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。     

可变透光ETFE气枕光热性能研究

本研究基于合肥市气候条件定制了一种可变透光ETFE气枕.通过Grasshopper平台建立了典型办公室模型和光热联合模拟程序.同时,在合肥市搭建了一个等比例缩小的办公室模型,通过实验验证软件模拟结果.全年动态采光和能耗模拟表明:可变透光ETFE气枕可以有效降低临窗区域照度,增加全年有效采光(450＜1ux＜2000)时长,但会导致远离窗的区域采光不足.可变透光ETFE气枕相较于透明双层玻璃窗拥有更低的太阳得热系数,并能适应室外太阳辐射率变化.在合肥地区气候条件下,本研究所选用的可变透光ETFE气枕相较于透明双层玻璃窗可以减低建筑全年16.33％的能耗.     

ETFE气枕式膜结构——以空气作为建筑材料的结构

通过介绍20世纪人类在充气式膜结构领域的探索,该文详细分析了ETFE气枕式膜结构这一新型充气式膜结构形式在结构体系方面的诸多优势,并且从生态可持续性领域论述了该结构体系对建设集约型社会所具有的重要意义。     

ETFE气枕式膜结构

随着ETFE(Ethylene Tetra Fluro Ethylene)膜材的成功研发,凭借其轻质、透光、隔热、抗腐、耐候、自洁等良好的性能而被广泛应用,大量的学者也对其开展研究。ETFE膜材为非织物类膜材,相比织物类膜材其单张膜的抗拉强度较低,常采用气枕的形式多张共同受力,并通过内压使其具有合适的刚度,由此产生的气枕式膜结构具有较好的力学性能和使用性能,逐渐得到广泛的发展并具有良好的前景。提炼出了ETFE气枕式膜结构相比于其它膜结构独有的可调节特性,在服役过程中通过内压改变对受力性能、透光率、隔热性能等的自动调节能力,并对ETFE气枕式膜结构的发展、性能、设计方法与施工技术进行研究与归纳,总结了国内外学者对ETFE气枕式膜结构的研究现状,对工程实践具有一定的指导意义。     

ETFE气枕力学性能试验研究及有限元分析

对1个乙烯-四氟乙烯共聚物(ETFE)气枕足尺模型进行形态测试、加载测试及自振测试,研究了气枕的静力性能和动力特性.建立了ETFE气枕有限元模型,进行了形态、荷载及模态分析,验证了有限元分析方法的有效性.结果表明:气枕内压对外荷载较为敏感,荷载作用下内压变化幅度随初始内压增加而非线性减小;作用于气枕中部或单侧的荷载较对称荷载会引起更大的变形和内压变化;相同荷载作用下,气枕变形随初始内压增加而非线性减小;在试验内压范围内,测试气枕的基本自振频率位于6 ～ 10 Hz之间,前两阶自振频率间隔较大,2～5阶自振频率分布更为密集,气枕各阶频率均随初始内压升高而非线性增加;在低阶模态中,气枕上、下层膜面呈对称振动;ETFE气枕为低阻尼结构,各阶模态阻尼比随初始内压增加而减小;形态、荷载及模态分析的有限元结果均与试验结果吻合良好,验证了共同作用有限元模型在ETFE气枕静、动力分析中的准确性和适用性.     

ETFE气枕模型试验与有限元分析

通过2 m×2 m的ETFE气枕模型试验,进行了气枕形状测试、充气加压测试和气压一定的加载测试。通过在上下膜面画上一组刻线,测量膜面在充气过程中刻线长度的变化,进而求得膜面应力的变化。基于膜面应力和气枕矢高的试验测试值与几何非线性有限元分析结果比较,验证了ETFE气枕有限元模拟方法的正确性。研究表明：由于ETFE气枕充气过程中膜材伸展率较大,膜面粘贴应变传感器很难捕捉准确的膜面应力,采用膜面画刻线的方法可以用于测试ETFE充气结构的膜面应力;立体裁剪的ETFE气枕,充气成形过程中,膜面基本展开时零应力状态下,膜面角部区域已张紧,具有初始应力,因此,角部区域膜面应力测试时需给予初应力补偿;ETFE膜材热熔焊缝相当于膜材局部加强,顺焊缝及垂直焊缝的实测应力小于按均匀材料计算的应力,但对整体充气膜面应力的影响很小;膜面应力和气枕矢高的试验测试值与有限元分析值基本吻合。     

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.     

