高性能碳纤维-索穹顶结构体系研究

Green building, energy conservation, high efficiency, and high-durability represent the development direction of the civil engineering. A new kind of high performance cable dome structure, made of Carbon Fiber Reinforced Plastics (CFRP) material, is put forward in this program. To reduce the material consumption and improve the durability, this new space structure system can make full use of advantages of light weight and high strength of CFRP, so its research and application conform to the national policy of sustainable development. The method, which combines theoretical analysis, numerical simulation and experimental study, will be employed to research on the mechanical behavior and design theory of the new kind of cable dome sturture. In order to obtain the key technology of building CFRP cable dome structure system, the topological relation and configuration of the ridge cables, diagonal cables, hoop cables and struts will be studied, also the member dimension will be optimized. In addition, the tensioning anchorage system of CFRP cables will be explored. Then, to establish the bearing capacity calculation formula for the CFRP struts with elastic constraint ends, the instability failure modes of the struts will be studied. Furthermore, the formation of connections of CFRP cables and struts will be developed, and, their details and design theory will be investigated. Moreover, in order to evaluate and master the whole performance and characteristic of the CFRP cable dome structure, the static and dynamic behavior of the new material structure system will be researched based on the overall model test. Finally, the new structure design method of CFRP cable dome system will be put forward, which can consider the requirement of both structural optimization and form-finding analysis. The study of this program belongs to the applied basic research on new metiarial and new structures.

绿色节能和高效耐久是土木工程发展方向。本项目提出一种高性能碳纤维索穹顶空间结构。该体系能充分发挥碳纤维增强复合材料（CFRP）轻质高强特性，克服普通大跨空间结构材料用量大和耐久性差的缺点，契合可持续发展基本国策。拟通过理论分析、数值仿真和实验及测试相结合的技术路线，对这一新材料索穹顶结构体系的受力行为和设计理论展开研究。通过确定CFRP 脊索、环索及压杆的构型和拓扑关系，优化各单元构造尺寸，探索CFRP 筋材张拉锚固体系，研究碳纤维索穹顶体系的构建关键技术；对弹性约束CFRP 压杆的失效模式进行研究，建立针对期望破坏模式的承载力公式；研制匹配CFRP筋和压杆受力特性的新型连接节点，探究其构造和设计理论；通过整体模型实验，研究比较新结构的静动力行为，评价其总体性能，验证前述研究成果；提出碳纤维索穹顶结构满足形态要求的结构优化设计理论。该项目是针对新材料结构体系的应用基础研究。

索穹顶结构是由拉索和压杆组成的张拉整体、刚柔组合的大跨空间结构。碳纤维复合材料（CFRP）具有轻质、高强、耐腐蚀、可设计性能良好等优点。将CFRP材料应用于索穹顶结构中的关键构件（索和压杆），可充分发挥材料和结构两者优势，形成更加节能环保、高强耐久的新结构。本课题针对新型碳纤维索穹顶结构展开系统研究，具体如下：.（1）提出考虑结构自重、预期荷载等的预应力分布求解方法，基于所提组矩阵理论进行了结构找力分析，基于动力松弛法进行了索穹顶结构找形分析。.（2）基于CFRP索杆特点和节点设计要求，提出了四种新型节点，进行了新型节点设计研究。.（3）通过对粘结式锚具进行拉伸和低周疲劳试验，得出各类长度锚具的锚固性能和影响因素；综合夹片式和粘结式CFRP索锚具特点，提出和设计了一种新型的内嵌钢珠式CFRP索锚具，通过试验验证了其优越的可靠性能。.（4）通过对CFRP压杆不同弹性约束下的受力性能进行理论推导、数值分析和实验研究，确定新型压杆各类失效模式和影响参数；提出了弹性约束CFRP杆（管）受压承载力理论公式和临界长细比。.（5）通过构型研究，提出各组成单元拓扑关系、CFRP索穹顶结构节点和锚具设计方法、施工和张拉成形方案等。通过两次静力试验和数值分析等掌握了新结构的静力性能和失效模式。.（6）分析了初始预应力、矢跨比、构件截面面积以及荷载作用形式对结构性能的影响；.（7）自行设计了振动台试验模型、优化其施工及张拉成形方案和配重方案、索穹顶的自振特性和结构响应测量方案，完成了CFRP索穹顶结构的地震模拟振动台试验，含8种类型地震波共39个工况。试验结果与数值模拟符合较好，表明两者均合理可靠。.（8）研究对比了普通波和强震波、普通波和近场波、普通波和长持时波、近场波和长持时波多种情况下CFRP索穹顶结构的动力响应，并通过CFRP索穹顶结构抗震性能评价证明其拥有很好的抗震性能，提出了抗震设计建议，新结构可推广应用于强震区。.（9）探讨了新结构抗风性能并提出了设计建议。.（10）提出一种将形态分析和结构优化设计相结合的优化设计新思想，考虑预期荷载对结构几何形态的影响，能够保证优化设计结果满足结构优化和形态的双重要求；.（11）结合本课题研究成果和实践经验，提出索穹顶结构设计流程和建议，包括形态和荷载分析、优化设计、抗震抗风、节点设计、锚具设计、构件设计和施工等。