近年来,ETFE气枕作为外部围护结构已广泛应用于水立方等大型建筑结构中。气枕在受荷状态或自由振动状态下,会体现出典型的气-膜耦合作用,在静力方面,气-膜耦合作用体现在膜面变形、内压变化与气枕刚度之间的相互作用,而在动力方面,气-膜耦合作用主要体现为内充气体的附加质量影响。由此可见,气-膜耦合作用对气枕力学性能影响较大,而目前尚未发现有文献对ETFE气枕的气-膜耦合作用开展定量研究。定量分析气-膜耦合作用,有助于充分认识气枕荷载状态下的力学行为以及气枕的自振特性,使得ETFE气枕的力学分析更为准确。本文采用试验和数值相结合的方法,定量研究了气-膜耦合作用对ETFE气枕静、动力特性影响规律,具体研究内容如下:(1)根据边界条件和精度要求,自主设计研发试验装置,对气枕进行静力加载试验。通过在上膜面铺置沙袋的方法施加均布荷载,通过激光位移传感器及数字微压计分别对膜面位移和气枕内压进行实时测量。从装置加工、充放气、加载以及测量等方面进行精度控制,以确保试验结果的准确性,旨在研究ETFE气枕在均布荷载状态下膜面位移、内充气压随外荷载的变化规律。(2)采用环境激励方法对ETFE气枕模型进行动力特性试验。利用橡皮锤锤击膜面施加脉冲激励,通过测频测量和图像散斑识技术获取膜面各测点自由振动时程,并采用峰值拾取法和互谱识别相结合的方式对ETFE气枕模态参数进行识别。通过分析气枕自振频率研究不同初始内压和尺寸对气枕自振特性的影响规律。(3)采用ADINA有限元分析软件,通过将内充气体等效为有势流体以考虑气-膜耦合作用的影响,通过大转动、小应变的几何非线性特征来考虑ETFE膜材的变形,并忽略褶皱变形对ETFE膜材的影响,建立ETFE气枕气-膜耦合作用有限元模型,并将分析结果与本文静力试验、动力试验结果以及文献的相应结果进行对照,验证其合理性和精确性。(4)采用验证后的有限元模型对气枕进行静力分析和自振特性分析,并结合气枕静、动力试验研究结果,定量研究气-膜耦合作用对气枕刚度和耦合作用因子、频率和模态的影响及其随尺寸、矢跨比、膜厚、初始内压等参数的变化规律。研究结果表明:在均布荷载作用下,气-膜耦合作用的影响随气枕初始内压升高而减小,随气枕膜厚增大而降低,随气枕矢跨比的增大而减小,随气枕尺寸的增大而不断增大;自振特性方面,气-膜耦合作用的影响随气枕初始内压的升高而增大,随气枕尺寸的增大而增大,随气枕膜厚的增加而减小,随气枕矢跨比的增加而减小。