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大跨度FRP网架结构的展望和分析摘要本文将会介绍一种新的大跨度结构FRP织网结构在一个FRPWWS结构中高强度的FRP材料条像中国竹席中的竹片一样被编织在一起形成一个平面网这个网状结构的外围锚固在一个圈形的梁上结构的中心处还有一个用于锚固织网的内圈梁织网结构靠编织生产时的初步预施加应力和内圈梁面外运动引起的附加张力调整来抵抗遇到的各类荷载由于FRP材料的具有较高的材料重量比这种全新的结构形式为一些大跨度的空间建设提供了一种具有吸引力的选择方案该跨度长于用常规结构材料建筑的跨度在本文中首先介绍了简单的FRPWWS结构的基本布局和施工步骤接着阐明了三种基本的织造结构同时也提出了此类结构方式的几种变化文中介绍了一个简单的力学模型用于单个的FRP条力学变形也给出了一个实例结构的有限元分析的过程一引言FRP是一种新型的结构材料近年来在土木工程中的研究很活跃由于他具有一些良好的性能如抗腐蚀重量轻强度高抗疲劳性好以及维修费用低它被认为是在新世纪建造大跨度结构的理想建材但是它在某些方面的机械性能与那些传统的结构材料还是有明显的区别譬如它的各项异性现象由于FRP材料的独特性为了FRP材料的有效使用以及获得传统建材所不能及的跨度有必要研究新型的大跨度结构Maedaetal2002就设想了用FRP材料建造跨度5000米的悬索桥本文提出了FRP织网结构结构一种全新的大跨度结构形式这种新的结构形式旨在试图在一个大跨度的屋顶中有效利用FRP材料的性能在FRPWWS结构中高强度FRP编制像中国传统竹席中的竹片一样被编织成一个平面网状结构这个网状结构的外沿锚固在外圈梁上结构的中心处还有一个较小的内圈梁用于锚固织带图1所示既是一个小型FRPWWS结构模型为保证进行编织时FRP材料条的平直首先要对FRP编织条施加一定程度的预应力然后通过内圈梁的面外移动来拉动FRP织网施加预应力的过程可以通过预应力筋拉伸或在内圈梁设一定的重力来达成因此受拉的FRP网形成了一个带有两个圈梁的大跨屋面该FRP网的集合刚度能抵抗各种荷载FRPWWS结构类似于索网或索网膜结构他们的构成部分是灵活多变的并且靠拉伸引起的几何刚度来抵抗各种荷载然而FRPWWS结构有其独特的优点1FRP材料自重低且纵向上优越的材料性能被有效利用而横向上的弱点却没有暴露出来因此在超大跨度的结构中FRP系统是理想的2FRP编条的交汇处会产生巨大的阻尼从而加强结构抗风抗震能力3有规则的织网造型会使表面比较美观4耐腐蚀并且由于自重小安装和维护成本低本文详细介绍了一个简单的FRPWWS结构的基本布局和施工步骤织网的平面被大致的归为三类同时提出了一些实际应用的空间FRPWWS的例子提出了一个用于网中单一FRP条的力学模型最后描述了有限元法分析一个简易FRPWWS的例子的结论二简单FRPWWS的布局一个简易的FRP织网结构包括一张FRP编织网用于锚固的外环梁和内环梁还有一个用于张紧的额外重力荷载或一组被施加预应力的筋如图一所示网是由FRP条编织成的也客人推荐使用碳纤维FRP或其他的高性能混杂纤维类编织条碳纤维FRP是近年来被广泛应用于高强度混凝土结构的新型材料它通常由挤压制造含纤维比例达到65由中国和瑞士生产的两类代表产品繁荣性能资料可见表1编织条材料由于密度小而易被弯曲和盘绕一根标准的性能如表1相似的碳纤维FRP材料可以承受大于等于400KN的拉力同时一根300m长的这种长条重量少于70kg作为对比同等强度的300m钢缆自重已经超过500kg了这些编织条按一定的间距被编排在一个合适形式的平面上最简易的编织方法之一就是一根带子与经过的垂直的其他带子上下交错来制造一个像织