CFRP索悬挂减振结构静动力特性分析与应用研究

摘要

CFRP索悬挂减振结构是一种新型的结构体系，将高强CFRP材料应用于悬挂减振结构不仅可以减轻自重、提高有效承载能力，而且，可以解决钢拉索的腐蚀和疲劳问题，优化结构的受力性能，减少后期维护费用。
　　CFRP索悬挂减振结构体系将高强CFRP材料、悬挂建筑结构以及结构振动控制理论有机地结合在一起，形成了建筑室内和底部大空间的同时，解决了建筑功能与结构构造之间的矛盾，具有良好的抗风和抗震、减震的性能，实现了建筑、结构和艺术美的统一，是一种具有广阔应用前景的新型结构体系。本文结合国内首幢CFRP索悬挂减振结构的设计、建造，进行了理论、试验等多方面探索和创新研究，主要内容如下:
　　1.CFRP筋材性及吊索组装件试验研究
　　CFRP筋可代替钢吊索应用于悬挂减振结构中，作为材料应用的基础，本文就其高应力状态下的蠕变破坏、应力-应变性能等问题，作了简明的分析;并就CFRP筋用作吊索时的设计参数及设计中应注意的问题等作了研究;探讨了CFRP筋作为吊索的适用环境温度及预防破坏的措施;进行了CFRP筋的单向拉伸性能试验研究;通过4根CFRP筋粘结型锚具的设计、静载试验和有限元分析，研究了粘结型锚具的荷载-滑移、筋材受力均匀性等，并将筋材之间的净距减小至1/2的筋径，保证良好锚固性能的同时，大大减小了锚具的横截面尺寸。
　　2.悬挂减振结构体系的对比分析
　　建立了悬挂减振结构的运动方程，给出了脉动风荷载的特性和模拟过程，并针对实例结构模拟了顺风向脉动风荷载，并将其施加于几种不同的悬挂减振结构体系;分别对几种悬挂减振结构体系进行了地震、风振作用下的时程分析，研究了各种悬挂减振结构体系的减振性能。
　　3.CFRP索悬挂减振结构的静力性能分析
　　总结了悬挂建筑结构静力分析的方法，推导了几何非线性有限元分析方程;然后，就几何非线性的影响因素以及分析方法作了简单分析;对悬挂建筑结构理想成形状态的确定给出了详细地分步阐述，并通过一算例对CFRP索悬挂减振结构成形状态下的索力及悬挂大梁的内力进行了分析。对比分析了一单筒CFRP/钢索悬挂减振结构在竖向荷载作用下的静力性能和包括吊索应力、悬挂楼层质量、层高、层数等参数的影响分析。
　　4.CFRP索悬挂减振结构的自振特性分析
　　给出了悬挂减振结构的自由振动方程，论述了建立悬挂减振结构分析模型时如何合理选取单元和处理边界、连接条件;通过有限元数值分析，揭示了CFRP索悬挂减振结构的自振特性，分析了主体核筒刚度、悬挂楼层质量、悬挂楼层层高、悬挂楼层层数、阻尼器刚度、吊杆与结构的连接方式等参数对CFRP索悬挂减振结构自振特性的影响，为结构的优化设计打下基础。
　　5.CFRP索悬挂减振结构的设计与现场试验研究
　　鉴于前人的研究成果，讨论了CFRP索悬挂减振结构的设计要点。CFRP索悬挂减振结构试点工程是一幢拟采用全CFRP索的悬挂结构。简述了其设计要点，细致地分析了其静力性能、自振特性和地震响应;研究了CFRP索的制备和注意事项;对CFRP索悬挂减振结构施工过程进行分析，确定合理的施工顺序、CFRP索的张拉方案以及各索的张拉控制力，并就试点工程施工进行了简单的力学分析;对试点工程的施工过程进行监测，密切关注施工过程中CFRP索、悬挂大梁以及核心柱等主要部件的受力;对试点工程中CFRP索在高应力状态下的长期工作状态进行测试，为其应用于高层、超高层结构做准备;通过现场水平静力侧推试验，深入探讨了CFRP索悬挂结构的受力和变形特征;通过动力特性试验，验证了理论分析的可靠性和CFRP索悬挂减振结构的振型特点。通过CFRP索悬挂减振结构试点工程的施工和试验研究，为今后采用CFRP建造高层、超高层结构等工程作了成功的探索和实践。
　　理论分析和实际工程的试验研究表明，CFRP索应用于悬挂减振结构具有钢索无法比拟的优势，CFRP索悬挂减振结构兼有新材料和新结构体系的属性，是一种值得推广应用的高层建筑结构体系。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 悬挂建筑结构的分类与典型实例

