CN105758753A - 一种测试建筑薄膜结构模拟暴雨冲击下性能的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种测试建筑薄膜结构模拟暴雨冲击下性能的方法，该方法采用的装置包括十字形膜材张拉装置、人工模拟降雨装置和数据采集系统；首先将建筑薄膜水平绷紧，通过人工模拟降雨装置使得雨滴滴落在薄膜上，从而通过数据采集系统测得薄膜在雨滴冲击下的振动，最后通过数据分析研究薄膜在模拟暴雨冲击下的动力响应。本发明的测试原理简单，操作和拆装方便，同时在试验过程中可根据设计需要调控雨滴的大小。
Description
技术领域
本发明涉及建筑薄膜材料领域。
背景技术
薄膜材料是一种新兴的建筑材料，随着越来越多的膜结构工程出现，建筑膜材已被公认是继砖、石、混凝土、钢和木材之后的“第六种建筑材料”。在建筑领域张拉膜结构是应用最广泛的一种建筑膜结构体系，其刚度通过预张力来实现，为了控制结构中薄膜的实际预张力与设计值相符合，防止薄膜褶皱松弛及其对风振的不利影响，减少工程事故，薄膜预张力的检测就显得尤为重要。另外，薄膜在风、雨、冰雹的冲击下很容易发生振动，为了保证建筑的安全性和正常施工，以及膜结构的正确设计，研究薄膜在这种冲击荷载下的动力响应过程则具有重大的意义。
发明内容
本发明的目的是测试建筑薄膜的力学性能以及研究薄膜的动力响应。
为实现本发明目的而采用的技术方案是这样的，一种测试建筑薄膜结构模拟暴雨冲击下性能的方法，该方法所采用的装置包括十字形膜材张拉装置、人工模拟降雨装置和数据采集系统。
所述膜材张拉装置包括薄膜、夹具、数显拉力计、微型牛腿、螺纹杆和支撑架体。所述支撑架的上端面为十字形框架，这个十字形框架的四个端部均设置有微型牛腿。所述微型牛腿上开有供螺纹杆穿过的通孔。
所述薄膜的形状为十字形。所述薄膜的四边分别通过一个夹具固定，每个夹具对应连接一根螺纹杆。所述夹具与螺纹杆之间设置有一个数显拉力计。每根螺纹杆对应穿入微型牛腿的通孔并旋入螺母紧固。通过调整螺纹杆的穿入长度，对薄膜施加某定值的预张力，同时保持薄膜的中心与十字形框架的中心重合。
所述人工模拟降雨装置包括输水管、喷头、降雨支撑架、控制器和输水动力源。所述降雨支撑架上设置有铁纱网和不透水布。所述不透水布位于薄膜的上方，所述铁纱网位于不透水布的上方。所述铁纱网和不透水布在竖直方向上的投影面积均大于薄膜的面积。
所述输水管的一端连接输水动力源，另一端连接喷头。所述喷头固定在降雨支撑架上。所述喷头位于铁纱网的上方，且在竖直方向上的投影处于薄膜的中心。所述控制器调节输水动力源的输水动力。
所述数据采集系统包括激光位移传感器和计算机。所述激光位移传感器放置在薄膜的下方，并通过数据线与计算机连接。
基于上述装置，所述一种测试建筑薄膜结构模拟暴雨冲击下性能的方法，包括以下步骤：
1)将膜材张拉装置放置在水平基础平面上，并用水平仪校平。
2)将待测试薄膜的四边分别通过夹具固定，所述夹具外侧连有数显拉力计，所述数显拉力计外侧连有螺纹杆。然后螺纹杆穿入微型牛腿的通孔并旋入螺母。
3)旋拧螺纹杆上的螺母，使薄膜初步绷紧，再继续旋拧螺母，逐渐调节螺纹杆穿过微型牛腿上通孔的长度，使得薄膜与膜材张拉装置上端的十字形框架几何对中。
4)将降雨支撑架放置在与膜材张拉装置几何中心竖直重合的位置，将不透水布一边的两个角固定在降雨支撑架的两个竖向支撑杆上，且位于薄膜上方。所述不透水布的另外两个角分别系一根绳子。
5)将铁纱网固定在降雨支撑架上，且位于薄膜上方。所述铁纱网的几何中心与膜材张拉装置的几何中心在竖直线上重合。
6)将喷头固定在铁纱网几何中心的上方，所述喷头与输水管连接，输水管与输水动力源连接，输水动力源与控制器连接。
7)旋拧四个方向的螺纹杆上的螺母，观测数显拉力计的读数，对薄膜施加F1大小的预张力。之后静置一段时间，观测数显式拉力计的读数，再次调节螺母使得读数保持在F1，反复数次，直到数显式拉力计的读数保持不变。
