ETFE薄膜的材料性能及其工程应用综述

就ETFE薄膜的材料性能、在膜结构工程中的应用形式、ETFE气垫的工作原理、膜材连接方法、典型工程等进行综述     

ETFE薄膜材料及其力学性能

ETFE薄膜作为一种新型透明建筑材料,近年来得到广泛关注,并在标志性建筑中得到成功应用.ETFE薄膜材料质地柔软.重量轻,透光率高,非常适合在温室、体育场馆等有采光要求的建筑中使用.作为一种高分子材料,ETFE薄膜具有很大的断裂延伸率,但材料弹性区间的延伸率很小,同时力学性能还受到温度的影响,在高温或长时间较大拉伸应力下材料会产生较大徐变.本文简述了ETFE薄膜材料的基本力学性能以及ETFE薄膜建筑的特点.     

ETFE薄膜屋面材料大尺寸火灾试验研究

设计了ETFE薄膜的大尺寸火灾试验,研究了在4 MW火灾规模下ETFE薄膜的燃烧特性,并探讨了在标准试验和大尺寸火灾试验条件下ETFE膜材燃烧是否出现熔滴现象.结果表明:在4 MW火灾规模下,ETFE薄膜在火焰可以接触到的位置发生软化及烧穿,并有滴落物,在火源无法接触到的位置保持完整性,未发生火蔓延;符合GB 8624...     

ETFE薄膜结构积水试验与数值分析

膜结构是一种柔性结构,膜面容易发生雨水积留。针对ETFE(四氟乙烯)薄膜结构,利用ANSYS软件通过迭代计算分析了正方形平面膜面和正方形气枕膜面的积水极限承载力,考察不同跨度及矢跨比时的积水进展情况。计算结果显示,厚度为250μm的单层正方形平面膜面,跨度3m时就会发生积水破坏。对于气枕膜面,是否发生积水破坏由跨度与矢跨比决定。由两层厚度为250μm的ETFE薄膜叠合的正方形边界气枕膜面,当跨度达到5m时将发生积水破坏,跨度为4m、矢跨比达到1/8及以上时也将发生积水破坏。设计制作了3种矢跨比的ETFE薄膜气枕膜面,进行了积水承载试验,将试验结果与数值分析结果进行了对比。     

ETFE薄膜低温单向拉伸性能

在20～-100℃下进行ETFE(乙烯-四氟乙烯共聚物)薄膜单向拉伸性能试验.结果表明:当温度降低至-40℃以下时,ETFE薄膜应力-应变曲线在强化前由明显的两折线几乎变成连续的曲线.随着温度的降低,ETFE薄膜第一屈服点应力、第一屈服点应变、第二屈服点应力和抗拉强度均呈近似线性升高趋势,破断延伸率呈近似线性降低趋势,而第二屈服点应变变化幅度不大.与常温(20℃)相比,低温下ETFE薄膜的抗拉强度有较大提高,而延性则明显降低.在温度从20℃降低至-100℃过程中,ETFE薄膜割线模量变化幅度在10％以内,因此工程设计中可以忽略低温温度变化对ETFE薄膜割线模量的影响.     

ETFE薄膜气枕模型试验研究

设计制作了2个不同矢跨比的ETFE薄膜气枕模型,进行了气枕形状测试、加压以及铺砂加压试验,得到了气枕形状坐标以及膜面随气压的变形量。对ETFE薄膜进行单向拉伸试验,测得材料的屈服强度、切线弹性模量和割线弹性模量。利用几何非线性有限元进行了数值分析,将数值结果与试验值进行了比较分析。结果表明:ETFE薄膜可按各向同性材料分析,数值计算结果与试验值吻合较好;在同样内压作用下,气枕矢高较高时膜面位移与膜面应力较小;ETFE薄膜采用割线弹性模量计算得到的膜面位移与试验值比较吻合,采用切线弹性模量计算得到的变形小于试验值。     

ETFE气枕与ETFE薄膜性能高温环境试验研究

根据中东阿布扎比高温、温差大的环境特点,设计了ETFE气枕性能高温环境试验系统,主要包括密封环境模拟室,776mm×776mm气枕模型,环境加热与ETFE气枕压力计算机自动控制系统,温度、位移数据采集系统.研制出试验系统,进行了40℃～80℃温度变化、6个周期18小时下气枕性能测试,然后利用气枕膜片制备试件,进行了ETFE薄膜厚度测试、ETFE薄膜和缝合节点拉伸试验.得到了相应的膜面矢高位移、试件破坏形态、应力应变曲线、极限强度和破断延伸率,对工程设计具有指导参考价值.     

ETFE膜材在绿色建筑中的应用前景

随着ETFE膜材使用超过30年,其结构形式也逐渐发生变化,从最初的整体充气,到后来的张拉膜,再到现在流行的充气气枕。膜结构作为技术与艺术完美的结合体,近几十年来正受到越来越多建筑师的青睐,特别是以ETFE气枕式膜结构为代表的充气式膜结构体系,其轻盈、通透、具有可持续性等特点使其在众多建设项目中大放异彩。然而,由于膜材本身的局限性(徐变、本构关系不清楚等),限制了ETFE膜材的进一步利用。本文从轻型建筑最优化原则入手,总结了ETFE膜材的各项性能,分析认为ETFE膜材是建造绿色轻质建筑的良好选择。指出该材料在未来将进一步替代玻璃幕墙,成为围护结构的重要组成部分。     