1．1．1 核筒悬臂悬挂结构

1．1．2 巨型框架悬挂结构

1．1．3 拱或悬索式悬挂结构

1．2 悬挂建筑结构体系的研究

1．2．1 悬挂建筑结构的研究现状

1．2．2 悬挂建筑结构的发展趋势和新挑战

1．3 CFRP筋(索)的研究应用现状

1．3．1 CFRP筋的组成及特点

1．3．2 CFRP筋的研究应用现状

1．4 CFRP用于悬挂建筑结构的优势和可行性探讨

1．4．1 CFRP用于悬挂建筑结构的优势

1．4．2 亟待研究解决的一些问题

1．5 本文研究内容及创新之处

参考文献

第二章 CFRP筋的材性及吊索组装件试验

2．1 概述

2．2 CFRP筋的制作

2．3 CFRP筋的材料性能

2．3．1 CFRP筋的应力应变关系

2．3．2 CFRP筋的蠕变性能

2．4 CFRP筋用作预应力筋的设计规定

2．5 适用环境及预防破坏措施

2．6 CFRP筋单向拉伸试验研究

2．6．1 试验设计

2．6．2 试验装置及测量方案

2．6．3 试验现象

2．6．4 试验结果及分析

2．7 CFRP索(筋)锚具组装件锚固技术研究

2．7．1 CFRP索(筋)锚具性能的要求

2．7．2 CFRP索(筋)锚具的设计

2．7．3 CFRP索(筋)锚具组装件试验研究

2．7．4 CFRP索(筋)锚具组装件有限元分析

2．8 本章小结

参考文献

第三章 悬挂减振结构体系的对比分析

3．1 悬挂减振结构体系的地震时程分析

3．1．1 悬挂减振结构运动方程的建立

3．1．2 核筒悬挂减振结构体系算例对比分析

3．1．3 巨型框架悬挂减振结构体系算例对比分析

3．2 脉动风荷载及其谱密度

3．2．1 风速的特性

3．2．2 脉动风速谱密度

3．2．3 脉动风空间相干函数

3．3 脉动风速时程的随机模拟及脉动风压计算

3．3．1 脉动风速时程的随机模拟

3．3．2 结构的脉动风荷载

3．4 风振响应时程分析实例分析

3．4．1 核筒悬挂减振结构风振响应时程分析对比

3．4．2 巨型框架悬挂减振结构风振响应时程分析对比

3．5 两类悬挂减振结构的对比分析

3．6．本章小结

参考文献

第四章 CFRP索核筒悬挂减振结构的静力性能分析

4．1 CFRP悬挂建筑结构静力分析方法及理论

4．1．1 悬挂建筑结构静力分析方法概述

4．1．2 悬挂建筑结构非线性有限元计算理论

4．2 悬挂结构几何非线性的影响因素及其分析处理方法

4．3 理想成形状态的确定

4．3．1 成形状态的确定过程

4．3．2 算例及分析

4．4 CFRP／钢索核筒悬挂减振结构竖向荷载作用下静力性能对比分析

4．4．1 活载效应分析

4．4．2 温度效应分析

4．5 CFRP索核筒悬挂减振结构竖向荷载作用下静力性能的参数分析

4．5．1 吊索的初应力

4．5．2 悬挂楼层质量

4．5．3 悬挂楼层层高

4．5．4 悬挂楼层层数

4．5．5 吊杆与悬挂大梁和悬挂楼层的连接

4．6 本章小结

参考文献

第五章 CFRP索核筒悬挂减振结构的自振特性分析

5．1 概述

5．2 悬挂建筑结构自振特性分析方法

5．2．1 刚度法

5．2．2 近似计算方法

5．2．3 柔度法

5．3 CFRP索悬挂减振结构自振特性分析的有限元法

5．3．1 自由振动方程及其求解

5．3．2 有限元模型的建立

5．4 CFRP／钢索核筒悬挂减振结构自振特性的算例分析与比较

5．4．1 结构简图及设计参数

5．4．2 单元类型及其质量矩阵

5．4．3 求解方法

5．4．4 计算结果及其检验

5．4．5 悬挂减振结构自振特性的一般规律和两种吊索悬挂减振结构自振特性的比较

5．5 CFRP索核筒悬挂减振结构自振特性的参数分析

5．5．1 核筒刚度

5．5．2 悬挂楼层质量

5．5．3 悬挂楼层层高

5．5．4 悬挂楼层层数

5．5．5 阻尼器刚度

5．5．6 吊杆与悬挂大梁和悬挂楼层的连接

5．6 本章小结

参考文献

第六章 CFRP索悬挂减振结构设计及现场试验研究

6．1 CFRP索(筋)悬挂结构的设计

6．1．1 设计要点

6．1．2 配置CFRP索的吊杆的设计

6．2 CFRP索(筋)悬挂减振结构试点工程设计

6．2．1 工程概况

6．2．2 设计技术指标

6．2．3 结构部件设计

6．2．4 结构静力分析

6．2．5 结构自振特性分析

6．2．6 地震反应分析

6．3 CFRP索(筋)的制作

6．4 CFRP索悬挂减振结构施工过程分析

6．4．1 施工程序的确定

6．4．2 基于时变结构力学的施工过程力学分析

6．4．3 吊索张拉方案的确定

6．4．4 张拉控制力的确定

6．4．5 模拟CFRP索悬挂减振结构试点工程施工的力学分析

6．5 施工过程及长期监测

6．5．1 测试目的

6．5．2 测试内容及测试方法

6．5．3 测试设备与仪器

6．5．4 测试结果分析及与理论值的比较

6．6 现场水平侧向静力加载试验

6．6．1 试验目的

6．6．2 试验介绍

6．6．3 加载装置与加载方法

6．6．4 测试内容与测试方法

6．6．5 测试设备与仪器

6．6．6 加载方案

6．6．7 测试结果分析及与理论值的比较

6．7 结构动力特性测试

6．7．1 测试目的与意义

6．7．2 测试设备与仪器

6．7．3 测试方案的确定

6．7．4 测试结果与数据分析

6．8 本章小结

参考文献

第七章 全文总结及展望

7．1 主要研究结论

7．2 研究展望

作者攻读博士学位期间发表的论文

致谢