8)在薄膜上随机标记若干个特征点，每个特征点对应一个激光位移传感器；每个激光位移传感器通过接线与计算机连接；这些激光位移传感器分别通过支架固定并放置与薄膜的下方；每个激光位移传感器与薄膜相距一定距离，并用水平仪校平，使激光发射处对准各特征点。
9)拉起不透水布的两根绳子，使得不透水布横置在薄膜上方。然后打开控制器，调节输水动力源的动力为30％，开始采集激光位移传感器的数据，观测通过铁纱网的雨水稳定后，迅速放松不透水布的两根绳子，90秒后，关闭输水动力源，拉起不透水布的两根绳子，30秒后，停止采集激光位移传感器的数据。
10)分别调节输水动力源动力为60％、90％，重复步骤9)。
11)分别调节薄膜的预张力为其他定值，F2、F3、F4、…，重复以上步骤8)至步骤10)。
12)所述计算机处理并分析各个特征点的位移时程数据。
进一步，通过铁纱网获取到比喷头喷出的更大直径的雨滴。
进一步，所述铁纱网与薄膜之间的距离满足雨滴在重力与空气阻力作用下能达到最大降落速度。
本发明具有以下优点和积极效果：
1、收集薄膜在暴雨冲击下的位移振动数据，用于研究薄膜动力响应；
2、改进人工模拟降雨装置，增大模拟降雨雨滴直径；
3、该装置测试原理简单、便于操作、精度高、拆卸方便。
附图说明
图1为本发明的试验装置的结构示意图。
图2为本发明的膜材张拉装置的结构示意图。
图3为本发明的人工模拟降雨装置的结构示意图。
图中：薄膜1、夹具2、数显拉力计3、微型牛腿4、螺纹杆5、支撑架体6、输水管7、喷头8、降雨支撑架9、铁纱网901、不透水布902、控制器10、输水动力源11、激光位移传感器12、计算机13。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，但不应该理解为本发明上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的保护范围内。
实施例1：
参见图1至图3，一种测试建筑薄膜结构模拟暴雨冲击下性能的方法，该方法所采用的装置包括十字形膜材张拉装置、人工模拟降雨装置和数据采集系统。
所述膜材张拉装置包括薄膜1、夹具2、数显拉力计3、微型牛腿4、螺纹杆5和支撑架体6。所述支撑架6的上端面为十字形框架，这个十字形框架的四个端部均设置有微型牛腿4。所述微型牛腿4上开有供螺纹杆5穿过的通孔。
所述薄膜1的形状为十字形。所述薄膜1的四边分别通过一个夹具2固定，每个夹具2对应连接一根螺纹杆5。所述夹具2与螺纹杆5之间设置有一个数显拉力计3。每根螺纹杆5对应穿入微型牛腿4的通孔并用螺母紧固。通过调整螺纹杆5的穿入长度，对薄膜1施加某定值的预张力，同时保持薄膜1的中心与十字形框架的中心重合。即每根螺纹杆5指向薄膜1的中心，它们对薄膜1产生的拉力是两对反作用力，当螺纹杆5穿过微型牛腿4的通孔长度越长，薄膜1就绷得越紧，同时对薄膜1的拉力直接显示在数显拉力计3上。
所述人工模拟降雨装置包括输水管7、喷头8、降雨支撑架9、控制器10和输水动力源11。所述降雨支撑架9上设置有铁纱网901和不透水布902。所述不透水布902位于薄膜1的上方，所述铁纱网901位于不透水布902的上方。所述铁纱网901和不透水布902在竖直方向上的投影面积均大于薄膜1的面积。
所述输水管7的一端连接输水动力源11，另一端连接喷头8。所述喷头8固定在降雨支撑架9上。所述喷头8位于铁纱网901的上方，且在竖直方向上的投影处于薄膜1的中心。所述控制器10调节输水动力源11的输水动力。
所述数据采集系统包括激光位移传感器12和计算机13。所述激光位移传感器12放置在薄膜1的下方，并通过数据线与计算机13连接。
实施例2：
如实施例1所述装置，本实施例提供一种测试建筑薄膜结构模拟暴雨冲击下性能的方法，包括以下步骤：
