碳纤维增强复合材料索张拉系统在弦支穹顶结构中的应用研究

发布时间：2020-03-18 01:52

【摘要】：弦支穹顶是一种基于张拉整体概念的预应力钢结构形式,由于结构效能高、易实现自平衡受力等优点,弦支穹顶在实际工程中应用非常广泛。索是弦支穹顶结构的关键构件,然而随着跨度的增加,钢索由于自重效应越来越明显和需定期检修更换等问题,影响了结构的承载效率和耐久性。碳纤维复合材料(CFRP)相对于钢材具有轻质、高强和耐腐蚀性能好等优点,因此,将CFRP与弦支穹顶结构相结合,采用CFRP索代替传统的钢索,形成CFRP索—弦支穹顶结构,可以更加充分地发挥弦支穹顶结构高性能的特点,使该结构的应用和发展前景更加广阔。由于CFRP与钢材的材料特性有较大的不同,不能完全参照传统钢索—弦支穹顶结构的分析设计理论,需要对CFRP索—弦支穹顶结构进行专门研究。本文基于试验研究,通过理论分析和数值模拟,对CFRP索—弦支穹顶结构的受力性能与设计方法进行了分析研究,主要内容有:1、开展了CFRP索锚具的锚固性能试验研究。本文基于黏结型锚具理论,设计了弦支穹顶结构试验中CFRP环索和径索锚具;通过有限元分析对锚具的长度和构造进行了优化;开展单向拉伸试验对锚具系统的受力机理和破坏模式进行了研究,并对其锚固承载力进行了验证。试验结果表明,锚具系统的破坏模式以CFRP索与胶体界面的滑移破坏为主;且锚具系统内的受力状态与荷载大小有关:在荷载较小时,加载端的应力最大,随着荷载增大,锚具内的应力峰值逐渐向中部和末端转移。本文设计的锚具系统能够满足后续的CFRP索—弦支穹顶结构试验的要求。2、开展了CFRP索—弦支穹顶结构的静力试验研究。设计了一个跨度为4m,高度为0.4m(矢高比1/10)的CFRP索—弦支穹顶结构模型,通过在结构顶部加载配重对其静力性能进行了研究。试验结果显示,弦支穹顶中网壳部分主要承受压力,CFRP径索和环索承受拉力;随着荷载的增大,结构的位移和应变基本呈线性增长,整体结构处于弹性状态;结构中构件受力状态的分布与传统的钢索弦支穹顶结构相似。采用ANSYS软件对试验加载过程进行了准确模拟,在此基础上,对比分析了钢索—弦支穹顶结构和CFRP索—弦支穹顶结构在静力弹性阶段的力学性能;结果显示,在相同的荷载和边界条件下,两种结构中的杆件应力水平和关键点的位移接近,但CFRP索—弦支穹顶结构的安全性更高,表明将CFRP索应用于弦支穹顶结构具有良好的可行性和实用性。3、对CFRP索—弦支穹顶结构的全过程受力进行了研究。以试验模型和北京奥林匹克羽毛球馆的弦支穹顶结构为背景,分别对CFRP索—弦支穹顶结构和钢索—弦支穹顶结构在竖向力作用下进行了弹塑性分析。对比分析了两个模型中径索、环索和网壳杆件的内力分布,结果表明两种结构的内力分布相似,网壳结构的边缘部位和环索为主要受力部位,结构的破坏形式主要为网壳结构边缘杆件受拉破坏和部分杆件的受压屈曲;结构受力全过程的荷载位移曲线显示CFRP索—弦支穹顶结构与钢索—弦支穹顶结构在弹性阶段受力性能接近(与试验分析结果吻合),而弹塑性阶段CFRP索—弦支穹顶结构的刚度更大且极限承载力略高于后者的极限承载力。4、对CFRP索—弦支穹顶结构的温度效应进行了研究。相对于钢材,CFRP的温度膨胀系数很低。本文基于试验模型和北京奥林匹克羽毛球馆的弦支穹顶结构分别对CFRP索—弦支穹顶结构和钢索—弦支穹顶结构在升温和降温条件下的受力状态进行分析。结果表明,温度作用下,CFRP索和钢索内拉力的变化趋势相反;同时,温度变化对钢索—弦支穹顶结构上部网壳结构的影响主要集中在边缘区域,而对CFRP索—弦支穹顶结构上部网壳结构的影响不仅在边缘区域,网壳中心区域的内力变化也比较显著;相同温度作用下,CFRP索—弦支穹顶结构的内力和位移变化一般小于钢索—弦支穹顶结构的内力和位移变化。基于CFRP的蠕变理论,对高温作用下CFRP索—弦支穹顶结构的蠕变效应进行了分析,结果表明CFRP索的蠕变效应很小。5、对CFRP索—弦支穹顶结构的动力性能进行了初步研究。对比分析了CFRP索—弦支穹顶结构和钢索—弦支穹顶结构模态和在瞬时动力荷载情况下的结构动力响应情况,结果显示两个模型在低频时的模态非常接近,而高频时的模态有一定的差异;CFRP索—弦支穹顶结构受瞬时动力效应的影响更显著。6、提出CFRP索—弦支穹顶结构的设计方法和建议。基于试验、理论和数值分析成果,本文从结构设计步骤、模型的建立、关键节点的设计与容许位移等方面初步对CFRP索—弦支穹顶结构的设计提出了建议,为弦支穹顶结构设计理论的发展提供参考。
【学位授予单位】：江苏大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TU399;TU599
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本文编号：2588030