盛婕 張躍 段貴輔

摘 要：用更加高質(zhì)輕強的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)實驗?zāi)Ｐ偷幕A(chǔ)上進行實驗，將已有的試驗材料進行整合分析，并用ANSYS軟件建立精細化數(shù)值模型，研究其受力機理;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，易于對大跨或超大跨度張弦梁結(jié)構(gòu)進行智能監(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)體系的進一步拓展。

二、實驗

（一）原材料及儀器

CFRP索（碳纖維增強復(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)土木工程實驗室;萬能試驗機、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)實驗室。

（二）實驗結(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)計算機輔助設(shè)計，運用ANSYS軟件，能對CFRP索（碳纖維增強復(fù)合材料）張弦梁結(jié)構(gòu)進行數(shù)值模擬[4]，對比CFRP索和鋼索張弦梁結(jié)構(gòu)的受力特點，可分析CFRP索張弦梁結(jié)構(gòu)的受力機理;對不同跨度、撐桿長度和初始預(yù)應(yīng)力等影響因素進行參數(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度的方法對普通鋼索和新型材料CFRP索進行替換后，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)力比等試驗結(jié)果都與原鋼索方案的試驗結(jié)果相接近，由此可得，在相同的條件下，用CFRP索（碳纖維增強復(fù)合材料）代替普通鋼索的方式是可行的，通過試驗，兩者可以得到相近的實驗結(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，而抗拉強度卻在2300MPa左右，在提高鋼索抗拉強度的同時，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：

[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。