CN109406272A - 一种张拉膜结构堆载试验装置及试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种张拉膜结构堆载试验装置及试验方法，属于膜结构工程领域，解决了现有技术中张拉膜结构膜材力学性能测试装置造价较高，试验程序复杂且不具有通用性的技术问题；本发明提供了一种张拉膜结构堆载试验装置，包括加载架、盖板、载荷单元和位移传感器，加载架设置于水平地面上，膜材试件设置于加载架上，膜材试件上设置有测试点，位移传感器设置于地面上并通过测试点与膜材试件连接，载荷单元设置于膜材试件的上，盖板设置于加载架边上，盖板与加载架上分别设有凹凸槽结构。通过将该试验装置测得的结果与有限元数值模拟计算结果进行对比，进而可以帮助有限元模拟材料参数的选取，提高模拟结果的准确性和可靠性。

Description

一种张拉膜结构堆载试验装置及试验方法

技术领域

本发明属于膜结构工程领域，尤其涉及一种张拉膜结构堆载试验装置及试验方法。

背景技术

随着大跨度、复杂体型建筑物大量涌现，张拉膜结构已经成为大型跨空间结构的重要形式之一。

张拉膜结构在使用过程中，由于受到风荷载以及雨雪荷载的影响，会对张拉膜结构的使用及安全带来隐患，通常使用有限元设计软件对张拉膜结构的响应进行模拟。

但是，由于有限元软件采取的本构关系、强度准则、单元形式以及收敛准则的不同，计算得到张拉膜结构在荷载作用下的力学响应也有所差别，存在不确定性，严重影响有限元软件在张拉膜结构设计中的应用；而且，张拉膜结构的力学响应测试过程比较繁琐、试验装置成本较高，而且进行重复试验的技术要求较高，不具备通用性。除此之外，常规的膜结构试验所使用的夹具价格昂贵，操作复杂。

发明内容

鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种张拉膜结构堆载试验装置及试验方法，用以解决现有技术中张拉膜结构膜材力学性能测试装置造价较高，试验程序复杂且不具有通用性的技术问题；

本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：

本发明提供了一种张拉膜结构堆载试验装置，包括加载架、盖板、载荷单元、位移传感器和夹具，其中，加载架设置于水平地面上，膜材试件设置于加载架上，膜材试件上设置有测试点，位移传感器设置于地面上并通过测试点与膜材试件连接，载荷单元设置于膜材试件上，所述盖板设置于加载架上面，夹具设置于盖板和加载架的边上盖板与加载架上分别设有凹凸槽结构。

当进行张拉膜结构的堆载试验时，首先，将加载架直接放置于水平地面上或将其柱脚与地面通过螺栓连接，加载架被固定住后将膜材试件放置于加载架的上表面，其次，在盖板的四个角出设有吊耳，吊耳用于提起盖板，将膜材试件铺展开以后，通过吊耳使多块盖板盖在加载架的四边，用夹具夹紧盖板和加载架，夹紧膜材试件，此时，加载架上的凹凸槽结构和盖板上的凹凸槽结构咬合，膜材试件的翼缘被部分咬合在凹凸槽结构内，固定好膜材时间后，在膜材试件上的测试点进行打孔，通过孔用铁丝将膜材试件的各个测试点与各个位移传感器连接起来，设置好位移传感器后，在膜材试件上堆载载荷单元，并记录各个测试点在该级别堆载载荷下位移量，一级堆载试验；在此基础上，逐级加载载荷进行多级堆载试验，分别记录各个测试点在各级堆载载荷下的位移量。直至达到堆载级数，完成实验。

与现有技术相比，本发明提供的张拉膜结构的堆载试验装置，如图1所示，通过在加载架的四边加盖盖板，加载架和盖板之间采用凹凸槽结构设计进行咬合，形成一个固定边界条件，该试验条件与膜材试件在有限元模拟中的条件相同，在该固定边界条件下，在膜材试件上均布载荷单元，使膜材试件的膜结构表面产生形变，记录位移传感器的位移量，将该位移量与有限元数值模拟的模拟结果进行对比分析，从而达到校验有限元数值模拟的目的。综上，本试验提供的堆载试验装置结构简单，布置调整过程便捷，可靠性高，可重复试验且适用性广；通过该试验装置得到的试验结果，能与有限元模拟获得的结果进行对比分析，进而可以确定有限元模拟过程中模拟参数的选取，提高了模拟结果的准确性和可靠性；

