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        CFRP索弦支穹頂預(yù)應(yīng)力實(shí)驗(yàn)及靜力分析

        2020-04-01 07:54:29盛婕張躍段貴輔
        科學(xué)與財富 2020年2期

        盛婕 張躍 段貴輔

        摘 要:用更加高質(zhì)輕強(qiáng)的CFRP索代替弦支穹頂結(jié)構(gòu)中的鋼索,在已建立的CFRP索—弦支穹頂結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)?zāi)P偷幕A(chǔ)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn),將已有的試驗(yàn)材料進(jìn)行整合分析,并用ANSYS軟件建立精細(xì)化數(shù)值模型,研究其受力機(jī)理;分析結(jié)果表明:CFRP索弦支穹頂結(jié)構(gòu)不僅具有良好的受力性能,且可以大幅度減少用鋼材料、減少工程造價。

        關(guān)鍵詞:CFRP索;張弦梁結(jié)構(gòu);受力機(jī)理;靜力學(xué)性能;

        一、 引言

        近年來,隨著我國建筑工業(yè)的蓬勃發(fā)展和國民經(jīng)濟(jì)水平的迅速提高,人們越來越關(guān)注建筑結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和外形美觀性。與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)相比,空間結(jié)構(gòu)不僅能更大程度的發(fā)揮出構(gòu)件的受力性能;且在外觀設(shè)計方面,空間結(jié)構(gòu)也擁有更大的發(fā)揮空間,能夠衍生出更多富有藝術(shù)性的外觀設(shè)計。因此,近年來,人們對空間結(jié)構(gòu)的構(gòu)造及受力性能展開了很多研究,而弦支穹頂結(jié)構(gòu)[1]就是其中的一種。弦支穹頂結(jié)構(gòu)最早是在1993年由日本政法大學(xué)Mamoru Kawaguchi教授[2]提出,它是由上部單層網(wǎng)殼、徑向拉桿或者拉索和環(huán)向拉索組成,融合了有張拉整體結(jié)構(gòu)與球面單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu) 在正常使用荷載作用下,內(nèi)里通過上層網(wǎng)殼傳到下層的撐桿上,再由撐桿傳遞給索,索受力后,產(chǎn)生對支座的反向推力,大大減小了結(jié)構(gòu)對下端約束環(huán)梁的橫向推力。與單層球面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)相比,弦支穹頂結(jié)構(gòu)[3]的受力更合理,效能更高。

        而新型碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料CFRP索是一種力學(xué)性能優(yōu)異的材料,它將多股連續(xù)纖維與樹脂相膠合,經(jīng)過擠壓和拉拔等技術(shù)手段,最終成型。CFRP索的抗拉強(qiáng)度一般都在3500Mpa以上,大約是鋼的8倍左右,而其比重不到鋼的1/4,且CFRP本身是一種自感知材料,耐腐蝕性強(qiáng),易于對大跨或超大跨度張弦梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行智能監(jiān)測。因此,構(gòu)建CFRP索張弦梁可以很好地適應(yīng)未來大跨空間結(jié)構(gòu)的發(fā)展要求,同時也是對張弦梁結(jié)構(gòu)體系的進(jìn)一步拓展。

        二、實(shí)驗(yàn)

        (一)原材料及儀器

        CFRP索(碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料)從鎮(zhèn)江鋼材批發(fā)廠獲取,模型建造地位于江蘇大學(xué)土木工程實(shí)驗(yàn)室;萬能試驗(yàn)機(jī)、靜態(tài)電阻應(yīng)變儀、位移計等測試CFRP索靜力學(xué)性能的器材來源于江蘇大學(xué)實(shí)驗(yàn)室。

        (二)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析方法

        ANSYS軟件是美國ANSYS公司研制的大型通用有限元分析(FEA)軟件,能與多數(shù)計算機(jī)輔助設(shè)計,運(yùn)用ANSYS軟件,能對CFRP索(碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料)張弦梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值模擬[4],對比CFRP索和鋼索張弦梁結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn),可分析CFRP索張弦梁結(jié)構(gòu)的受力機(jī)理;對不同跨度、撐桿長度和初始預(yù)應(yīng)力等影響因素進(jìn)行參數(shù)化分析[5],研究該結(jié)構(gòu)的靜力學(xué)性能。

        三、弦支穹頂結(jié)構(gòu)靜力分析

        在大型通用軟件ANSYS中分別建立以普通鋼索為預(yù)應(yīng)力拉索的弦支穹頂結(jié)構(gòu)和以新型材料CFRP索為預(yù)應(yīng)力拉索的弦支穹頂結(jié)構(gòu)。采用等軸向剛度(EA相同)和等強(qiáng)度(軸向抗拉承載力相同)替代的方法,通過環(huán)索對結(jié)構(gòu)施加相同的初始預(yù)應(yīng)力,環(huán)索由內(nèi)到外的預(yù)應(yīng)力分別為3000kN、1300kN、700kN、300kN。用軟件分析得到普通鋼索與新型材料CFRP索的截面面積,對兩者的截面面積進(jìn)行比較及分析。

        四、結(jié)論

        從表3中的數(shù)據(jù)可知,用等軸向剛度和等強(qiáng)度的方法對普通鋼索和新型材料CFRP索進(jìn)行替換后,模型在豎向荷載作用下的最大豎向位移、最大水平推力、基本自振周期、環(huán)索及徑索的拉應(yīng)力比等試驗(yàn)結(jié)果都與原鋼索方案的試驗(yàn)結(jié)果相接近,由此可得,在相同的條件下,用CFRP索(碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料)代替普通鋼索的方式是可行的,通過試驗(yàn),兩者可以得到相近的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

        從表2的材料特性參數(shù)可知,CFRP索的密度僅為普通鋼索的1/5,而抗拉強(qiáng)度卻在2300MPa左右,在提高鋼索抗拉強(qiáng)度的同時,大大降低了材料的自重。這一數(shù)據(jù)表明,在相同的條件下,用等剛度和等強(qiáng)度的方法將張弦梁模型中的普通鋼索替換成CFRP索,不僅可以完成與原結(jié)構(gòu)相似的試驗(yàn)要求,而且可以承受更大的應(yīng)力。CFRP的價格也較為合理,可以較大幅度減小用鋼材料,減小工程造價。

        參考文獻(xiàn):

        [1]郭佳民,董石麟,袁行飛. 弦支穹頂結(jié)構(gòu)的模型設(shè)計與試驗(yàn)研究[ J]. 工程力學(xué),2011,28( 7) : 157-164.。

        [2]Mamoru K, Masaru A, Tatsuo H. On a structural system“Suspen-dome”[C].Istanbul: Proceedings of IASS Sym-posium, 1993.

        [3]陳志華 . 弦支穹頂結(jié)構(gòu)體系及其結(jié)構(gòu)特性分析 [J]. 建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報 , 2004,34(5):38-41。

        [4]趙志平 , 常建立 , 楊曉光 . 利用 ANSYS 對碳纖維布加固 RC 梁的非線性有限元分析 [J]. 四川建筑科學(xué)研究 , 2006:79-83。

        [5]謝甫哲,雷麗恒,劉榮桂.CFRP索弦支穹頂結(jié)構(gòu)的受力性能研究[J].四川建筑科學(xué)研究,2019,45(01):28-33。

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