本发明专利技术提供一种建筑膜结构预张力测量方法及测量装置，该方法步骤如下：将一质点小球入射一固定边界的张拉膜面，使膜面产生振动，同时小球被弹回；测量同一固定边界的张拉膜面内小球的入射速度ｖ↓［０］，返回速度ｖ↓［ｔ］，膜面中点最大位移（振幅）Ｔ↓［ｍａｘ］，以及小球的质量ｍ↓［０］；调换经纬方向重复测量出Ｔ↓［ｍａｘ］、ｖ↓［０］、ｖ↓［ｔ］；根据公式：π↑［２］ｈａｂＴ↓［ｍａｘ］↑［２］［（（σ↓［０ｘ］／ａ↑［２］）＋（σ↓［０ｙ］／ｂ↑［２］））＋（π↑［２］／３２）（（Ｅ↓［ｘ］／ａ↑［４］）＋（Ｅ↓［ｙ］／ｂ↑［４］））.Ｔ↓［ｍａｘ］↑［２］］＝４ｍ↓［０］（ｖ↓［０］↑［２］－ｖ↓［ｔ］↑［２］）并测得两组Ｔ↓［ｍａｘ］、ｖ↓［０］、ｖ↓［ｔ］值，求解得到膜面张力σ↓［０ｘ］和σ↓［０ｙ］。本方法以薄膜大挠度理论为基础，较以前的方法，其在理论上更接近实际，理论精度更高；适用于各种膜材，能测出膜材正交两个方向的预张力，且能测量膜在不同的荷载作用下的张力，能很快应用到实际工程中。该装置结构简单、成本较低，应用十分方便。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于工程测量与监测
，具体涉及一种建筑膜结构预张力测量方法，以 及实现此方法的测量装置。
技术介绍
建筑膜结构的刚度是通过给膜材施加预张力来实现的。膜材的预张力越大，膜结构的 刚度就越大，其承受外荷载的能力就相应越强。然而，膜材的预张力越大，对施工张力设 备以及边界构件的锚固条件的要求就越高，其强度储备也就越低。但是膜材的预张力过小， 其平面外刚度就过小，在风、雨和雪等平面外荷载作用下，变形会很大，影响外观造型的 同时还可能使得屋面积水、积雪而影响结构的安全，造成工程事故。因此，膜结构中膜材 预张力的测量成为影响膜结构设计、施工和完工后工程验收的一个重要因素，也是膜结构 不同于其他类型结构的一个特点。由此可知，研究膜结构的张力具有实际意义l.测量膜的预张力，控制膜张力与设计 值相符合，保证工程质量；2.通过有效地测量膜在不同荷载作用下的张力值，采取有效的 措施控制膜张力，可以防止膜褶皱松弛或被撕裂，防止或减少工程事故。目前国内外测量建筑膜结构膜材张力的方法，主要有应变法、频率法、位移法和"拟 索法"等几种。下面对其中主要几种方法的原理作简要介绍 (一)激光光谱测试法(应变法) .膜材是双向编织的玻璃纤维或聚酯纤维增强的树脂基复合材料，为正交异性材料，材 料主应力方向为纤维的方向，膜材在纤维方向上的抗拉性能主要决定于纤维的性能，而在 垂直于纤维的方向的抗拉性能主要决定于基材。由于膜材主要性能体现于抗拉性能，而基 材的抗拉性能与纤维相比差很大，同时膜材双向均有纤维，因此两个主应力方向的力学性 能均主要决定于纤维的性能。激光拉曼光谱原来主要用于测定复合材料与基材界面的残余应力的，从以上的分析来 看，本方法是可以用于膜材预张力的测试的。膜材受拉力后，界面层中任何两个原子离开 平衡位置并在新的位置发生平衡，原子间的作用力随之改变。原子间的作用力决定着原子 的间距，而原子间的间距与原子振动频率有关。随着外加拉应力的增加，原子间距增加，原子振动频率下降；反之在压应力下，原子间距减小，原子振动频率增加。