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FRP编织网结构受力性能及设计方法研究

齐玉军  
【摘要】:FRP(纤维增强复合材料)编织网结构是采用FRP板条编织成网和经整体张拉形成的一种新型屋盖结构体系,其中FRP板条主要承受轴向拉力,可发挥FRP轻质高强的特点,从而实现超大跨度。本文以200m以上跨度的大型屋盖结构为背景,系统研究了FRP编织网结构的几何构造、施工张拉成形和使用阶段的受力性能,最终提出了FRP编织网结构的设计方法。 首先,研究了FRP编织网结构的几何构造问题。对不同形式的编织网面进行几何构成研究,建立了数学表达方法;提出整体性最好的“完善编织”的概念,证明了其存在性定理,提出了完善编织网面程序化求解流程;通过两个编织网模型的制作,验证了网面编织施工的可行性。通过研究,建立了任意编织网几何构造的数学分析方法和完善编织的实现,解决了FRP编织网结构的几何构造问题。 其次,通过两个1/10比例结构模型试验,研究了FRP编织网结构整体成形控制和使用阶段的力学性能。试验结果表明:施工阶段通过整体张拉能方便有效的实现FRP编织网结构的成形控制;使用中该结构体系具有很高的承载能力,且在卸载后变形可回复;超载时个别板条的局部破坏不会造成结构体系的连续破坏。通过试验研究,首次获得了FRP编织网结构的整体力学行为和破坏特征。 随后,以模型试验为基础研究了FRP编织网结构的理论分析方法和有限元分析方法。研究了单根FRP板条的基本力学方程和求解误差,以此为基础建立了简单FRP编织网结构的理论分析方法。研究了采用有限元软件ANSYS模拟FRP编织网结构时的单元选取、约束设置以及构造参数选取等关键问题,分析了板条自重、锚具变形和交点滑移对编织网结构成形控制和力学分析的影响规律。从而在计算理论和数值模拟两方面建立了FRP编织网结构的分析方法。 在此基础上,进行了大量数值计算,分析了结构设计参数对整体张拉比、板条最大应力和结构变形等结构性能关键参数的影响规律,获得了FRP编织网结构设计中关键参数的合理取值范围。最后,提出了FRP编织网结构的设计流程;并以一个跨度250m的体育场为例,设计了3个不同形式的FRP编织网屋面结构,验证了该设计方法的有效性。 通过本文研究,解决了FRP编织网结构设计应用中的主要问题,同时也证明了这种新型结构体系具有良好的受力性能,在超大跨结构中具有良好的应用前景。


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