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专利名称：膜结构多功能试验仪的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种膜结构多功能试验仪，是一种针对特殊建筑结构的试验仪器的创新，可直接应用于张拉膜结构的材料基本力学试验、节点试验和结构单元模型试验等。属于科学试验仪器、建筑结构工程试验技术领域。
背景技术：
膜结构是上世纪40年代发展起来的一种新型建筑结构体系，主要采用PVC/PES(聚酯纤维基布氟化树脂涂层)或PTFE/GF(玻璃纤维基布聚四氟乙烯涂层)等柔性织物膜材料作为建筑物的覆盖和结构受力体系。从1996年国内开始出现这种工程应用，并且发展十分迅速，包括体育场、会展、公共活动中心、交通设施等领域。常用建筑膜材是一种柔性织物材料，具有各向异性、非线性，且具有较大的离散性，因此，对应用于每一个工程的膜材，尤其是一些大型工程的膜材的特性进行测试非常必要。膜结构具有丰富的建筑造型，但其基本结构单元为具有负高斯曲率的双曲抛物面和锥形曲面，以及由此构造的其它膜结构单元。对这些膜结构工程单元进行模型试验与参数研究可直接为工程设计提供技术依据。
卫东、王臣等著的“建筑膜材的材性试验研究”(空间结构，2001，8(1)37-43.)利用单向加载试验，测试了膜材的一些基本特性参数。
刘文彬著的“薄膜结构非线性分析和材料双轴拉伸试验”(天津大学博士学位论文，2000.)采用圆柱状充气模型装置进行了膜材双向试验。
这些对膜材的基本力学试验主要基于单向加载，或者在单向加载装置上改装，没有研发一个专门的试验装置，且不能进行膜节点和基本膜结构单元试验。

发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种专门的膜结构多功能试验仪，具有灵活可调的联杆机构、应用范围广，不仅可以用于膜材基本力学性能试验，而且可以用于膜节点、基本膜结构单元性能试验。
为实现这样的目的，本发明的膜结构多功能试验仪主要包括两个四边形张拉联杆机构、加载杆、加载螺旋、张拉螺杆、夹具、传感器、调节支承桅杆和支承反力刚架。两个四边形张拉联杆机构是多功能试验仪的核心载体，它们与加载杆、张拉螺杆之间通过三向连接接点连接形成加载体系。其中，一个四边形张拉联杆机构的联杆长度固定不变，它们与加载杆亦固定连接，接点只能在一个竖向垂直面内转动；另一个四边形张拉联杆机构的联杆长度可调节，它们与加载杆滑动连接，接点可在竖向垂直面内转动，且该联杆可整体绕加载杆转动，使两个四边形张拉联杆机构可正交，同时也可任意斜交。
两个张拉连接接点和两个三向固定连接接点对称地连接四根等长的定长联杆，成为一个固定边长四边形张拉联杆机构。两个三向固定连接接点对称地连接固定边长四边形张拉联杆机构的两个定长联杆与加载杆，三向固定连接点可在固定边长四边形张拉联杆机构面内转动。
两个一致的张拉连接接点和两个三向滑动连接接点对称地连接四根形式一致、最长相等、最短相等、长度可调整的变长联杆，构成一个可调边长四边形张拉联杆机构。两个三向滑动连接接点对称地连接可调边长四边形张拉联杆机构的两个变长联杆与加载杆。三向滑动连接接点在可调边长四边形张拉联杆机构面内可以转动，同时沿加载杆滑动，以及绕加载杆转动。调节三向滑动连接接点和变长联杆可改变两个张拉连接接点的高程，使其与固定边长四边形张拉联杆机构连接的两个张拉连接接点的高程不一致，以这四个不等高程的接点作为支点，可构造不同矢跨比的双曲抛物面或锥形曲面。