优选地，加载架包括多个回字形加载框，回字形加载框可拆卸的套在一起并处于同一水平面上；盖板包括多个回字形盖板框，回字形盖板框可拆卸的套在一起并处于同一水平面上；回字形盖板框和回字形加载框上均设有凹凸槽结构，且一一对应。

优选地，回字形加载框的内框边长与套在里面的回字形加载框的外框边长相等；回字形盖板框的内框边长与套在里面的回字形盖板框的外框边长相等。

优选地，盖板包括第一盖板、第二盖板、第三盖板和第四盖板；述加载架包括第一加载架、第二加载架、第三加载架和第四加载架；第一至第四盖板和第一至第四加载架上均设有滑槽，且各滑槽长度与各盖板和各加载架长度相等；

第一至第四盖板以及第一至第四加载架上均设有凹凸槽结构，且一一对应；

第二盖板的第一端设于第一盖板的第二端滑槽内；

第三盖板的第一端设于第二盖板的第二端滑槽内；

第四盖板的第一端设于第三盖板的第二端滑槽内；

第一盖板的第一端设于第四盖板的第二端的滑槽内；

第二加载架的第一端设于第一加载架的第二端滑槽内；

第三加载架的第一端设于第二加载架的第二端滑槽内；

第四加载架的第一端设于第三加载架的第二端滑槽内；

第一加载架的第一端设于第四加载架的第二端滑槽内。

优选地，第一至第四盖板和第一至第四加载架的滑槽内还设有卡位块和卡紧件；

卡位块穿过滑槽与卡紧件可拆卸连接；

卡位块与卡紧件拧紧；盖板或者加载架处于固定状态；

卡位块与卡紧件松开，盖板或则加载架的一端处于滑动状态。

优选地，凹凸槽结构采用矩形凹凸槽结构、V型凹凸槽结构或半圆形凹凸槽结构。

优选地，加载架和盖板上的凹凸槽结构咬合后的侧面设有侧向间隙，侧向间隙尺寸为3mm～7mm。

优选地，膜材试件的形状为十字形，包括矩形的测试区以及与测试区的侧边相接的翼缘；沿垂直于测试区的侧边的方向，翼缘分为展平区和夹持区，展平区与测试区的侧边相接；夹持区为加载架与盖板的之间的夹持部分。

优选地，夹具可以选用F型夹具、C型夹具或G型夹具。

优选地，堆载的载荷单元选用堆载沙袋。

优选地，上述位移传感器采用拉线式位移计。

优选地，加载架和盖板的凸槽棱角处采用倒角处理。

本发明还提供了一种张拉膜结构堆载试验方法，采用以上任一堆载试验装置，包括固定并张紧膜材试件，记录测试点的初始位移；将载荷单元放置于膜材试件上，记录测试点的堆载位移，完成堆载实验。

