拉伸试 验。已完成的关于ETFE薄膜材料性能的研宄包括：采用不同的拉伸速度进行了ETFE薄膜 的单轴拉伸试验，考察了其屈服强度和弹性模量随应变速率的变化；研宄ETFE薄膜单轴拉 伸时的徐变性能，采用了四元素粘弹性模型进行模拟。通过动力松弛试验确定单轴拉伸时 的材料粘弹性参数，同时结合徐变试验对材料模型进行修正，进行了ETFE气枕模型试验， 检验了材料模型的精度。
[0004] 关于ETFE薄膜双向受力状态下的材料性能，国内外研宄很少，可以查到的文献资 料非常有限。然而实际工程中膜面处于三维空间受力状态，需通过试验获得膜材双向受力 时的材料力学性能。
【发明内容】
[0005] 针对现有技术的不足，本发明旨在提供一种ETFE薄膜双向力学性能测试装置及 方法，以克服现有研宄中没有对ETFE薄膜双向受力状态下材料性能研宄的问题。
[0006] 为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
[0007] -种ETFE薄膜双向力学性能测试装置，包括钢质圆盘和钢质圆环，所述钢质圆盘 和钢质圆环的外缘上安装有相匹配的螺孔；钢质圆环位于钢质圆盘之上，且两者之间通过 螺孔和螺栓夹紧单层所要测试的ETFE薄膜；所述钢质圆盘的底部安装有支撑件；所述钢 质圆盘上设置有圆孔用于安装气门芯，并设置有螺纹孔用于安装气压测量仪；另外，所述 ETFE薄膜的膜面正上方安装有膜面高度测量仪。
[0008] 进一步地，所述膜面高度测量仪采用激光位移计。
[0009] 更进一步地，所述膜面高度测量仪通过主要由导杆、支撑横梁和固定横梁组成的 支撑机构安装于ETFE薄膜的膜面正上方，其中，钢质圆盘的两侧分别直立设有至少两根所 述导杆，每侧的导杆之间固定设置所述支撑横梁，而所述固定横梁的两端则分别可滑动地 连接于两侧的支撑横梁上；而所述膜面高度测量仪则安装于所述固定横梁上。
[0010] 进一步地，用于安装气压测量仪的螺纹孔设于所述钢质圆盘的圆心处。
[0011] 进一步地，所述的气压测量仪包括压力变送器与无纸记录仪，所述压力变送器安 装于所述螺纹孔，而无纸记录仪则连接于所述压力变送器。
[0012] 利用上述装置进行ETFE薄膜双向力学性能测试方法包括如下步骤：
[0013] S1通过钢质圆盘和钢质圆环外缘的螺孔，将单层所要测试的ETFE薄膜用螺栓夹 紧于钢质圆盘和钢质圆环之间，构成圆形气枕模型；通过钢质圆盘上的气门芯，对ETFE薄 膜进行充气加压；
[0014]S2通过气压测量仪和膜面高度测量仪测得气枕顶点的气压和膜面高度；
[0015] S3记步骤S2中测得的气压为p和膜面高度为h，假设此时气枕顶点处于1:1的双 轴受拉应力状态，ETFE薄膜呈球冠状且薄膜材料不可压缩，按下式进行计算得到ETFE薄膜 双向受力状态下的等效真实应力〇ep与等效真实应变eeq:
[0018] 其中，u为泊松比参数，h为ETFE薄膜厚度，r为圆形气枕的半径。
[0019] 需要说明的是，在开始步骤S1之前，先通过气门芯对ETFE薄膜进行预加载，使其 处于预张紧状态。
[0020] 需要说明的是，步骤S1中，采取不间断的连续加载方式对ETFE薄膜进行缓慢充 气。
[0021] 需要说明的是，所述气压测量仪包括压力变送器与无纸记录仪，所述压力变送器 安装于钢质圆盘圆心所设的螺纹孔；测量时，所述压力变送器的气枕顶点进行压力测量，并 将数据传输至无纸记录仪中进行记录。
[0022] 需要说明的是，所述膜面高度测量仪采用激光位移计。
[0023] 本发明的有益效果在于：
[0024] 1、与ETFE薄膜的现有研宄成果相比，本发明ETFE薄膜双向力学性能测试装置及 方法可以通过简单的圆形气枕充气加压试验，得到不同厚度ETFE薄膜三维空间受力状态 下的材料性能参数；
[0025] 2、试验方法简单，测量仪器精度高，可重复性好；可以根据使用情况考虑温度、湿 度等多因素环境的影响，也可考虑单因素环境对材料性能的影响。
【附图说明】
[0026] 图1为本发明测试装置的立体结构示意图；
[0027] 图2为图1中测试装置的俯视平面示意图；
[0028] 图3为图2中的A-A向剖视图；
[0029] 图4为图1中测试装置的正面结构示意图；
[0030] 图5为实施例一得到的气压-高度曲线图；
[0031] 图6为实施例一得到的真实应力-真实应变曲线图；
[0032] 图7为实施例二得到的气压-高度曲线图；
[0033] 图8为实施例二得到的真实应力-真实应变曲线图；
[0034] 图9为实施例三得到的气压-高度曲线图；
[0035] 图10为实施例三得到的真实应力-真实应变曲线图。
【具体实施方式】
[0036] 以下将结合附图对本发明作进一步的描述，需要说明的是，本实施例以本技术方 案为前提，给出了详细的实施方式和具体的操作流程，但本发明的保护范围并不限于本实 施例。
[0037] 如图1-图4所示，一种ETFE薄膜双向力学性能测试装置，包括钢质圆盘3和钢质 圆环4,所述钢质圆盘3和钢质圆环4的外缘上安装有相匹配的螺孔；钢质圆环4位于钢质 圆盘3之上，且两者之间通过螺孔和螺栓5夹紧所要测试的ETFE薄膜；所述钢质圆盘3的 底部安装有支撑件。在本实施例中，所述支撑件由连接于钢质圆盘3底部的柱脚2和连接 于柱脚2底部的底板1组成。所述钢质圆盘3上设置有圆孔6用于安装气门芯，并设置有 螺纹孔7用于安装气压测量仪；另外，所述ETFE薄膜的膜面正上方安装有膜面高度测量仪。
[0038] 需要说明的是，所述膜面高度测量仪采用激光位移计。
[0039] 进一步地，所述膜面高度测量仪通过主要由导杆8、支撑横梁9和固定横梁10组成 的支撑机构安装于ETFE薄膜的膜面正上方，其中，钢质圆盘3的两侧分别立有两根所述导 杆8,每侧的导杆8之间固定连接所述支撑横梁9,而所述固定横梁10的两端则分别可滑动 地连接于两侧的支撑横梁9上；而所述膜面高度测量仪则安装于所述固定横梁10上。测量 时，所述固定横梁10在所述支撑横梁9前后滑动，从而可以带动所述膜面高度