ETFE薄膜材料参数设计值研究

乙烯-四氟乙烯共聚物(ETFE)薄膜结构设计方法与设计参数研究相对滞后,国内外均未正式发布相关设计规范。分别对厚度为80、100、200、250、300μm的ETFE薄膜共计307个试样进行单轴拉伸试验,得到第一屈服点、第二屈服点及抗拉极限点的应力、应变以及各弹性模量的统计值。根据ETFE薄膜的材性及其结构受力特性,确定了单层张拉式和气枕式结构的ETFE薄膜强度标准值,得到了ETFE薄膜的材性不定性统计参数和几何不定性统计参数。根据结构抗力不定性及荷载不定性统计参数,计算并确定了ETFE薄膜单层张拉式以及气枕式结构在风荷载、雪荷载组合时的材料抗力分项系数与强度设计值的建议值。给出了ETFE薄膜弹性模量和泊松比建议值。     

ETFE薄膜在游泳馆中应用的防结露分析

通过分析围护结构不同部位发生结露的主要原因,有针对性地给出了防结露的解决方案,保证了游泳馆的正常使用。为双层薄膜围护结构系统的防结露设计提供了理论参考。     

框式ETFE膜结构幕墙的性能分析

ETFE材料重量轻、透光率高、自洁性好、具有阻燃性,是一种可用于建筑围护系统中的新型建筑薄膜材料。根据支撑结构的不同,ETFE幕墙可分为框式薄膜幕墙和点支式薄膜幕墙。运用ANSYS软件对5个框式幕墙模型进行找形和荷载分析,结果表明:幕墙受荷膜面最大应力与荷载值基本呈线性变化关系;跨度为2m的ETFE幕墙的可用高度可以达到100m。     

ETFE foil spring cushion structure and its analytical method

The traditional Ethylene Tetra Fluoro Ethylene (ETFE) foil cushion is in the form of air cushion, whose structural stiffness is offered by the inner air pressure. Because the air supply and control systems are needed, air cushion structures cost extra energy and need much maintenance. In order to overcome the shortcomings of air cushion, the ETFE foil spring cushion that uses a spring to take the place of air pressure is developed in this paper. At first, the analytical method for shape finding analysis and stress analysis of the spring cushion is described in the paper. A numerical example is shown by means of the software package ANSYS and the suggested method so as to verify the validity of the method. Then, a model experiment on the ETFE foil spring cushion is carried out. In the loading test, the compression of spring is recorded and the experimental results are compared with the analytical results. At the end of the paper, an experimental hall using both ETFE foil air cushion units and spring cushion units as its roof structure is introduced. Through the construction and daily use of the experimental hall, the spring cushion system shows advantages such as easier construction, needing no air supply and control equipments, no running energy and little maintenance compared with the air cushion system.     

双轴拉伸下ETFE薄膜材料力学性能

对两种厚度的ETFE（乙烯四氟乙烯共聚物）薄膜进行了5组应力比的双轴拉伸试验,得到其应力应变曲线.计算了ETFE薄膜的折算应力,检验了Mises屈服准则的适用性,得到了双轴拉伸情况下的弹性模量及泊松比,并与单轴拉伸数据进行了对比分析.结果表明：ETFE薄膜双向受力时符合Mises屈服准则;双轴弹性模量及泊松比与单轴数据接近.     

双弹簧支撑ETFE枕式膜结构性能研究

利用压缩弹簧代替充气形成无需充气设备的ETFE薄膜结构,采用数值分析与模型试验方法对双弹簧支撑ETFE枕式膜结构的可行性及结构性能进行研究。数值分析结果表明：膜面形状由膜面初始应力和弹簧弹力之比决定;弹簧刚度对膜面应力影响较小,增大弹簧刚度可减小膜面位移但使荷载作用下弹簧弹力的变化增大;膜面矢跨比对膜面应力影响不大,但减小矢跨比使膜面变形增大。模型试验结果表明：膜面成形可通过调整弹簧弹力完成,方法简便可靠,膜面成形精度较高;加载试验中弹簧支撑系统工作可靠,可以较好地追随并张紧膜面;支撑点处膜面应力集中不明显,试验结果与数值分析结果吻合较好。     

ETFE薄膜循环拉伸试验及徐变试验

分别在弹性阶段、屈服阶段和塑性流动阶段进行ETFE(乙烯-四氟乙烯共聚物)薄膜循环拉伸试验,考察残余应变、应力松弛、加载和卸载中ETFE薄膜弹性的变化.在材料徐变试验中,采用了25,40和60℃的试验温度以及3,6和9 MPa的拉伸应力,试验时间为24 h.结果表明,常温且拉伸应力在6 MPa以下时材料的徐变量较小且徐变发生缓慢,40℃以上或拉伸应力达9 MPa时材料将产生明显徐变,且徐变呈持续发展趋势.     

荷载作用下气枕式ETFE膜结构受力性能分析

对气枕式ETFE膜结构的受力性能进行了研究,分析了均布荷载作用下ETFE膜结构气枕的膜面位移和内力随荷载变化的规律,分别考察了气枕的初始内压、高跨比、薄膜厚度等参数对气枕位移、膜面应力的影响,给出了其参数变化影响规律.此外,对ETFE气枕的边缘构件进行了受力分析,分别给出了初始形态下和受荷状态下边缘构件的受力特点.通过分析,给出了设计建议.     

气枕式ETFE膜结构的找形分析

对气枕式ETFE膜结构的找形分析进行了研究.由薄膜理论导得膜结构的微分方程,并采用弹性力学的扭转分析法进行求解.文中给出了矩形、等边六边形、椭圆形、圆形、等边三角形、完整扇形及任意扇形等ETFE气枕的找形计算公式,这些公式对气枕式ETFE膜结构的设计具有一定参考价值.此外,对ETFE气枕的边缘构件进行了分析,并给出了设计建议.