ETFE气枕结构设计--国家游泳中心气枕结构设计简介

应用于2008年北京奥运国家游泳中心工程的ETFE气枕是一种新型的建筑围护结构, 具有材料重量轻、透光性好、美观等优点。本文首先介绍了气枕结构的受力特点, 接着分析了ETFE气枕的找形和各荷载工况下的应力分布和变形, 并对堆积雪荷载、温度、矢跨比及膜厚等参数对结构的影响进行了比较分析, 最后提出了气枕结构的一般设计方法。本文结论对ETFE气枕结构的进一步研究应用具有参考价值。     

气枕式ETFE膜结构的初始形态分析

随着气枕式ETFE膜结构在北京2008奥运会国家游泳中心的大面积使用,这种结构形式在国内受到了越来越多的关注.本文对气枕式ETFE膜结构的初始形态分析进行了研究.首先利用AN SY S通用有限元软件配合APDL语言进行编程,完成了对膜结构初始形态的模拟,并对该方法进行了验证,得到了满意的结果.在此基础上对气枕式ETFE膜结构进行了初始形态分析,并对计算结果进行了讨论,为ETFE气枕式膜结构的设计在理论上作了一些有益的探索.     

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 foil cushions in roofs and atria

Building fenestration can be responsible for a significant impact on the environment created in a building, affecting, either adversely or beneficially, both the health and perceptions of the occupants. Alternative to traditional fenestration solutions have been available for a great many years, one of which is ethylenetetrafluoroethylene (ETFE) a co-polymer of PE and tetrafluoroethylene which has been used for the past 20 years for atria and other overhead glazing. This study examines both the effects of ETFE manufacture and its use in buildings. This study has considered both its performance in terms of fitness for purpose and in comparison to glass, the common alternative. Some built examples of ETFE foil roofs are presented. It is concluded that ETFE foil is an appropriate technology for certain building applications, in particular those where the volume of space is large and high light levels are important. ETFE foils can improve the environmental performance of a building and may reduce the overall environmental burden incurred from the construction process itself and the burden of the building during its lifetime.     

高性能ETFE膜气枕成套技术在国家游泳中心的应用(续完)

介绍了国家游泳中心ETFE充气膜结构系统的设计,高性能膜气枕的加工制作和安装施工,系统的电子监控和工程技术、施工质量的验收标准;指出这一成套技术已达国际先进水平,它的成功实践带动了该系统在我国的应用和发展。     

高性能ETFE膜气枕成套技术在国家游泳中心的应用

介绍了国家游泳中心ETFE充气膜结构系统的设计,高性能膜气枕的加工制作和安装施工,系统的电子监控和工程技术、施工质量的验收标准;指出这一成套技术已达国际先进水平,它的成功实践带动了该系统在我国的应用和发展.     

ETFE薄膜双向力学性能试验研究

利用圆形气泡试验研究ETFE薄膜双向受力性能,得到了完整的真实应力-应变曲线和基本力学性能参数.结果表明:当真实应力为17~18MPa时,ETFE薄膜的真实应力-应变曲线出现第1个转折点,与单轴拉伸试验结果相同;当真实应力约为50MPa时,该曲线趋于平缓;当真实应力约为60MPa时,由于局部破损导致ETFE薄膜球冠失效;在双向拉伸下,ETFE薄膜破裂时的真实应变为30%~40%,远小于单轴拉伸试验结果.基于试验结果提出了1种四折线本构模型,并通过数值模拟验证其适用性.     

ETFE气枕平面充气成形过程的非线性结构性能分析

对基于平面裁切的乙烯-四氟乙烯（ethylene-tetrafluoroethylene,ETFE）气枕进行充气成形试验,利用激光位移计测量气枕矢高,基于三维摄影测量得到的形状,分析了气枕膜面应力分布。采用Peirce模型模拟ETFE膜材的材料力学非线性并进行相同充气过程的数值模拟,对比分析数值模拟与实测的气枕矢高和应力分布。结果表明：Peirce模型仅在反映ETFE两个屈服点之间的应力-应变关系上有所偏差;气枕充气完成后矢高约为172mm,气枕膜面应力最大值集中于气枕中心与各边中点的连线区域;不同内压下的气枕矢高,膜面应力、应变的数值模拟结果与实测结果相对误差均在10%以内。此外,Peirce 模型数值模拟结果表明,内压为2kPa时气枕膜面出现塑性应变;膜面总应变与塑性应变最大值集中于气枕中心与各边中点连线区域。