CFRP索弦支穹顶预应力实验及静力分析

盛婕 张跃 段贵辅

摘 要：用更加高质轻强的CFRP索代替弦支穹顶结构中的钢索，在已建立的CFRP索—弦支穹顶结构实验模型的基础上进行实验，将已有的试验材料进行整合分析，并用ANSYS软件建立精细化数值模型，研究其受力机理;分析结果表明：CFRP索弦支穹顶结构不仅具有良好的受力性能，且可以大幅度减少用钢材料、减少工程造价。

关键词：CFRP索;张弦梁结构;受力机理;静力学性能;

一、 引言

近年来，随着我国建筑工业的蓬勃发展和国民经济水平的迅速提高，人们越来越关注建筑结构的结构稳定性和外形美观性。与传统结构相比，空间结构不仅能更大程度的发挥出构件的受力性能;且在外观设计方面，空间结构也拥有更大的发挥空间，能够衍生出更多富有艺术性的外观设计。因此，近年来，人们对空间结构的构造及受力性能展开了很多研究，而弦支穹顶结构[1]就是其中的一种。弦支穹顶结构最早是在1993年由日本政法大学Mamoru Kawaguchi教授[2]提出，它是由上部单层网壳、径向拉杆或者拉索和环向拉索组成，融合了有张拉整体结构与球面单层网壳结构 在正常使用荷载作用下，内里通过上层网壳传到下层的撑杆上，再由撑杆传递给索，索受力后，产生对支座的反向推力，大大减小了结构对下端约束环梁的横向推力。与单层球面网壳结构相比，弦支穹顶结构[3]的受力更合理，效能更高。

而新型碳纤维增强复合材料CFRP索是一种力学性能优异的材料，它将多股连续纤维与树脂相胶合，经过挤压和拉拔等技术手段，最终成型。CFRP索的抗拉强度一般都在3500Mpa以上，大约是钢的8倍左右，而其比重不到钢的1/4，且CFRP本身是一种自感知材料，耐腐蚀性强，易于对大跨或超大跨度张弦梁结构进行智能监测。因此，构建CFRP索张弦梁可以很好地适应未来大跨空间结构的发展要求，同时也是对张弦梁结构体系的进一步拓展。

二、实验

（一）原材料及仪器

CFRP索（碳纤维增强复合材料）从镇江钢材批发厂获取，模型建造地位于江苏大学土木工程实验室;万能试验机、静态电阻应变仪、位移计等测试CFRP索静力学性能的器材来源于江苏大学实验室。

（二）实验结果分析方法

ANSYS软件是美国ANSYS公司研制的大型通用有限元分析（FEA）软件，能与多数计算机辅助设计，运用ANSYS软件，能对CFRP索（碳纤维增强复合材料）张弦梁结构进行数值模拟[4]，对比CFRP索和钢索张弦梁结构的受力特点，可分析CFRP索张弦梁结构的受力机理;对不同跨度、撑杆长度和初始预应力等影响因素进行参数化分析[5]，研究该结构的静力学性能。

三、弦支穹顶结构静力分析

在大型通用软件ANSYS中分别建立以普通钢索为预应力拉索的弦支穹顶结构和以新型材料CFRP索为预应力拉索的弦支穹顶结构。采用等轴向刚度（EA相同）和等强度（轴向抗拉承载力相同）替代的方法，通过环索对结构施加相同的初始预应力，环索由内到外的预应力分别为3000kN、1300kN、700kN、300kN。用软件分析得到普通鋼索与新型材料CFRP索的截面面积，对两者的截面面积进行比较及分析。

四、结论

从表3中的数据可知，用等轴向刚度和等强度的方法对普通钢索和新型材料CFRP索进行替换后，模型在竖向荷载作用下的最大竖向位移、最大水平推力、基本自振周期、环索及径索的拉应力比等试验结果都与原钢索方案的试验结果相接近，由此可得，在相同的条件下，用CFRP索（碳纤维增强复合材料）代替普通钢索的方式是可行的，通过试验，两者可以得到相近的实验结果。

从表2的材料特性参数可知，CFRP索的密度仅为普通钢索的1/5，而抗拉强度却在2300MPa左右，在提高钢索抗拉强度的同时，大大降低了材料的自重。这一数据表明，在相同的条件下，用等刚度和等强度的方法将张弦梁模型中的普通钢索替换成CFRP索，不仅可以完成与原结构相似的试验要求，而且可以承受更大的应力。CFRP的价格也较为合理，可以较大幅度减小用钢材料，减小工程造价。

参考文献：

[1]郭佳民，董石麟，袁行飞. 弦支穹顶结构的模型设计与试验研究[ J]. 工程力学，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]陈志华 . 弦支穹顶结构体系及其结构特性分析 [J]. 建筑结构学报 ， 2004，34（5）：38-41。

[4]赵志平 ， 常建立 ， 杨晓光 . 利用 ANSYS 对碳纤维布加固 RC 梁的非线性有限元分析 [J]. 四川建筑科学研究 ， 2006：79-83。

[5]谢甫哲，雷丽恒，刘荣桂.CFRP索弦支穹顶结构的受力性能研究[J].四川建筑科学研究，2019，45（01）：28-33。