张拉螺杆(可一根、两根或三根)穿过一个张拉连接接点，并连接传感器和夹具，由夹具夹持膜试件。夹具可以为适合膜片的直线形，或适合膜结构基本单元模型或节点的扇形。四组张拉螺杆共同形成一个试件或单元模型的四个张拉支点或四条边缘索。
调节支承桅杆，将其连接于三向固定连接接点，可在固定边长四边形张拉联杆机构所在垂直平面内转动，支承锥形双曲面锥顶，垂直支承形成正放锥形曲面，倾斜支承形成偏心锥形曲面。
加载杆连接加载螺旋，穿过并支承于支承反力刚架的横梁。
两个立柱、两个横梁、四个角隅斜撑连接构成一个矩形刚架，两个刚架正交连接构成支承反力刚架。刚架立面与固定边长四边形张拉联杆机构垂直立面之间呈45度，便于操作。
由万能试验机或人工手动，给加载螺杆加载，加载螺杆带动固定边长四边形联杆机构和可调变长四边形联杆机构运动，使固定边长四边形张拉联杆机构和可调边长四边形张拉联杆机构的对角线伸展，进而带动与张拉节点连接的张拉螺杆，张拉螺杆牵引夹具，并张拉试件，实现膜材基本力学性能试验、膜节点试验。当四个张拉连接接点高程不一致时，可张拉成各种矢跨比的马鞍型抛物面，并完成张拉试验。同时，调节支承桅杆，可实现正放或倾斜锥形膜曲面张拉试验。
本发明采用手动螺旋加载，便于一般生产制造企业应用，同时可在万能试验机上进行加载，便于科研单位使用。本发明的试验仪能够进行各种膜材料的基本试验，包括带状试件的单向拉伸试验、十字形试件不同应力比的双向拉伸试验、以及斜交的双向试验；可完成膜结构基本接点试验，如膜熔接缝拉伸强度试验、扇形接点膜片拉伸强度试验、压板接点强度试验等；可进行基本膜结构单元模型试验，包括不同矢跨比的双曲抛物面、正放锥形曲面、偏心锥形曲面，以及锥形曲面矢高变化参数试验等。本发明可用于研究院所进行科研，更可方便地用于膜结构厂家等生产制造企业。


图1为本发明膜结构多功能试验仪结构的三维透视图。
图1中，1为立柱，2为加载杆，3为加载螺旋，4为三向滑动连接接点，5为变长联杆，6为三向固定连接接点，8为张拉连接接点，9为张拉螺杆，10为夹具，11为定长联杆，12为角隅斜撑，13为横梁。
图2为本发明中的固定边长四边形张拉联杆机构立面图。
图2中，1为立柱，2为加载杆，3为加载螺旋，6为三向固定连接接点，8为张拉连接接点，9为张拉螺杆，10为夹具，11为定长联杆，12为角隅斜撑，13为横梁。
图3为本发明中的可调边长四边形张拉联杆机构立面图。
图3中，1为立柱，2为加载杆，3为加载螺旋，4为三向滑动连接接点，5为变长联杆，6为三向固定连接接点，7为调节支承桅杆，8为张拉连接接点，9为张拉螺杆，10为夹具，12为角隅斜撑，13为横梁。
具体实施例方式
以下结合附图对本发明的技术方案作进一步描述。
图1给出了本发明膜结构多功能试验仪整体结构的三维透视图。如图1所示，本发明的膜结构多功能试验仪主要包括立柱1、加载杆2、加载螺旋3、张拉螺杆9及两个四边形张拉联杆机构。四边形张拉联杆机构是多功能试验仪的核心载体，它们与加载杆2、张拉螺杆9之间通过三向连接接点连接形成加载体系。
图1中，两个立柱1、两个横梁13、四个角隅斜撑12连接成一个矩形刚架，两个刚架正交构成支承反力刚架。刚架立面与固定边长四边形张拉联杆机构立面之间呈45度。
两个张拉连接接点8和两个三向固定连接接点6对称地连接四根等长的定长联杆11，成为一个固定边长四边形张拉联杆机构。两个三向固定连接接点6对称地连接固定边长四边形张拉联杆机构的两个定长联杆11与加载杆2，三向固定连接接点6可在固定边长四边形张拉联杆机构面内转动。
