【摘要】：弦支穹頂是一種基于張拉整體概念的預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)形式,由于結(jié)構(gòu)效能高、易實(shí)現(xiàn)自平衡受力等優(yōu)點(diǎn),弦支穹頂在實(shí)際工程中應(yīng)用非常廣泛。索是弦支穹頂結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵構(gòu)件,然而隨著跨度的增加,鋼索由于自重效應(yīng)越來越明顯和需定期檢修更換等問題,影響了結(jié)構(gòu)的承載效率和耐久性。碳纖維復(fù)合材料(CFRP)相對于鋼材具有輕質(zhì)、高強(qiáng)和耐腐蝕性能好等優(yōu)點(diǎn),因此,將CFRP與弦支穹頂結(jié)構(gòu)相結(jié)合,采用CFRP索代替?zhèn)鹘y(tǒng)的鋼索,形成CFRP索—弦支穹頂結(jié)構(gòu),可以更加充分地發(fā)揮弦支穹頂結(jié)構(gòu)高性能的特點(diǎn),使該結(jié)構(gòu)的應(yīng)用和發(fā)展前景更加廣闊。由于CFRP與鋼材的材料特性有較大的不同,不能完全參照傳統(tǒng)鋼索—弦支穹頂結(jié)構(gòu)的分析設(shè)計理論,需要對CFRP索—弦支穹頂結(jié)構(gòu)進(jìn)行專門研究。本文基于試驗(yàn)研究,通過理論分析和數(shù)值模擬,對CFRP索—弦支穹頂結(jié)構(gòu)的受力性能與設(shè)計方法進(jìn)行了分析研究,主要內(nèi)容有:1、開展了CFRP索錨具的錨固性能試驗(yàn)研究。本文基于黏結(jié)型錨具理論,設(shè)計了弦支穹頂結(jié)構(gòu)試驗(yàn)中CFRP環(huán)索和徑索錨具;通過有限元分析對錨具的長度和構(gòu)造進(jìn)行了優(yōu)化;開展單向拉伸試驗(yàn)對錨具系統(tǒng)的受力機(jī)理和破壞模式進(jìn)行了研究,并對其錨固承載力進(jìn)行了驗(yàn)證。試驗(yàn)結(jié)果表明,錨具系統(tǒng)的破壞模式以CFRP索與膠體界面的滑移破壞為主;且錨具系統(tǒng)內(nèi)的受力狀態(tài)與荷載大小有關(guān):在荷載較小時,加載端的應(yīng)力最大,隨著荷載增大,錨具內(nèi)的應(yīng)力峰值逐漸向中部和末端轉(zhuǎn)移。本文設(shè)計的錨具系統(tǒng)能夠滿足后續(xù)的CFRP索—弦支穹頂結(jié)構(gòu)試驗(yàn)的要求。2、開展了CFRP索—弦支穹頂結(jié)構(gòu)的靜力試驗(yàn)研究。設(shè)計了一個跨度為4m,高度為0.4m(矢高比1/10)的CFRP索—弦支穹頂結(jié)構(gòu)模型,通過在結(jié)構(gòu)頂部加載配重對其靜力性能進(jìn)行了研究。試驗(yàn)結(jié)果顯示,弦支穹頂中網(wǎng)殼部分主要承受壓力,CFRP徑索和環(huán)索承受拉力;隨著荷載的增大,結(jié)構(gòu)的位移和應(yīng)變基本呈線性增長,整體結(jié)構(gòu)處于彈性狀態(tài);結(jié)構(gòu)中構(gòu)件受力狀態(tài)的分布與傳統(tǒng)的鋼索弦支穹頂結(jié)構(gòu)相似。采用ANSYS軟件對試驗(yàn)加載過程進(jìn)行了準(zhǔn)確模擬,在此基礎(chǔ)上,對比分析了鋼索—弦支穹頂結(jié)構(gòu)和CFRP索—弦支穹頂結(jié)構(gòu)在靜力彈性階段的力學(xué)性能;結(jié)果顯示,在相同的荷載和邊界條件下,兩種結(jié)構(gòu)中的桿件應(yīng)力水平和關(guān)鍵點(diǎn)的位移接近,但CFRP索—弦支穹頂結(jié)構(gòu)的安全性更高,表明將CFRP索應(yīng)用于弦支穹頂結(jié)構(gòu)具有良好的可行性和實(shí)用性。3、對CFRP索—弦支穹頂結(jié)構(gòu)的全過程受力進(jìn)行了研究。以試驗(yàn)?zāi)Ｐ秃捅本⿰W林匹克羽毛球館的弦支穹頂結(jié)構(gòu)為背景,分別對CFRP索—弦支穹頂結(jié)構(gòu)和鋼索—弦支穹頂結(jié)構(gòu)在豎向力作用下進(jìn)行了彈塑性分析。