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CFRP网架结构静力与抗震性能研究

张亮泉  
【摘要】:随着我国社会的发展,经济实力的增强以及人口的城市化,对大跨度空间结构的需求越来越多,要求也在不断提高。众所周知,特定建筑材料建造一定结构形式的建筑物,其跨度存在着一个极限。目前的大跨度建筑多采用钢材,在已建成的建筑中最大跨度可达到200多米,要突破这一跨度极限,使用高强、轻质的新型材料,并合理选择结构形式是一种可行的途径。 纤维增强复合材料(Fiber Reinforced Plastic,简称FRP)具有比强度高、比模量大、性能易于设计、易加工成型、抗腐蚀、耐疲劳等多种优越性能。这种材料既是一种材料又是一种结构。FRP作为结构材料比传统材料自重轻20%~50%,并且除可以作为承力构件,还具有自感知等功能。因此,FRP的应用日益广泛,从航空航天、国防到民用经济的各个领域,并已经进入土木建筑领域。 本文以空间结构中最常用的网架结构为研究对象,以碳纤维复合材料(Carbon Fiber Reinforced Plastic,简称CFRP)为构建网架的基本材料,以圆管为构建网架的基本单元,深入系统地研究CFRP网架的静动力特性、动力特性与抗震能力,并与相同跨度、相同网格布置方式和相同构件截面尺寸的钢网架进行对比。 本文主要研究内容如下: 首先,设计并制造两组共6个CFRP圆管,进行单向拉压性能试验。研究其抗拉强度和直至破坏的拉伸应力-应变曲线,分析其破坏特征;研究其抗压强度和直至破坏的受压应力-应变曲线,分析试件受压破坏特征。利用CFRP圆管单向拉压本构模型数值计算上述试验试件的拉伸和受压应力-应变曲线,并与试验结果进行比较。 第二,提出CFRP网架结构的设计方法,包括杆件强度设计原则、杆件的屈曲分析和CFRP网架结构的设计总原则。根据上述设计方法分别设计3种形式的平板网架,并采用通用有限元分析软件ABAQUS分析3种网架在自重和屋面荷载共同作用下的内力分布规律,及网架支撑数量发生变化时其内力分布的变化规律。 第三,采用ABAQUS计算分析跨度、网格布置方式及杆件截面尺寸均相同的CFRP网架和钢网架分别在常遇和罕遇地震作用下的动力响应,比较二者内力分布规律和频率特性,进而比较分析二者的跨越能力,验证CFRP网架可以实现更大跨度的跨越。 第四,基于静力弹塑性分析方法,分析CFRP网架在水平、竖向及三向荷载作用下的失效模式,建立基于位移的CFRP网架失效判断准则,给出CFRP网架失效模式控制设计建议。


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