随着膜结构在我国建筑领域中的运用越来越广泛, 当代建筑对膜材料在施工上的要求也越来越高。但是在过去的很长一段时间内, 运用现有的设备无法对建筑施工过程中张拉成型后的膜材预张力值进行现场定量的检测, 往往只是靠一些有经验的技术人员手拍膜布判断其预张力情况进行施工, 以致膜材的预张力值或大或小于理论计算值[1], 无法确保建筑物的安全性。与此同时, 由于现代自然灾害频繁发生、膜材在施工阶段没有达到设计张拉要求以及使用阶段出现的膜材松弛等因素, 使得膜结构在外界因素的干扰下极易受到破坏。

鉴于此, 研究并开发膜材预张力无损检测系统运用于膜材施工检测及其日常维护具有非常重要的现实意义。

本项目研发的膜材预张力无损检测系统涉及理论分析、数学建模、实验研究、仪器研制等多个方面, 研究工作交叉融合了结构工程、机械工程、信息工程等学科。该系统具有体积小、造价低、测量精度高、操作简便、人机交互界面友好等特点。目前, 国内外对膜材预张力检测方法的研究多数只停留在理论阶段, 只有极少公司提出了膜材预张力值测定的方法并开发出相应的测量装置和仪器。如日本鹿岛公司和法国法拉利公司相继开发了膜张力计[2], 以及国内同济大学的张其林教授研发的膜材预张力测量仪器[3]。鉴于现有的测量方法和设备普遍存在测量精度较低、操作繁琐、适用范围受到已经标定的膜材种类的限制、价格高、工作量巨大等缺点, 本系统提出了新的开发思路和测量方法:将测量箱体扣置于膜面上的测量区域上, 用抽真空装置给已张拉的膜布施加一种外荷载, 使某一区域的膜表面产生微小的变形, 通过接触式位移传感器测量这一微小变形, 利用不同外荷载下多次测量的变形值, 经硬件系统分析处理可以直接“读出”膜材初始预张力值。

为了更准确地计算膜材表面预张力的大小, 本项目利用有限元的方法建立模型, 采用数值计算来探讨膜材预张力测量的方法, 并基于有限元计算软件ANSYS进行研究分析。以预应力膜面的应力叠加和应力刚化原理为理论基础[4], 使用SHELL181单元模拟膜材, 膜材边界条件为四边固定[5]的条件, 采样降温法对膜材施加初始预张拉应力, 从大量的实验数据中得到了关于膜材在平面外均布荷载作用下荷载、位移与预张力关系的特性, 根据其特性, 提出了膜材预张力的测量方法。

如图1所示, 本系统由测量装置和控制装置组成, 实现了测量装置和显示装置一体化, 操作方便快捷, 人机交互界面友好等特性。测量装置主要由有机玻璃箱体、接触式位移传感器、压力传感器和抽真空装置等组成;控制装置主要由单片处理器、显示器、电源等组成。箱体以有机玻璃为材料, 外形尺寸为100×300×150 (单位:mm) , 箱体内装置压力传感器、接触式位移传感器、液晶显示器等装置, 包含了测量装置和控制装置。控制装置主要处理测量装置中经测量的输出的位移、气压两路模拟信号 (如图中的箭头所示) 。两路模拟信号需要经过信号调理电路, 其中膜材表面位移模拟量w由接触式位移传感器测得, 气压模拟量q由压力传感器测得并输入到单片机中, 处理的结果即膜材表面与张力H由液晶显示器显示。

针对现有膜结构工程施工人员无法定量测定的膜材初始预张力值以及检测部门对于膜材预张力没有有效检测手段等问题, 本项目使用有限元分析法建立了相关的数学模型, 深入研究和分析预张力的产生原因, 提出预张力测试方法并研发了膜材预张力无损检测系统, 适用于膜材施工过程及日常维护中预张力的检测, 在同行业中技术领先, 具有很好的市场前景及施工检测推广的实际意义。