物一样的网面这种类型的织网结构的部分截图可参看图2但大部分情况下编织条在交叉点处的数量和互相之间的角度才是衡量织网样式的主要标准每两根织带以90相交如图3a所示三条织带在一点呈60相交如图3b所示还有图3c所示的四条织带的45相交在交叉点处当完全成型后可用附着粘合使FRP条全部互交或不进行粘合使其相互之间可以可以自由滑动在后面的例子里会介绍编织条之间的静摩擦有助于静荷载下的刚度而滑动摩擦可消耗动态荷载下的结构动能三简易FRPWWS的施工按照图4所介绍的五个步骤可以完成一个最简易的FRPWWS结构首先要建造好临时固定支架上的内环梁一般情况下外环梁受压力而内环梁受拉力再编织网膜的过程中外环梁通常是钢筋混凝土的而内环梁是钢结构的尔后FRP编织成的网膜通过铰接点与环行梁连接起来并通过施加一些初始应力使其形成一个扁平的形状图五所示的就是编织条与环行梁进行临时性铰接的状况编织条由两块刚性板牢固地夹住了编织带应遵循指定的编织方案来进行编织这通常由结构工程师和建筑设计师共同确定由于FRP条重量轻厚度小进行编织时的过程非常简单当撤去内环梁的临时支撑时内环梁因自重向网面平面外方向下坠如果必要的话还能在此基础上再加额外的荷载内圈梁的这种垂直于网面的位移还可以通过在内圈上作用一组强劲的拉力来达成这些预应力施加完成后既告整个结构的完成根据力的分解原理在垂直于网膜方向上的一小点力在平面内沿织条可以形成一个很大的力使网带可以受拉最终使网面有足够的刚性来承担荷载四几种更为复杂的FRPWWS形式41基本的扁平织网形式FRP网膜是FRPWWS结构中最主要的部分最初在织网中有多种形式可供选择这将会导致不同的力学性能具体可分为以下三种瓦片模式辐射模式和多边形模式图6所示的是瓦片模式其有明显的分界线尤如铺好的瓷砖一样辐射型和多边形射线的编织形式都由许多重复的编织带组制成没组都由一些线段组成图7和图8分别显示了这两种类型的一些例子这两种模式都有自己的界定规则在实践中一个FRPWWS结构可能会兼有这三种类型的综合运用42空间弯曲的外环梁在一个实际的结构中为了制作成空间弯曲的外环梁及有感染力的空间结构可能会采纳外圈梁的弯曲变形形式如果FRP网的外层锚固在这样一个环梁上编织条能在空间形成一个光滑曲面如图9所示的那样形状就像一块绑在曲梁上的应力布由于网膜由许多的单个线条组成它在保证有良好的力学性能的前提下使曲面的成型具有很大的灵活性43双重网膜结构FRPWWS结构的承载能力主要来源于FRP编织条的拉应力产生的几何刚度编织条的预拉分为两个步骤在锚固的环形梁之间的平面内初始预加拉力和第二阶段内圈梁相对于外圈梁的纵向位移产生的预拉应力前者是对编织条一个一个进行的实现了网膜的平整并整体控制位移后者适用于形成网膜并达到预定的应力水平其中有多种不同的方式包括如前所述的使用预应力筋用一支撑圆柱撑起或在内环梁上悬一重物可以制成屋顶可收缩的结构一种替代上述方案的方法是形成两层网膜它们的内环梁或受拉或受压为编织条提供拉应力这种类型的双网膜结构在图示10中所示图10a所示的是一个杯碟形的FRPWWS结构其由两个内圈梁向外挎大的形式图10b示一蝴蝶形结构由两内圈梁受拉构成44多环梁型的FRPWWS结构一个简单的FRPWWS结构中只有两个环梁如果要使用更多如图11所示的环梁一个巨大的网膜将被分割成几个小跨度的部分随着跨度减小建设和设计难度会相应减小如果一个双网膜结构也有多个圈形梁称为一个折叠式网膜结构如图12以上只是一些的可能变异形式在实际应用中还有很多形式可被研究出来FRPWWS还能与其他种类结构综合使用形成混合结构体系五一个简单的FRPWWS结构分析51单根的FRP编织条如果忽略编织条相互接触处的作用每个编织条就主要受拉力作用一个简单的膜中呈180