CFRP索穹顶结构静动力性能试验研究

摘要

索穹顶结构是效率极高的张拉整体结构体系，它以独特的优势为人类实现大跨度空间屋盖结构提供了新的途径。在过去的几十年内，索穹顶结构在工程应用和学术研究领域上取得了巨大进步，显示了该结构体系广阔的应用前景。
　　碳纤维复合材料(CFRP)具有轻质、高强、耐腐蚀等突出的优点，符合建筑工业化要求，因此被广泛地应用于各种工程结构中，在土木行业也发挥着越来越重要的作用。
　　碳纤维筋材的抗拉强度高，而索穹顶是一种全张力结构，如果索穹顶的拉索采用碳纤维筋，那么材料和结构会相得益彰。因此，碳纤维索穹顶结构具有很好的应用前景和研究意义。本文对碳纤维索穹顶结构进行了静力和动力性能的分析研究，主要包括以下内容:
　　根据相似理论，设计一直径5.4m的Geiger型碳纤维索穹顶模型，然后对其进行找力分析，由ANSYS迭代计算得到重力作用下精确的初始预张力结果。
　　对碳纤维筋材进行拉伸性能和抗剪性能试验，以全面掌握材料的力学性能;对模型试验中所采用的锚具进行抗拉试验和疲劳试验。
　　根据试验结果和相关原则设计节点和锚具，张拉碳纤维索穹顶模型，对模型进行不同工况下的静力加载试验，将试验所测的内力和位移与有限元计算结果进行了对比分析，得到静力试验的结论。
　　动力性能分析中，首先对碳纤维索穹顶模型进行模态、反应谱及其参数分析。在时程分析中，采用地震波、模态、动力响应相结合的频域分析法，得到索穹顶动力响应的基本规律。随后比较了钢索穹顶和碳纤维索穹顶动力性能的差异，最后对添加弹性支座的索穹顶模型进行时程分析，得到弹性支座对结构动力响应的影响规律。
　　最后，根据所有的研究结果，对碳纤维索穹顶结构的性能进行整体评估，对该结构的设计提出相关的建议。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 索穹顶结构概述

1．1．1 索穹顶结构的起源和发展

1．1．2 索穹顶结构的组成和分类

1．1．3 索穹顶结构的工程实例

1．1．4 索穹顶结构体系的特点和工作机理

1．2 索穹顶结构的研究现状

1．2．1 结构形态分析

1．2．2 施工成形分析

1．2．3 静力性能研究

1．2．4 动力性能研究

1．3 碳纤维增强复合材料

1．3．1 CFRP索材料简介

1．3．2 施加预应力的CFRP结构国内外应用和研究现状

1．4 本文的主要工作

第2章 Geiger型CFRP索穹顶模型的设计

2．1 模型试验概述

2．1．1 结构模型分类

2．1．2 相似理论

2．2 Geiger型CFRP索穹顶模型的建立

2．2．1 模型试验的材料选择

2．2．2 索穹顶模型的设计

2．3 索穹顶模型初始预应力的确定

2．3．1 基本理论

2．3．2 索穹顶模型的找力分析

2．4 本章小结

第3章 CFRP索材料性能和锚具性能试验研究

3．1 CFRP索拉伸材性试验

3．1．1 材性试验构件

3．1．2 材性试验过程

3．1．3 材性试验结果及分析

3．2 CFRP筋材抗剪性能试验

3．2．2 剪切试验方案

3．2．3 剪切试验内容及结果

3．3 粘结式锚具拉伸性能试验

3．3．1 试验方案设计

3．3．2 试验内容及过程

3．3．3 锚具锚固性能分析

3．3．4 筋材表面应力分布规律分析

3．4 粘结式锚具低周疲劳试验

3．4．1 锚具疲劳试验方案

3．4．2 疲劳试验内容及结果

3．4．3 疲劳试验总体分析

3．5 本章小结

第4章 Geiger型CFRP索穹顶静力性能试验研究

4．1 索穹顶试验模型节点和构件制作

4．1．1 构件的设计和制作

4．1．2 节点的设计和制作

4．2 支座外环梁和立柱的设计

4．3 试验前的准备工作

4．3．1 索穹顶模型的加载系统

4．3．2 索穹顶模型的测量系统

4．3．3 模型测点的选择及布置

4．4．1 索穹顶模型的安装

4．4．2 索穹顶模型的张拉

4．5 索穹顶模型试验结果及分析

4．5．1 几何位置的测量

4．5．2 初始预应力分布

4．5．3 静力加载试验过程及结果分析

4．5．4 试验模型的非保守性分析

4．6 本章小结

第5章 Geiger型CFRP索穹顶模型动力性能分析

5．1 碳纤维索穹顶的模态分析

5．1．1 模态分析的基本理论

5．1．2 索穹顶模型的自振频率和振型

5．1．3 索穹顶模型模态参数分析

5．2 碳纤维索穹顶的反应谱分析

5．2．1 规范设计反应谱

5．2．2 反应谱分析的基本参数和规定

5．2．3 索穹顶模型的反应谱分析

5．2．4 反应谱法的参数分析

5．3 Geiger型索穹顶模型时程分析

5．3．1 地震波的选取和处理

5．3．2 阻尼的取值

5．3．3 单向地震作用下结构动力响应

5．3．4 碳纤维索穹顶与钢索穹顶时程分析及对比

5．3．5 添加外环梁与立柱的模型和原模型比较

5．4 本章小结

第6章 Geiger型CFRP索穹顶结构设计建议

第7章 结论与展望

7．1 本文主要结论

7．2 待解决的问题

参考文献

攻读硕士期间发表的论文

致谢