對比分析了兩個模型中徑索、環(huán)索和網(wǎng)殼桿件的內(nèi)力分布,結(jié)果表明兩種結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分布相似,網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的邊緣部位和環(huán)索為主要受力部位,結(jié)構(gòu)的破壞形式主要為網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)邊緣桿件受拉破壞和部分桿件的受壓屈曲;結(jié)構(gòu)受力全過程的荷載位移曲線顯示CFRP索—弦支穹頂結(jié)構(gòu)與鋼索—弦支穹頂結(jié)構(gòu)在彈性階段受力性能接近(與試驗(yàn)分析結(jié)果吻合),而彈塑性階段CFRP索—弦支穹頂結(jié)構(gòu)的剛度更大且極限承載力略高于后者的極限承載力。4、對CFRP索—弦支穹頂結(jié)構(gòu)的溫度效應(yīng)進(jìn)行了研究。相對于鋼材,CFRP的溫度膨脹系數(shù)很低。本文基于試驗(yàn)?zāi)Ｐ秃捅本⿰W林匹克羽毛球館的弦支穹頂結(jié)構(gòu)分別對CFRP索—弦支穹頂結(jié)構(gòu)和鋼索—弦支穹頂結(jié)構(gòu)在升溫和降溫條件下的受力狀態(tài)進(jìn)行分析。結(jié)果表明,溫度作用下,CFRP索和鋼索內(nèi)拉力的變化趨勢相反;同時,溫度變化對鋼索—弦支穹頂結(jié)構(gòu)上部網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的影響主要集中在邊緣區(qū)域,而對CFRP索—弦支穹頂結(jié)構(gòu)上部網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的影響不僅在邊緣區(qū)域,網(wǎng)殼中心區(qū)域的內(nèi)力變化也比較顯著;相同溫度作用下,CFRP索—弦支穹頂結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和位移變化一般小于鋼索—弦支穹頂結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和位移變化�；贑FRP的蠕變理論,對高溫作用下CFRP索—弦支穹頂結(jié)構(gòu)的蠕變效應(yīng)進(jìn)行了分析,結(jié)果表明CFRP索的蠕變效應(yīng)很小。5、對CFRP索—弦支穹頂結(jié)構(gòu)的動力性能進(jìn)行了初步研究。對比分析了CFRP索—弦支穹頂結(jié)構(gòu)和鋼索—弦支穹頂結(jié)構(gòu)模態(tài)和在瞬時動力荷載情況下的結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)情況,結(jié)果顯示兩個模型在低頻時的模態(tài)非常接近,而高頻時的模態(tài)有一定的差異;CFRP索—弦支穹頂結(jié)構(gòu)受瞬時動力效應(yīng)的影響更顯著。6、提出CFRP索—弦支穹頂結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法和建議�；谠囼�(yàn)、理論和數(shù)值分析成果,本文從結(jié)構(gòu)設(shè)計步驟、模型的建立、關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的設(shè)計與容許位移等方面初步對CFRP索—弦支穹頂結(jié)構(gòu)的設(shè)計提出了建議,為弦支穹頂結(jié)構(gòu)設(shè)計理論的發(fā)展提供參考。
【學(xué)位授予單位】：江蘇大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TU399;TU599
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本文編號：2588030