两个一致的张拉连接接点8和两个三向滑动连接接点4对称地连接四根形式一致、最长相等、最短相等、长度可调整的变长联杆5，构成一个可调边长四边形张拉联杆机构。两个三向滑动连接接点4对称地连接可调边长四边形张拉联杆机构的两个变长联杆5与加载杆2。三向滑动连接接点4在可调边长四边形张拉联杆机构面内可以转动，同时沿加载杆2滑动，以及绕加载杆2转动。
张拉螺杆9穿过一个张拉连接接点8连接传感器和夹具10，夹具10夹持试件。加载杆2连接加载螺旋3，穿过并支承于支承反力刚架的横梁13。
图2固定边长四边形张拉联杆机构立面图。如图2所示，分别处于A1、A2位置的两个张拉连接接点8和分别处于O2、O3位置的两个三向固定连接接点6对称地连接四根等长的定长联杆11(O2-A1、O2-A2、O3-A1、O3-A2)，成为一个固定边长四边形张拉联杆机构。两个三向固定连接接点6对称地连接固定边长四边形张拉联杆机构的两个定长联杆11与加载杆2，两个三向固定连接点6在固定边长四边形张拉联杆机构面内可以转动。任何状态下，四根定长联杆11长度相等，即O2-A1＝O2-A2＝O3-A1＝O3-A2，两个张拉连接接点8所处的位置A1、A2高度一致。
两根张拉螺杆9分别穿过两个张拉连接接点8(A1、A2位置)连接传感器和夹具10，夹具10为适宜膜片材料性能试验的直线形，用以夹持试件。两根加载杆2的一端分别与两个三向固定连接接点6连接，加载杆2的另一端分别连接一个加载螺旋3，并穿过加载螺旋3固定在支承反力架的横梁13上，如图中O1、O4位置。
图3为本发明中可调边长四边形张拉联杆机构立面图。图3中，中心轴左侧表示变长联杆5处于最短状态，此时与固定边长四边形张拉联杆机构的定长联杆11长度相等。中心轴右侧表示变长联杆5处于最长状态。变长联杆5长度可在其间伸缩变化。
两个一致的张拉连接接点8(B1、B2)和两个三向滑动连接接点4(O5、O6)对称性的连接四根形式一致、最长相等、最短相等、长度可调整的变长联杆5(O5-B1、O5-B2、O6-B1、O6-B2)，构成一个可调边长四边形张拉联杆机构。两个处于O5、O6位置的三向滑动连接接点4对称地连接可调边长四边形张拉联杆机构的两个变长联杆5与加载杆2。三向滑动连接接点4在可调边长四边形张拉联杆机构垂直立面面内可以转动，同时沿加载杆2滑动，以及绕加载杆2转动。调节三向滑动连接接点4和变长联杆5，可得到不同长度的变长联杆5(如图3中变长联杆5的长度O5-B1＝O5-B2≠O6-B1＝O6-B2，且O5-B1≠O2-A1，O6-B2≠O2-A1)，使两个张拉连接接点8的位置B1与B2相对高程不同，且与图2中两个张拉连接接点8的位置A1、A2高度不一致，从而可张拉不同矢高、跨度和矢跨比的双曲抛物面。
下部的一个三向固定连接接点6连接调节支承桅杆7与加载杆2，调节支承桅杆7可在定边长四边形张拉联杆机构垂直立面内转动，支承偏心锥形曲面的锥顶或正放锥形曲面的锥顶。
两根张拉螺杆9分别穿过两个张拉连接接点8(B1、B2位置)连接传感器和夹具10，夹具10可采用适宜模型试验的扇形夹具。两根加载杆2分别连接一个加载螺旋3，并穿过加载螺旋3固定在支承反力刚架的横梁13上，如图中O1、O4位置。