1)选择安静的试验场所，最好是不受外界风和噪声影响的空间，将膜材张拉装置放置在水平基础平面上，并用水平仪校平；
2)将待测试薄膜1的四边分别通过夹具2固定，这些夹具2固定在膜材张拉装置的边框外侧。所述夹具2外侧连有数显拉力计3，所述数显拉力计3外侧连有螺纹杆5；然后螺纹杆5穿入微型牛腿4的通孔并旋入螺母；
3)旋拧螺纹杆5上的螺母，使薄膜1初步绷紧，再继续旋拧螺母，逐渐调节螺纹杆5穿过微型牛腿4上通孔的长度，使得薄膜1与膜材张拉装置上端的十字形框架几何对中；
4)将降雨支撑架9放置在与膜材张拉装置几何中心竖直重合的位置，将不透水布902一边的两个角固定在降雨支撑架9的两个竖向支撑杆上，高度距离薄膜1表面2m；所述不透水布902的另外两个角分别系一根绳子，方便后面操作中横置不透水布902；
5)将铁纱网901固定在降雨支撑架9上，距离薄膜1表面8m，使得最大直径6mm雨滴在重力与空气阻力作用下能达到最大降落速度9.8m/s(通过铁纱网901形成的雨滴的直径不大于6mm，而一般自然界降雨最大雨滴直径是6mm，所以本实验过程中的雨滴都是能达到最终速度的)。所述铁纱网901的几何中心与膜材张拉装置的几何中心在竖直线上重合；
6)将喷头8固定在铁纱网901几何中心的竖向60cm高度处，所述喷头8与输水管7连接，输水管7与输水动力源11连接，输水动力源11与控制器10连接；
7)旋拧四个方向的螺纹杆5上的螺母，观测数显拉力计3的读数，对薄膜1施加F1大小的预张力，F1＝1kN；之后静置一段时间，观测数显式拉力计3的读数，再次调节螺母使得读数保持在1kN，反复数次，直到数显式拉力计3的读数基本保持不变；
8)在薄膜1上随机标记六个特征点C1、C2、C3、C4、C5、C6(这六个点应尽量分开，不聚集在一起)，同时将六个激光位移传感器12接线并与计算机13连接；六个所述激光位移传感器12分别通过支架固定并放置于薄膜1的下方；每个激光位移传感器12与薄膜1相距一定距离，其中相距的距离满足激光位移传感器12的量程10～24cm，并用水平仪校平，使激光发射处对准各特征点；
9)拉起不透水布902的两根绳子，使得不透水布902横置在薄膜1上方；然后打开控制器10，调节输水动力源11的动力为30％，开始采集激光位移传感器12的数据，实施模拟降雨，观测通过铁纱网901的雨水稳定后，迅速放松不透水布902的两根绳子，使得雨水能完全冲击待测试膜材试件的膜面；90秒后，关闭输水动力源11，拉起不透水布902的两根绳子，使得雨水不能通过不透水布902，30秒后，停止采集激光位移传感器12的数据；
10)分别调节输水动力源11动力为60％、90％，重复步骤9)；
11)分别调节薄膜1的预张力为F2＝2kN、F3＝3kN、F4＝4kN、F5＝5kN、F6＝6kN、F7＝7kN、F8＝8kN，重复以上步骤8)至步骤10)；
12)所述计算机13处理并分析各个特征点的位移时程数据，从而得出薄膜1在模拟暴雨冲击下的动态响应。
Claims (3)
1.一种测试建筑薄膜结构模拟暴雨冲击下性能的方法，其特征在于：该方法所采用的装置包括十字形膜材张拉装置、人工模拟降雨装置和数据采集系统；
所述膜材张拉装置包括薄膜(1)、夹具(2)、数显拉力计(3)、微型牛腿(4)、螺纹杆(5)和支撑架体(6)；所述支撑架(6)的上端面为十字形框架，这个十字形框架的四个端部均设置有微型牛腿(4)；所述微型牛腿(4)上开有供螺纹杆(5)穿过的通孔；
所述薄膜(1)的形状为十字形；所述薄膜(1)的四边分别通过一个夹具(2)固定，每个夹具(2)对应连接一根螺纹杆(5)；所述夹具(2)与螺纹杆(5)之间设置有一个数显拉力计(3)；每根螺纹杆(5)对应穿入微型牛腿(4)的通孔并旋入螺母紧固；通过调整螺纹杆(5)的穿入长度，对薄膜(1)施加某定值的预张力，同时保持薄膜(1)的中心与十字形框架的中心重合；