优选地，上述堆载试验方法具体包括以下步骤：

S1.将膜材试件设置于加载架上面，盖板设置于膜材试件上面，将膜材试件的夹持区设于盖板和加载架的凹凸槽结构之间；

S2.设计与有限元数值模拟中相同位置的测试点，测试点位于测试区内的X轴和Y轴上，将测试点与位移计连接，并记录各个位移传感器的初始示数；

S3.以从边缘到中心的顺序在膜材试件的测试区域内依次堆放载荷单元，完成一级加载；

S4.静置6-12分钟，拉线式位移计示数稳定后记录测试点的一级加位移量；

S5.重新以从边缘到中心的顺序在一级加载的堆载单元上依次堆放载荷单元，完成二级加载；

S6.静置6-12分钟，位移传感器示数稳定后记录测试点的二级加载位移量；

S7.重复步骤S3～S6，分别测试各个测试点在不同加载级数下的位移，量，直至完成试验设计的堆载级数；

S8.完成试验，逐层卸下载荷单元，整理试验器材。

优选地，上述堆载试验在0℃以上的环境中进行试验。

与现有技术相比，本发明提供的张拉膜结构的堆载试验装置，加载架和盖板之间采用凹凸槽结构设计，形成一个固定边界条件，通过在固定边界条件下，在膜材试件上均布载荷单元，使膜材试件的膜结构表面产生形变，通过拉线式位移计测量各个测试点的形变，然后进行多级堆载，分别测试不同级别载荷下测试点的形变，通过将试验结果与数值模拟结果进行对比分析，对有限元数值模拟结果进行校验。综上，本试验提供的堆载试验装置结构简单，布置调整过程便捷，可靠性高，可重复试验，适用性广；通过该试验装置得到的试验结果与有限元模拟获得的结果进行对比，进而可以确定有限元模拟过程中模拟参数的选取，提高了模拟结果的准确性和可靠性。

本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1为本试验装置的俯视图；

图2为本试验装置的主视图；

图3为本试验装置的夹持区细部图；

图4为本试验装置的十字形膜材试件的测试点及其位置示意图；

图5为本试验装置的回字形加载框的结构示意图。

附图标记：

1-加载架；2-盖板；3-夹具；4-堆载沙袋；5-拉线式位移计；6-十字形膜材试件；7-吊耳；8-倒角；9-测试点；10-侧向间隙；11-第一回字形盖板框；12-第二回字形盖板框；13-第三回字形盖板框；14-第四回字形盖板框。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。

实施例1

本发明公开了一种张拉膜结构的堆载试验装置，如图1至图4所示，包括加载架1、盖板2、载荷单元、位移传感器和夹具3；其中，加载架1设置于水平地面上，膜材试件设置于加载架1上，膜材试件上设置有测试点9，位移传感器设置于地面上并通过测试点9与膜材试件连接，载荷单元设置于膜材试件的上，盖板2设置于加载架1上面，夹具3设置于盖板2和加载架1的边上，盖板2与加载架1上分别设有凹凸槽结构。

示例性地，当进行张拉膜结构的堆载试验时，首先，将加载架1直接放置于水平地面上或将其柱脚与地面通过螺栓连接，加载架1被固定住后将膜材试件放置于加载架1的上表面，其次，在盖板2的四个角处设有吊耳7，吊耳7用于提起盖板2，将膜材试件铺展开以后，提起吊耳7使多块盖板2分别盖在加载架1的四边，压住膜材试件，此时，加载架1上的凹凸槽结构和盖板2上的凹凸槽结构咬合住，膜材试件的翼缘被部分咬合在凹凸槽结构内，最后，通过在膜材试件上打孔，用铁丝将膜材试件的各个测试点9与位移传感器连接起来，采用均布堆载的方式在膜材试件上堆载载荷单元，完成堆载后，静置8分钟后，记录各个测试点9在该级别堆载载荷下位移传感器的位移，在此基础上，逐级加载载荷单元，分别记录各个测试点9在各个级别载荷单元下的位移传感器的位移量。直至达到堆载级数，完成实验。

与现有技术相比，本发明提供的张拉膜结构的堆载试验装置，如图1所示，通过在加载架1的四边分别加盖盖板2，加载架1和盖板2之间采用凹凸槽结构设计进行咬合，形成一个固定边界条件，通过在固定边界条件的情况下，在膜材试件上均布载荷单元，使膜材试件的膜结构表面产生形变，通过位移传感器测量各个测试点9的形变大小，与有限元模拟中膜材试件在固定边界条件下受均布载荷进行模拟的条件相同，从而通过与相应有限元模拟结果中位移数据进行比较的方法对有限元模拟进行校验。综上所述，本试验提供的堆载试验装置结构简单，布置调整过程便捷，可靠性高，可重复试验，适用性广；通过该试验装置得到的试验结果，能与有限元模拟获得的结果进行对比，进而可以确定有限元模拟过程中模拟参数的选取，提高了模拟结果的准确性和可靠性。

为了更方便的调节测试面积，使堆载装置适用于不同尺寸的膜材试件，加载架包括多个回字形加载框，如图5所示，回字形加载框可拆卸的套在一起并处于同一水平面上；盖板包括多个回字形盖板框，回字形盖板框可拆卸的套在一起并处于同一水平面上；回字形盖板框和回字形加载框上均设有凹凸槽结构，且一一对应。