这种振动频率 的变化可以用激光拉曼光谱测定出来，相应的就可以把原子间的变形测出来。这种测试法就是利用激光拉曼光谱技术标定出纤维所受应变与拉曼光谱频率位移之 间的关系，然后用激光拉曼光谱仪测出膜材界层相邻纤维的拉曼光谱频率位移，从而换算 出纤维的应变，根据纤维的弹性模量，求出膜材纤维的应力。为此，该方法要先测出伸直的纤维在不受荷载时的拉曼频率位移图，然后将纤维加上 一系列荷载，每一种荷载下都应对应着一定的应变值。同时，沿纤维长度测出其拉曼频率 位移图。根据国外的研究结果，纤维在不同的应变状态下，拉曼频率谱峰值与所受应变呈 线形关系(如图l所示)，所以标定实验要测出纤维在不同应变下的激光拉曼谱，最后给 出拉曼频率峰值位置与应变的关系直线。此方法主要着眼点于膜材的纤维部分，而建筑膜材实际上是纤维基层与涂层合成的， 涂层对膜材的材料性质以及受力特性的影响是很大的，这种方法忽略了涂层的影响，显然 精确度是要打折扣的，而且此方法所用的仪器比较昂贵，要在实际工程中大范围推广也是 很困难的。(二)频率测试法在研究膜材的振动问题时，取膜材表面横向荷载？ = 0， X、 y向为弹性主方向时，可 取/^=0，存在有预张力A^、 A^不为零。则膜材的曲面微分方程为式中W为圆频率，Z),、 D2、 A为膜材的刚度系数，『为膜的挠度，P为膜的密度，A为 膜的厚度。如图2所示，长宽分别为a、 b四边简支的矩形膜材，也是整体膜结构的局部。设振型 ff为重三角级数；『=尤l;4sin，sin^，带入曲面微分方程。由于膜面上各点均满足方程式，并且4,,,,-0，可得固有频率w的解。当膜材无预张力时，即^, = ^,=0时， 固有频率的解为如果膜材存在预张力，膜材的固有频率还与预张力的值有关。膜材是正交异性材料，其推导过程复杂，这里不推导。假设是各向同性材料，则膜材在无预张力状态下的固有频率公式。无张力状态下-<formula>formula see original document page 6</formula>当存在预张力乂、札时A为修正系数见<formula>formula see original document page 6</formula>可见频率与A^、 A^有密切关系。实测膜结构上某点的iV,、 A^时，可以采用特制的设备，在膜材局部隔离出x、 y分别 为a、 b的矩形区域，使得区域边界条件为间支边，测出该区域局部矩形膜材的频率q， 然后调转方向使得y、 x分别为a、 b，再测出频率为6;2。 q 、 ^均与该局部的A^、 A^有 关系，可建立两个方程，解出的iV,、 A^即是在局部的预张力。在这种方法的所用的基频的公式中含有膜的抗弯刚度项，实际上是按照板的理论在计 算膜，但是膜是柔性结构，不考虑其抗弯刚度，所以该方法在理论上存在缺陷。如果在理 论上加以修正，只要能通过更好的方法测试出更精确的膜材的基频，这种方法应该是可行 的。(三)位移法膜结构在日本的应用比较广，在膜张力测量研究方面也有一些成果。鹿岛建设株式会 社开发的膜张力测量装置由一个丙烯酸容器、 一个真空泵和一个具有计算数字显示功能的 测量盒组成。容器内安装有一个非接触式位移传感器和一个气压计。容器为底面开口的盒 子，平面形状是200mmX500mm的长圆形，两端是直径为200mm的半圆弧。