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PTFE建筑膜材的蠕变及耐候性能研究

作　者: 徐旺
导　师: 武岳
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 结构工程
关键词: 膜结构 PTFE建筑膜材蠕变本构模型自然暴露试验耐候性
分类号: TU599
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

膜结构是20世纪中叶发展起来的一种新型张力结构形式。膜材作为膜结构的主要承力构件,直接影响到膜结构的安全性和耐久性。由于我国的膜结构发展历史较短,以往人们对膜材的研究大多集中在其强度指标上,目的是满足一般工程设计的需求。随着膜结构建筑的广泛应用,以及一些大型复杂膜结构的建造,膜材以及膜结构的耐久性研究逐渐受到人们的关注。但是由于膜材的耐久性研究费用高、周期长,因此相关工作开展的尚不够充分。本文以建筑用PTFE膜材为例,开展了较为系统的蠕变试验和自然暴露试验研究,建立了膜材的蠕变本构模型,给出了考虑环境因素的膜材强度随时间衰减曲线,为进一步研究膜结构的耐久性提供了宝贵的数据资料。论文工作主要包括以下三方面:(1)PTFE膜材的蠕变本构模型研究。基于复合材料的粘弹性理论,探讨了PTFE膜材的蠕变特性和蠕变机理,指出蠕变是普弹变形、高弹变形以及粘流变形三部分叠加的结果。通过对一维应力及多维应力蠕变理论模型、常用的蠕变经验模型和材料的粘弹性力学模型进行探讨,提出了PTFE膜材的蠕变本构模型——改进的时间硬化模型,为后续的PTFE膜材蠕变特性研究提供了理论指导。(2)PTFE膜材的蠕变特性试验研究。设计并完成了3种不同应力水平下PTFE膜材的蠕变试验,蠕变试验时间为24小时,获得了PTFE膜材经向和纬向试件的蠕变应变—时间曲线。采用改进的时间硬化模型作为PTFE膜材的蠕变本构模型,根据膜材经向和纬向试件在不同应力水平下的蠕变试验曲线确定了本构模型中的参数。研究结果表明,改进时间硬化模型能够较好的描述PTFE膜材的蠕变特性;PTFE膜材的抗蠕变性能较好,且经向抗蠕变性能优于纬向。(3)PTFE膜材在寒冷地区的耐候性能研究。开展了PTFE膜材在哈尔滨地区的长期自然暴露试验研究,获得了暴露1年、2年和4年的膜材试样,通过测试试样的拉伸强度和撕裂强度,拟合出PTFE膜材的经向和纬向强度随时间变化曲线。基于拟合曲线可以对PTFE膜材在使用若干年后的力学性能进行预测,为膜结构的耐久性设计提供了依据。

全文目录

摘要  3-4
Abstract  4-9
第1章绪论  9-19
  1.1 引言  9
  1.2 膜结构的特点及分类  9-11
    1.2.1 膜结构的优点  9-10
    1.2.2 膜结构的缺点  10
    1.2.3 膜结构分类  10-11
  1.3 膜结构的发展概况  11-13
    1.3.1 国外膜结构的发展概况  11-12
    1.3.2 国内膜结构的发展概况  12-13
  1.4 建筑膜材的结构、性能及分类  13-14
    1.4.1 建筑膜材的结构  13
    1.4.2 建筑膜材的性能  13-14
    1.4.3 建筑膜材的分类  14
  1.5 本文研究背景  14-15
  1.6 本文研究现状  15-18
    1.6.1 建筑膜材蠕变研究现状  15-16
    1.6.2 建筑膜材耐候性研究现状  16-18
  1.7 本文研究内容  18-19
    1.7.1 PTFE 膜材蠕变特性研究内容  18
    1.7.2 PTFE 膜材耐候性研究内容  18-19
第2章复合材料的蠕变理论  19-33
  2.1 引言  19
  2.2 复合材料的蠕变特性及机理  19-23
    2.2.1 材料的粘弹性表现  19-20
    2.2.2 复合材料的蠕变特性  20-21
    2.2.3 高聚物复合材料的蠕变机理  21-23
  2.3 一维及多维应力蠕变模型  23-26
    2.3.1 一维应力蠕变模型  23-25
    2.3.2 多维应力蠕变模型  25-26
  2.4 蠕变经验模型  26
  2.5 粘弹性力学模型  26-32
    2.5.1 Maxwell 模型  27-28
    2.5.2 Kelvin 模型  28-29
    2.5.3 标准线性固体（SLS）模型  29
    2.5.4 Burgers 模型  29-30
    2.5.5 复杂粘弹性模型  30-32
  2.6 本章小结  32-33
第3章 PTFE 膜材的蠕变试验及本构模型建立  33-49
  3.1 引言  33
  3.2 试验所用材料  33-34
  3.3 PTFE 膜材蠕变试验方法  34-39
    3.3.1 试验的应力水平  34-35
    3.3.2 试件的制作  35-36
    3.3.3 试验仪器  36-37
    3.3.4 试验环境  37
    3.3.5 试验过程  37-38
    3.3.6 试验结果  38-39
  3.4 PTFE 膜材蠕变本构模型  39-40
  3.5 MTHM 参数的确定方法  40-48
    3.5.1 经向试件MTHM 参数的确定过程  41-45
    3.5.2 纬向试件MTHM 参数的确定过程  45-48
  3.6 本章小结  48-49
第4章 PTFE 膜材的耐候性试验研究  49-74
  4.1 引言  49
  4.2 PTFE 膜材的性能指标  49-50
  4.3 PTFE 膜材的耐候性试验方法  50-54
    4.3.1 试验场地的选择  50-51
    4.3.2 试验装置  51-52
    4.3.3 试验支架的暴露倾斜角  52-53
    4.3.4 暴露试验流程  53-54
  4.4 PTFE 膜材的拉伸试验  54-61
    4.4.1 拉伸试验仪器  55-56
    4.4.2 拉伸试验夹具  56-57
    4.4.3 拉伸试件的制备  57-58
    4.4.4 试验环境  58-59
    4.4.5 试验过程  59
    4.4.6 试验结果  59-61
  4.5 PTFE 膜材耐候性拉伸试验结果与分析  61-66
    4.5.1 耐候性拉伸试验结果整理  61-64
    4.5.2 耐候性拉伸试验结果分析  64-66
  4.6 拉伸试验过程中的问题与改进  66-68
    4.6.1 试件的破坏形式  66-67
    4.6.2 试验方法的改进  67-68
  4.7 PTFE 膜材的撕裂试验  68-71
    4.7.1 试件制作  68-69
    4.7.2 试验夹具  69
    4.7.3 试验仪器  69
    4.7.4 试验过程  69-70
    4.7.5 试验结果  70-71
  4.8 PTFE 膜材耐候性撕裂试验结果与分析  71-73
  4.9 撕裂试验过程中的问题与讨论  73
  4.10 本章小结  73-74
结论  74-76
参考文献  76-80
攻读学位期间发表的学术论文  80-83
致谢  83

PTFE建筑膜材的蠕变及耐候性能研究

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