示例性地，加载架包括第一回字形加载框、第二回字形加载框、第三回字形加载框和第四回字形加载框；其中第一回字形加载框内套有第二回字形加载框，第二回字形加载框内套有第三回字形加载框，第三回字形加载框内套有第四回字形加载框。盖板包括第一回字形盖板框11、第二回字形盖板框12、第三回字形盖板框13和第四回字形盖板框14；其中，第一回字形盖板框11内套有第二回字形盖板框12，第二回字形盖板框12内套有第三回字形盖板框13，第三回字形盖板框13内套有第四回字形盖板框14，四个盖板框处于同一水平面上。当进行加载试验时，膜材试件放置于第四回字形加载框和第四回字形盖板框14之间，第四回字形加载框14和第四回字形盖板框14通过凹凸槽结构咬合，膜材试件的翼缘被部分咬合在凹凸槽结构内；当更换其他稍大膜材试件时，拆掉第四回字形加载框和第四回字形盖板框14，膜材试件被第三回字形加载框和第三回字形盖板框13通过凹凸槽结构咬合被夹持在凹凸槽结构内；当需要测试更大的膜材试件时，依次去掉第三回字形加载框和第三回字形盖板框13及第二回字形加载框和第二回字形盖板框12，分别对不同尺寸的膜材试件进行堆载试验。

为了更好的对不同尺寸的膜材试件进行堆载试验，上述回字形加载框的内框边长与套在里面的回字形加载框的外框边长相等；回字形盖板框的内框边长与套在里面的回字形盖板框的外框边长相等。具体地，第一回字形加载框的内框边长与第二回字形加载框的外框边长相等，第二回字形加载框的内框边长与第三回字形加载框的外框边长相等，第三回字形加载框内框边长与第四回字形加载框外框边长相等，即第一至第四回字形加载框依次相邻并逐个套在一起，形成一个大的回字形加载框；同样的，第一回字形盖板框11的内框边长与第二回字形盖板框12的外框边长相等，第二回字形盖板框12的内框边长与第三回字形盖板框13的外框边长相等，第三回字形盖板框13的内框边长与第四回字形盖板框14的外框边长相等，即第一回字形盖板框11至第四回字形盖板框14依次相邻并逐个套在一起，形成一个大的回字形加载框，第一回字形加载框至第四回字形加载框与第一回字形盖板框11至第四回字形盖板框14一一对应并通过凹凸槽结构咬合。当进行堆载试验需要根据不同膜材试件进行调整测试区面积时，可以通过增加回字形加载框和回字形盖板框或者减少回字形加载框和回字形盖板框进行调节。

同样的，为了使堆载试验装置适用于不同尺寸的膜材试件，盖板包括第一盖板、第二盖板、第三盖板和第四盖板；加载架包括第一加载架、第二加载架、第三加载架和第四加载架；第一至第四盖板和第一至第四加载架上均设有滑槽，且各滑槽长度与各盖板和各加载架长度相等；第一至第四盖板以及第一至第四加载架上均设有凹凸槽结构，且一一对应；第二盖板的第一端设于第一盖板的第二端滑槽内；第三盖板的第一端设于第二盖板的第二端滑槽内；第四盖板的第一端设于第三盖板的第二端滑槽内；第一盖板的第一端设于第四盖板的第二端的滑槽内；第二加载架的第一端设于第一加载架的第二端滑槽内；第三加载架的第一端设于第二加载架的第二端滑槽内；第四加载架的第一端设于第三加载架的第二端滑槽内；第一加载架的第一端设于第四加载架的第二端滑槽内。

