CFRP索弦支穹頂預應力實驗及靜力分析

盛婕 張躍 段貴輔

摘 要：用更加高質輕強的CFRP索代替弦支穹頂結構中的鋼索，在已建立的CFRP索—弦支穹頂結構實驗模型的基礎上進行實驗，將已有的試驗材料進行整合分析，并用ANSYS軟件建立精細化數值模型，研究其受力機理;分析結果表明：CFRP索弦支穹頂結構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。

關鍵詞：CFRP索;張弦梁結構;受力機理;靜力學性能;

一、 引言

近年來，隨著我國建筑工業的蓬勃發展和國民經濟水平的迅速提高，人們越來越關注建筑結構的結構穩定性和外形美觀性。與傳統結構相比，空間結構不僅能更大程度的發揮出構件的受力性能;且在外觀設計方面，空間結構也擁有更大的發揮空間，能夠衍生出更多富有藝術性的外觀設計。因此，近年來，人們對空間結構的構造及受力性能展開了很多研究，而弦支穹頂結構[1]就是其中的一種。弦支穹頂結構最早是在1993年由日本政法大學Mamoru Kawaguchi教授[2]提出，它是由上部單層網殼、徑向拉桿或者拉索和環向拉索組成，融合了有張拉整體結構與球面單層網殼結構 在正常使用荷載作用下，內里通過上層網殼傳到下層的撐桿上，再由撐桿傳遞給索，索受力后，產生對支座的反向推力，大大減小了結構對下端約束環梁的橫向推力。與單層球面網殼結構相比，弦支穹頂結構[3]的受力更合理，效能更高。

而新型碳纖維增強復合材料CFRP索是一種力學性能優異的材料，它將多股連續纖維與樹脂相膠合，經過擠壓和拉拔等技術手段，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構進行智能監測。因此，構建CFRP索張弦梁可以很好地適應未來大跨空間結構的發展要求，同時也是對張弦梁結構體系的進一步拓展。

二、實驗

（一）原材料及儀器

CFRP索（碳纖維增強復合材料）從鎮江鋼材批發廠獲取，模型建造地位于江蘇大學土木工程實驗室;萬能試驗機、靜態電阻應變儀、位移計等測試CFRP索靜力學性能的器材來源于江蘇大學實驗室。

（二）實驗結果分析方法

ANSYS軟件是美國ANSYS公司研制的大型通用有限元分析（FEA）軟件，能與多數計算機輔助設計，運用ANSYS軟件，能對CFRP索（碳纖維增強復合材料）張弦梁結構進行數值模擬[4]，對比CFRP索和鋼索張弦梁結構的受力特點，可分析CFRP索張弦梁結構的受力機理;對不同跨度、撐桿長度和初始預應力等影響因素進行參數化分析[5]，研究該結構的靜力學性能。

三、弦支穹頂結構靜力分析

在大型通用軟件ANSYS中分別建立以普通鋼索為預應力拉索的弦支穹頂結構和以新型材料CFRP索為預應力拉索的弦支穹頂結構。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，通過環索對結構施加相同的初始預應力，環索由內到外的預應力分別為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、結論

從表3中的數據可知，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、環索及徑索的拉應力比等試驗結果都與原鋼索方案的試驗結果相接近，由此可得，在相同的條件下，用CFRP索（碳纖維增強復合材料）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果。

從表2的材料特性參數可知，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。這一數據表明，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構相似的試驗要求，而且可以承受更大的應力。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. 弦支穹頂結構的模型設計與試驗研究[ J]. 工程力學，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 . 弦支穹頂結構體系及其結構特性分析 [J]. 建筑結構學報 ， 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]. 四川建筑科學研究 ， 2006：79-83。

[5]謝甫哲，雷麗恒，劉榮桂.CFRP索弦支穹頂結構的受力性能研究[J].四川建筑科學研究，2019，45（01）：28-33。