在测量时 首先，把容器底面贴紧在膜材表面上，形成一个封闭的空间，通过与它连接的真空泵将容 器的气体降低到一个特定的水准，此时容器底面所围的膜面在均匀负压作用下向容器内凹 陷。紧接着，用非接触式位移传感器量测膜材的最大凹陷位移。最后，通过预先标定的膜 张力与凹陷位移关系演算出膜张力。因此，这是一种在恒定荷载作用下应用位移法测量膜 张力的装置。容器是带圆角的长圆形，这样就可以分别测量膜材在经向和纬向的膜张力。在容器长向的膜张力对位移的影响要比短向小得多，可以近似地忽略不计。于是，容器短 向的膜张力可以根据位移求出。膜材的材质、涂层、厚度、经维双向的杨氏模量等参数以 及膜材表面与容器底面间摩擦系数都对膜材的位移有影响。对于不同的膜材，这些因素是 不同的。因此，对不同的膜材必须分别进行标定试验。通过标定试验获得各种膜材的膜张力与凹陷位移之间的相关公式，就可以使用这种装 置在实际膜结构中测量相应膜材的膜张力。这种方法就是适用的范围受到已经标定的膜材种类的限制。使用该方法，对不同种类、 不同厚度以及同一种类膜材的经向和纬向也都必须先标定位移与应力关系曲线，工作量巨 大。因此，这一方法的精度也很有限。 (四)拟索法国内目前对膜结构张力测量方面的研究还很少，邓长根、张其林、孙战金在膜材张力 测量方面作了一些研究工作，并取得了一些成就。孙战金写的"建筑膜材预张力值测试的理论和实验研究"一文中提出了膜材张力测量 的"拟索法"。其基本思路是对一个膜结构的局部区域而言，当该矩形区域尺寸长边的长度与短边的长度之比b/a足够大时，可认为该区域在平面外均布荷载《作用下的受力性 能与单向板类似。这样，在平面外均布荷载作用下，单向板中本文档来自技高网...
【技术保护点】
建筑膜结构预张力测量方法，其特征在于，包括如下步骤： Ａ）将一质点小球入射一固定边界的张拉膜面，使膜面产生振动，同时小球被弹回； Ｂ）测量同一固定边界的张拉膜面内小球的入射速度ｖ↓［０］，返回速度ｖ↓［ｔ］，膜面中点最大位移（振幅）Ｔ↓［ｍａｘ］，以及小球的质量ｍ↓［０］；调换经、纬方向重复测量出Ｔ↓［ｍａｘ］、ｖ↓［０］、ｖ↓［ｔ］； Ｃ）根据公式： π↑［２］ｈａｂＴ↓［ｍａｘ］↑［２］［（σ↓［０ｘ］／ａ↑［２］＋σ↓［０ｙ］／ｂ↑［２］）＋π↑［２］／３２（Ｅ↓［ｘ］／ａ↑［４］＋Ｅ↓［ｙ］／ｂ↑［４］）.Ｔ↓［ｍａｘ］↑［２］］＝４ｍ↓［０］（ｖ↓［０］↑［２］－ｖ↓［ｔ］↑［２］） 以及步骤Ｂ）测得的两组Ｔ↓［ｍａｘ］、ｖ↓［０］、ｖ↓［ｔ］值，求解得到膜面张力σ↓［０ｘ］和σ↓［０ｙ］； 公式中：ｈ为膜材厚度，ａ为矩形膜材沿ｘ向长度，ｂ为矩形膜材沿ｙ向长度，Ｔ↓［ｍａｘ］为膜材中心最大位移（即振幅），σ↓［０ｘ］为ｘ向初拉应力，σ↓［０ｙ］为ｙ向初拉应力，Ｅ↓［ｘ］为ｘ向弹性模量，Ｅ↓［ｙ］为ｙ向弹性模量；各个量的单位采用国际单位制。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：郑周练，刘长江，何晓婷，陈山林，孙俊贻，颜禧仕，
申请(专利权)人：重庆大学，
类型：发明
国别省市：85[中国|重庆]
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