示例性地，首先将第一至第四盖板和第一至第四加载架的内边缘分别设置滑槽；第二盖板的第一端设于第一盖板的滑槽内；第三盖板的第一端设于第二盖板的第二端滑槽内；第四盖板的第一端设于第三盖板的第二端的滑槽内；第一盖板的第一端设有第四盖板的第二端的滑槽内；第二加载架的第一端设于第一加载架的滑槽内；第三加载架的第一端设于第二加载架的第二端滑槽内；第四加载架的第一端设于第三加载架的第二端的滑槽内；第一加载架的第一端设有第四加载架的第二端滑槽内。当需要增大测试区域时，固定第一加载架，向外滑动第二加载架、第三加载架和第四加载架的第二端，同时固定第一盖板架，向外滑动第二盖板架、第三盖板架和第四盖板架的第二端，此时，测试区域增大。当需要减小测试区域时，固定第一加载架，向内滑动第二加载架、第三加载架和第四加载架的第二端，同时，固定第一盖板架，向内滑动第二盖板架、第三盖板架和第四盖板架的第二端，测试区域变小。因此，通过调节第二加载架、第三加载架和第四加载架的第二端，不仅可以改变测试区域的大小，还可以改变测试区域的形状，这种即可以调节测试面积又可以调节测试区形状的加载装置能够满足不容尺寸和形状的膜材试件，使堆载试验装置具备通用性。

当加载架或者盖板滑动到某一位置需要固定时，第一至第四盖板和第一至第四加载架的滑槽内还设有卡位块和卡紧件；卡位块穿过滑槽与卡紧件可拆卸连接；卡位块与卡紧件拧紧；盖板或者加载架处于固定状态；卡位块与卡紧件松开，盖板或则加载架的一端处于滑动状态。

示例性地，当需要固定某一加载架时，将设置于加载架滑槽上的卡位块与卡紧件拧紧，该加载架处于固定状态；当需要滑动某一加载架时，将设置于加载架滑槽上的卡位块和卡紧件拧开，该加载架处于可滑动状态。同样的，当需要固定某一盖板时，将设置于盖板滑槽上的卡位块与卡紧件拧紧，该盖板处于固定状态；当需要滑动某一盖板时，将设置于盖板滑槽上的卡位块和卡紧件拧开，该盖板处于可滑动状态。通过设置卡位块和卡紧件，能够随时将加载架或者盖板固定到某一位置，能够更方便的通过滑动加载架和盖板调节测试区面积和测试区形状，使堆载试验装置能够满足测试不同的膜材试件，使堆载试验装置具有普遍适用性。

为了更好的防止加载架1和盖板2产生滑移，增加加载架1和盖板2之间的加固力，凹凸槽结构还可以采用矩形凹凸槽结构、V型凹凸槽结构或半圆形凹凸槽结构，采用特殊的凹凸槽结构咬合方式，避免了加持在加载架1和盖板2中间的膜材试件产生相对滑移，值得注意的是，加载架1与盖板2之间的凹凸槽结构对膜材试件形成固定边界，该边界受力均匀，无相对滑移，与理想状态下的固定边界非常近似，值得注意的是，有限元模拟张拉膜结构堆载试验时的边界条件为理想状态下的固定边界条件，因此，张拉膜结构堆载试验的试验结果对有限元模拟的参数选取具有较大的参照价值。

为防止膜材在夹持过程中出现剪切破坏，设计实验装置时加载架1和盖板2上的凹凸槽结构咬合后的侧面设有侧向间隙10，侧向间隙10尺寸可以为5mm，当堆载沙袋4进行逐级加载时，随着膜材试件的测试区内加载载荷的增加，凹槽和凸槽之间的咬合作用力越来越大，在凹凸槽结构咬合的两侧面分别留有长度为5mm的侧向间隙10，侧向间隙10能够缓冲凹槽和凸槽之间的作用强度，减小它们之间的作用力，有效防止了膜材试件在夹持过程中出现剪切破坏。

为了更加牢固的夹持加载架1和盖板2，防止膜材试件在加载架1和盖板2之间滑脱，上述张拉膜结构堆载试验装置设有多个夹具3，夹具3夹持在加载架1和盖板2的夹持区上。考虑到加载架1和盖板2的夹持区在竖直方向上的夹持效果，在加载架1和盖板2的夹持区设置多个夹具3，确保在竖直方向上加载架1和盖板2不容易滑脱，进一步保证了加载架1和盖板2之间的夹持效果。