工作时，由万能试验机或手动，给加载螺杆2加载，加载螺杆2带动定长联杆11和变长联杆5运动，使固定边长四边形张拉联杆机构和可调边长四边形张拉联杆机构的对角线伸展，进而带动张拉连接接点8，连接张拉螺杆9，张拉螺杆9牵引夹具10，夹具10夹持试件，实现膜材基本性能试验、膜节点、基本膜结构单元性能试验。当四个张拉连接接点8高程不一致时，可张拉成各种矢跨比的马鞍型抛物面，并完成张拉试验。同时，调节支承桅杆7，可实现正放或倾斜锥形膜曲面张拉试验。
本发明的构件尺寸、材料选择、工艺设计与传感器标定可针对具体应用确定，包括定长联杆长度(L0)、变长联杆(最大L1、最小L2)、加载杆长度(L3)、调节支承桅杆(最大L5、最小L6)、四边形张拉联杆机构初始高度(H0)、支承反力刚架高度(H1)，各种杆件的截面大小、连接副尺寸、以及接点连接板。支承反力刚架、四边形联杆机构联杆、接点可采用优质合金钢材，张拉螺杆可采用高强螺栓，夹具可采用铝合金。连接副公差以及装配工艺按照精密仪器要求进行设计。根据膜片材料试验和模型试验分别标定传感器。
权利要求
1.一种膜结构多功能试验仪，其特征在于由两个立柱(1)、两个横梁(13)、四个角隅斜撑(12)连接成一个矩形刚架，由两个刚架正交构成支承反力刚架，两个张拉连接接点(8)和两个三向固定连接接点(6)对称地连接四根等长的定长联杆(11)，成为一个固定边长四边形张拉联杆机构，两个三向固定连接接点(6)对称地连接两个定长联杆(11)与加载杆(2)，下部的一个三向固定连接接点(6)连接调节支承桅杆(7)，三向固定连接接点(6)及调节支承桅杆(7)可在定边长四边形张拉联杆机构垂直立面内转动；两个张拉连接接点(8)和两个三向滑动连接接点(4)对称地连接四根变长联杆(5)，构成一个可调边长四边形张拉联杆机构，两个三向滑动连接接点(4)对称地连接两个变长联杆(5)与加载杆(2)，三向滑动连接接点(4)在可调边长四边形张拉联杆机构面内可以转动，同时可沿加载杆(2)滑动以及绕加载杆(2)转动；两根张拉螺杆(9)分别穿过两个张拉连接接点(8)连接传感器和夹具(10)，两根加载杆(2)分别各自连接一个加载螺旋(3)，并穿过加载螺旋(3)固定在支承反力架的横梁(13)上。
2.根据权利要求1的膜结构多功能试验仪，其特征在于所述四根变长联杆(5)为形式一致、最长相等、最短相等、长度可调整。
3.根据权利要求1的膜结构多功能试验仪，其特征在于所述夹具(10)为适合膜片材料性能试验的直线形。
4.根据权利要求1的膜结构多功能试验仪，其特征在于所述夹具(10)采用适合单元模型试验的扇形夹具。
5.根据权利要求1的膜结构多功能试验仪，其特征在于所述由立柱(1)、横梁(13)、角隅斜撑(12)连接成的矩形刚架立面与固定边长四边形张拉联杆机构立面之间呈45度。
全文摘要
一种膜结构多功能试验仪，两个四边形张拉联杆机构与加载杆、张拉螺杆之间通过三向连接接点连接形成加载体系，联杆长度固定不变的四边形张拉联杆机构与加载杆固定连接，接点只能在一个垂直立面内转动，联杆长度可调节的四边形张拉联杆机构与加载杆滑动连接，接点可垂直立面内转动，且该联杆可整体绕加载杆转动，使两个四边形张拉联杆机构可正交，同时也可任意斜交。给加载杆加载后，加载杆带动定长联杆和变长联杆运动，使两个四边形张拉联杆机构的对角线伸展，进而带动夹具牵引试件，实现膜材基本力学性能试验、膜节点、基本膜结构单元性能试验；当四个张拉连接接点高程不一致时，可张拉马鞍型抛物面；调节支承桅杆可实现锥形膜曲面张拉试验。
文档编号G01N3/02GK1603781SQ20041006758
公开日2005年4月6日 申请日期2004年10月28日 优先权日2004年10月28日
发明者陈务军, 付功义 申请人:上海交通大学