的一对编织条的两端分别与内外环梁相接如图13所示外环梁视作一不动点而内环梁视做一个刚体编织条经历三种状态初始施加预应力状态外圈梁的拉力状态和使用荷载时的状态假设编织带的横截面积为A弹性摸量为E内外圈梁繁荣半径差为LFRP编织条的自重和柔度由于极小而忽略不计如图13a所示的第一个状态中对编织条的初始水平预应力H作用在编织条的一端固编织条初始长度如图13b所示的第二个状态中内圈梁上作用有两个垂直的力V使内圈梁下降从而拉伸编织条编织条中的拉力为其中水平分量为内圈梁位移为根据平衡条件有如果此时编织带应变为则按照几何条件有根据联立这些方程即可求得在第三个状态中编织条须承受一个活荷载qx该荷载沿织条和内圈梁均布在交汇处的反作用力可被分解为水平作用力和垂直方向反力R距节点距离x处的总偏离记为zx活荷载造成的位移记作wx内环梁的总位移记为则有7编织条的弯曲形状由下式表示如果qx是均布荷载曲线形状可以重积分简单的算出则方程7变形为RqLV10编织条的端点处坡度为按照变形相容条件第二状态下的每个编织带总长度变化为13但由应变求得的在拉伸中的伸长率为14因此和可通过式1014求出举例来讲如图13所示在FRPWWS中取一对编织条其中L80m且材料性能与表一中产品2的那些性能相同在第一个状态中初始预应力为500Mpa则在第二个状态中网轴垂直方向上竖向力V30kN得出结果是编织条内应力为1344Mpa最终加上均布荷载q05kNm因而编织条中最大应力为2352Mpa且作用在外沿连接点处从这个简单的分析中即可确定一个FRPWWS的主要参数这些包括最初的控制拉力或称为预拉应力垂直方向的力V或内环梁的初位移它们控制着荷载下织网的变形和FRP条的反力水平52一个简单的FRPWWS结构图14所示的FRPWWS结构是由ANSYS2000软件的有限元分析法绘出的它具有150m的跨度且内环梁的半径为30m表1中产品2取自这个结构设计它具有2000MPa的抗拉设计值图中仅给出了放射线状的部分它其实共有360套织条组构成每组拥有三根编织条因此总共是1080根FRP条用于此结构在有限元分析中考虑了大幅度变形的几何非线性而忽略了织条间的相互作用FRP网的自重仅为177kN比结构上所要承受的荷载小的多因此可忽略网膜上预施加的预应力等级不超过210Mpa当内圈梁下坠后不超过1000MPa经有限元法分析在垂直力为14400kN的第二阶段下内圈梁向下位移508m编织带的最大应力为995MPaFRPWWS结构现在已经完工其中每根编织条的重量少于18kg一个成年人可轻易搬动这个结构看上去很简单FRPWWS条的总质量估计为19440kg完成后的这个FRPWWS结构由外环梁围绕的整个区域受到一个的设计均布荷载包括屋面均布自重风载和雪荷载在这些荷载下最大位移增幅122m且FRP条的总最大内力增加到1542MPa大约是设计拉应力的857因此这个建筑结构对承担这些荷载有足够的强度六结论本文中介绍的FRP织网结构FRPWWS其代表了FRP在大跨结构中的一个新型应用这种新结构的关键环节如下iFRP网膜环梁和纵向拉力系统是FRPWWS的基本组成体系ii如图4所示一个简单的FRPWWS结构共有5个施工步骤图4iii平面网膜编排模式可分为三类瓦片形式辐射形式和多边形花纹结构iv同样的基本原则下可以有很多不同的构造形式本文讨论了多种不同的可能形式包括使用空间弧形外环梁双网膜形式和多环梁形式v一个FRPWWS经历三个不同的应力状态初始预应力状态纵向加载状态和工作荷载状态三者都应在设计中加以考虑七致谢作者特此感谢中国自然科学基金会的通过国家重点工程FRP复合材料在土木上的应用项目项目号50238030和香港澳门青年学者联合研究基金项目号50329802对本研究的支持