为了避免在膜材试件的夹持区上打孔，可以考虑F型夹具、C型夹具或G型夹具，如图2所示，这些类型的夹具采用外固定的夹持方式将加载架1和盖板2连接到一起，同时，还可以调节F型夹具、C型夹具或G型夹具的刻度，使膜材试件的各个夹持部分处于相同的应力状态，确保良好的夹持效果，这些类型的夹具结构简单，容易拆卸，方便连续进行多组实验。

需要说明的是，除了用虑F型夹具、C型夹具或G型夹具进行外固定外，为了进一步定位加固载架1和盖板2，在载架1和盖板2的四个角处还可以设有四套螺栓螺母，对四套螺栓螺母进行等距离固定，避免破坏涂层织物，确保膜材试件的完整性。

为了避免在膜材试件上打孔，影响膜材试件的力学性能测试，将膜材试件的形状设计为十字形，包括矩形的测试区以及与测试区的侧边相接的翼缘；沿垂直于测试区的侧边的方向，翼缘分为展平区和夹持区，展平区与测试区的侧边相接；夹持区为加载架与盖板之间的夹持部分。如图4所示，膜材试件的形状为十字形，包括测试区以及与测试区的侧边相接的翼缘，测试区的面积为2000mm*2000mm，翼缘长度为300mm。翼缘又分为展平区和夹持区，展平区与测试区的侧边相接；即展平区位于测试区和夹持区之间，长度为100mm；夹持区为加载架1和盖板2在四个边上的加持部分，长度为200mm。在堆载过程中，十字形膜材试件6的夹持区被部分呈凹凸状地被咬合在加载架1和盖板2之间，十字形膜材试件被固定好后，通过展平区将其膜面展开，使其各个部位处于受力均匀状态。

为了防止十字形膜材试件6在加载过程中出现撕裂破坏，加载架1和盖板的凸槽棱角处可以采用倒角8处理，如图3所示，图3显示的是在加载架的一端的棱角处设置倒角的示意图。在加载过程中，由于十字形膜材试件6的夹持区咬合在凹凸槽结构内，加载架和盖板的凸槽棱角处折角明显，容易成为十字形膜材试件6的薄弱环节，将加载架1和盖板2的凸槽棱角处进行打磨处理，形成倒角8，能够缓冲十字形膜材试件6与加载架1和盖板2的接触强度，使在堆载过程中不会由于堆载质量过大在内边界部分撕裂，从而防止了十字形膜材试件6在加载过程中出现撕裂破坏。

为了精确记录十字形膜材试件6上各个测试点9的变形，位移传感器采用多个拉线式位移计5，每个拉线式位移计5都与一个测试点9连接。具体来说，如图4所示，十字形膜材试件6测试区上设有X和Y坐标，除原点的一个测试点9外，在X轴和Y轴方向上分别设有四个测试点9，即十字形膜材试件6的测试区内含有九个测试点9，这九个测试点9分别与九个拉线式位移计5通过在测试点9打孔并用铁丝连接，当试验时，在测试区内均布载荷单元(例如堆载沙袋)，以从边缘到中心的顺序堆载沙袋4，完成一级加载；记录九个拉线式位移计5的示数，然后二级堆载，再次记录九个拉线式位移计5的位移示数；逐次进行堆载试验，直至设计的堆载级数20级，完成试验。需要说明的是，依照试验与数值模拟对应的原则，设计总荷载、堆载级数和单层堆载沙袋4个数。单层堆载质量＝总荷载/堆载级数，单个堆载沙袋4质量＝单层堆载质量/单层堆载沙袋4个数，本发明设计的单个堆载沙袋4堆载面积为200mm*200mm，单层堆载沙袋4个数为100个，堆载级数为20级。

同样值得注意点是，为了扩大张拉膜结构堆载试验装置的应用范围，堆载沙袋4的堆载形式能够根据试验要求进行调整。对于不同的张拉膜结构，通过改变在测试区内堆载沙袋4的堆载形式，例如有均布堆载改为在某个测试点9进行堆载，可以适应不同形式下的载荷作用。

还有一点需要强调的是，本发明中使用的载荷单元还可以采用其它刚性块，例如混凝土块，但因为刚性块体如混凝土在膜材试件变形过程中，水平方向各个块体与块体之间作用力较大，并且荷载不能依附于十字形膜材试件6(此处是指完全与膜材接触)，影响十字形膜材试件6变形。