所述人工模拟降雨装置包括输水管(7)、喷头(8)、降雨支撑架(9)、控制器(10)和输水动力源(11)；所述降雨支撑架(9)上设置有铁纱网(901)和不透水布(902)；所述不透水布(902)位于薄膜(1)的上方，所述铁纱网(901)位于不透水布(902)的上方；所述铁纱网(901)和不透水布(902)在竖直方向上的投影面积均大于薄膜(1)的面积；
所述输水管(7)的一端连接输水动力源(11)，另一端连接喷头(8)；所述喷头(8)固定在降雨支撑架(9)上；所述喷头(8)位于铁纱网(901)的上方，且在竖直方向上的投影处于薄膜(1)的中心；所述控制器(10)调节输水动力源(11)的输水动力；
所述数据采集系统包括激光位移传感器(12)和计算机(13)；所述激光位移传感器(12)放置在薄膜(1)的下方，并通过数据线与计算机(13)连接；
基于上述装置，所述一种测试建筑薄膜结构模拟暴雨冲击下性能的方法，包括以下步骤：
1)将膜材张拉装置放置在水平基础平面上，并用水平仪校平；
2)将待测试薄膜(1)的四边分别通过夹具(2)固定，所述夹具(2)外侧连有数显拉力计(3)，所述数显拉力计(3)外侧连有螺纹杆(5)；然后螺纹杆(5)穿入微型牛腿(4)的通孔并旋入螺母；
3)旋拧螺纹杆(5)上的螺母，使薄膜(1)初步绷紧，再继续旋拧螺母，逐渐调节螺纹杆(5)穿过微型牛腿(4)上通孔的长度，使得薄膜(1)与膜材张拉装置上端的十字形框架几何对中；
4)将降雨支撑架(9)放置在与膜材张拉装置几何中心竖直重合的位置，将不透水布(902)一边的两个角固定在降雨支撑架(9)的两个竖向支撑杆上，且位于薄膜(1)上方；所述不透水布(902)的另外两个角分别系一根绳子；
5)将铁纱网(901)固定在降雨支撑架(9)上，且位于薄膜(1)的正上方；所述铁纱网(901)的几何中心与膜材张拉装置的几何中心在竖直线上重合；
6)将喷头(8)固定在铁纱网(901)几何中心的上方，所述喷头(8)与输水管(7)连接，输水管(7)与输水动力源(11)连接，输水动力源(11)与控制器(10)连接；
7)旋拧四个方向的螺纹杆(5)上的螺母，观测数显拉力计(3)的读数，对薄膜(1)施加F1大小的预张力；之后静置一段时间，观测数显式拉力计(3)的读数，再次调节螺母使得读数保持F1，反复数次，直到数显式拉力计(3)的读数保持不变；
8)在薄膜(1)上随机标记若干个特征点，每个特征点对应一个激光位移传感器(12)；每个激光位移传感器(12)通过接线与计算机(13)连接；这些激光位移传感器(12)分别通过支架固定并放置与薄膜(1)的下方；每个激光位移传感器(12)与薄膜(1)相距一定距离，并用水平仪校平，使激光发射处对准各特征点；
9)拉起不透水布(902)的两根绳子，使得不透水布(902)横置在薄膜(1)上方；然后打开控制器(10)，调节输水动力源(11)的动力为30％，开始采集激光位移传感器(12)的数据，观测通过铁纱网(901)的雨水稳定后，迅速放松不透水布(902)的两根绳子，90秒后，关闭输水动力源(11)，拉起不透水布(902)的两根绳子，30秒后，停止采集激光位移传感器(12)的数据；
10)分别调节输水动力源(11)动力为60％、90％，重复步骤9)；
11)分别调节薄膜(1)的预张力为其他定值，F2、F3、F4、…，重复以上步骤8)至步骤10)；
12)所述计算机(13)处理并分析各个特征点的位移时程数据。
2.根据权利要求1所述的一种测试建筑薄膜结构模拟暴雨冲击下性能的方法，其特征在于：通过铁纱网(901)获取到比喷头(8)喷出的更大直径的雨滴。
3.根据权利要求1所述的一种测试建筑薄膜结构模拟暴雨冲击下性能的方法，其特征在于：所述铁纱网(901)与薄膜(1)之间的距离满足雨滴在重力与空气阻力作用下能达到最大降落速度。
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