本发明还提供了一种张拉膜结构堆载试验方法，包括以下步骤：

S1.将膜材试件设置于加载架上面，盖板设置于膜材试件上面，将膜材试件的夹持区设于盖板和加载架的凹凸槽结构之间；

S2.设计与有限元数值模拟中相同位置的测试点，测试点位于测试区内的X轴和Y轴上，将测试点与位移计连接，并记录各个位移传感器的初始示数；

S3.根据有限元数值模拟中设计的总载荷堆载级数和载荷单元个数，设计本发明的总载荷、堆载级数和载荷单元个数；单层堆载质量＝总载荷/堆载级数；载荷单元质量＝单层堆载质量/载荷单元个数；

S4.依照所计算的单层堆载质量，以从边缘到中心的顺序在膜材试件的测试区域内依次堆放载荷单元，完成一级加载；

S5.静置6-12分钟，位移传感器示数稳定后记录测试点的一级加位移量；

S6.重新以从边缘到中心的顺序在一级加载的堆载单元上依次堆放载荷单元，完成二级加载；

S7.静置6-12分钟，位移传感器示数稳定后记录测试点的二级加载位移量；

S8.重复步骤S4～S7，分别测试各个测试点9在不同加载级数下的位移，量，直至完成试验设计的堆载级数；

S9.完成试验，逐层卸下载荷单元，整理试验器材。

示例性的，在进行张拉膜结构堆载试验时，首先将加载架1放置于水平地面上，或者根据实际需要将加载架1的柱脚与地面通过螺栓进行固定连接，以保证在进行堆载试验时，不会因为加载架1不稳定影响试验结果；放置好加载架1后，将膜材试件放置在加载架1上，通过加载架1和盖板2的凹凸槽结构设计将膜材试件咬合在凹凸槽结构内，使膜材试件呈张紧状态，防止其表面有褶皱导致受力不均匀；为了进一步保证夹持效果，在堆载试验装置的夹持区四边各设置若干夹具，夹具上带有刻度，将各个夹具调到相同刻度，即膜材试件的四个夹持区的夹持效果相同；将膜材试件夹持好后，在膜材试件的中心轴线上设置测试点9，如图4所示，各个测试点9打孔穿上铁丝并分别相同的拉线式位移计5相连，并记录各个拉线式位移计5在初始状态下的示数；需要说明的是，本发明中采用的总载荷、堆载级数和载荷单元个数与有限元数值模拟时所采用的总载荷、堆载级数和载荷单元个数相同，其中，单层堆载质量＝总荷载/堆载级数，单个堆载沙袋4质量＝单层堆载质量/单层堆载沙袋4个数，本发明中的膜材试件采用十字形膜材试件6，载荷单元采用沙袋的形式；其中，十字形膜材试件6测试区面积为2000mm*2000mm，翼缘长度为300mm，夹持区长度为200mm，单个沙袋堆载面积为200mm*200mm，单层沙袋个数为100个，堆载级数为20级。当需要进行堆载沙袋4时，以从边缘到中心的顺序在膜材试件的测试区域内依次堆放，完成一级加载；静置6-12分钟，待示数稳定后进行记录对应的9个测试点9的一级加载位移示数；然后再次进行均布堆载，进行二级加载，再次静置6-12分钟，待示数稳定后进行记录对应的9个测试点9的二级加载位移示数；重复以上加载和记录位移传感器示数的过程，直至第20级加载试验完成；完成试验后，逐层卸下载荷单元，整理试验器材。

通过该试验方法测得的各测点位移与使用有限元模拟计算获得的模拟计算结果进行对比，可以确定有限元模拟张拉膜结构中参数的选取，能够提高模拟结果的准确性和可靠性。

需要说明的是，由于张拉膜结构膜材的力学性能受到温度的影响，推荐在0摄氏度以上的环境中进行试验。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种张拉膜结构堆载试验装置，其特征在于，包括加载架、盖板、载荷单元、位移传感器和夹具，所述加载架设置于水平地面上，膜材试件设置于加载架上，所述膜材试件上设有测试点，所述位移传感器设置于地面上并通过测试点与膜材试件连接，所述载荷单元设于膜材试件上，所述盖板设置于加载架上面，夹具设置于盖板和加载架的边上，盖板与加载架上分别设有凹凸槽结构。

2.根据权利要求1所述的堆载试验装置，其特征在于，所述加载架包括回字形加载框，所述回字形加载框可拆卸的套在一起并处于同一水平面上；

所述盖板包括回字形盖板框，所述回字形盖板框可拆卸的套在一起并处于同一水平面上；

所述回字形加载框和回字形盖板框上均设有所述凹凸槽结构，且一一对应。

3.根据权利要求2所述的堆载试验装置，其特征在于，所述回字形加载框的内框边长与套在里面的回字形加载框的外框边长相等；

所述回字形盖板框的内框边长与套在里面的回字形盖板框的外框边长相等。

4.根据权利要求1所述的堆载试验装置，其特征在于，所述盖板包括第一盖板、第二盖板、第三盖板和第四盖板；所述加载架包括第一加载架、第二加载架、第三加载架和第四加载架；所述第一至第四盖板和第一至第四加载架上均设有滑槽，且各滑槽长度与各盖板和各加载架长度相等；

所述第一至第四盖板以及第一至第四加载架上均设有所述凹凸槽结构，且一一对应；

所述第二盖板的第一端设于第一盖板的第二端滑槽内；

所述第三盖板的第一端设于第二盖板的第二端滑槽内；

所述第四盖板的第一端设于第三盖板的第二端滑槽内；

所述第一盖板的第一端设于第四盖板的第二端的滑槽内；

所述第二加载架的第一端设于第一加载架的第二端滑槽内；

所述第三加载架的第一端设于第二加载架的第二端滑槽内；

所述第四加载架的第一端设于第三加载架的第二端滑槽内；

所述第一加载架的第一端设于第四加载架的第二端滑槽内。

5.根据权利要求4所述的堆载试验装置，其特征在于，所述第一至第四盖板和第一至第四加载架的滑槽内还设有卡位块和卡紧件；

所述卡位块穿过滑槽与卡紧件可拆卸连接；

卡位块与卡紧件拧紧；盖板或者加载架处于固定状态；

卡位块与卡紧件松开，盖板或则加载架的处于滑动状态。

6.根据权利要求1至5任一项所述的堆载试验装置，其特征在于，所述凹凸槽结构采用矩形凹凸槽结构、V型凹凸槽结构或半圆形凹凸槽结构中的一种。

7.根据权利要求6所述的堆载试验装置，其特征在于，所述加载架和盖板上的凹凸槽结构咬合后的侧面设有侧向间隙，侧向间隙尺寸为3mm～7mm。

8.根据权利要求7所述的堆载试验装置，其特征在于，所述膜材试件的形状为十字形，包括矩形的测试区以及与测试区的侧边相接的翼缘；沿垂直于测试区的侧边的方向，所述翼缘分为展平区和夹持区，所述展平区与测试区的侧边相接；所述夹持区为加载架与盖板的之间的夹持部分。

9.一种张拉膜结构堆载试验方法，其特征在于，采用如权利要求1至8所述的堆载试验装置，固定并张紧膜材试件，记录测试点的初始位移；将载荷单元放置于膜材试件上，记录测试点的堆载位移，完成堆载实验。

10.根据权利要求9所述的堆载试验方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1.将膜材试件设置于加载架上面，盖板设置于膜材试件上面，将膜材试件的夹持区设于盖板和加载架的所述凹凸槽结构之间；

S2.设计与有限元数值模拟中相同位置的测试点，测试点位于测试区内的X轴和Y轴上，将测试点与位移计连接，并记录各个位移传感器的初始示数；

S3.以从边缘到中心的顺序在膜材试件的测试区域内依次堆放载荷单元，完成一级加载；

S4.静置待位移传感器示数稳定后记录测试点的一级加位移量；

S5.重新以从边缘到中心的顺序在一级加载的堆载单元上依次堆放载荷单元，完成二级加载；

S6.静置待位移传感器示数稳定后记录测试点的二级加载位移量；

S7.重复步骤S3～S6，分别测试各个测试点在不同加载级数下的位移，量，直至完成试验设计的堆载级数；

S8.完成试验。