高性能碳纖維-索穹頂結(jié)構(gòu)體系研究結(jié)題摘要

索穹頂結(jié)構(gòu)是由拉索和壓桿組成的張拉整體、剛?cè)峤M合的大跨空間結(jié)構(gòu)。碳纖維復(fù)合材料（CFRP）具有輕質(zhì)、高強(qiáng)、耐腐蝕、可設(shè)計(jì)性能良好等優(yōu)點(diǎn)。將CFRP材料應(yīng)用于索穹頂結(jié)構(gòu)中的關(guān)鍵構(gòu)件（索和壓桿），可充分發(fā)揮材料和結(jié)構(gòu)兩者優(yōu)勢，形成更加節(jié)能環(huán)保、高強(qiáng)耐久的新結(jié)構(gòu)。本課題針對新型碳纖維索穹頂結(jié)構(gòu)展開系統(tǒng)研究，具體如下： （1）提出考慮結(jié)構(gòu)自重、預(yù)期荷載等的預(yù)應(yīng)力分布求解方法，基于所提組矩陣?yán)碚撨M(jìn)行了結(jié)構(gòu)找力分析，基于動(dòng)力松弛法進(jìn)行了索穹頂結(jié)構(gòu)找形分析。 （2）基于CFRP索桿特點(diǎn)和節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)要求，提出了四種新型節(jié)點(diǎn)，進(jìn)行了新型節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)研究。 （3）通過對粘結(jié)式錨具進(jìn)行拉伸和低周疲勞試驗(yàn)，得出各類長度錨具的錨固性能和影響因素；綜合夾片式和粘結(jié)式CFRP索錨具特點(diǎn)，提出和設(shè)計(jì)了一種新型的內(nèi)嵌鋼珠式CFRP索錨具，通過試驗(yàn)驗(yàn)證了其優(yōu)越的可靠性能。 （4）通過對CFRP壓桿不同彈性約束下的受力性能進(jìn)行理論推導(dǎo)、數(shù)值分析和實(shí)驗(yàn)研究，確定新型壓桿各類失效模式和影響參數(shù)；提出了彈性約束CFRP桿（管）受壓承載力理論公式和臨界長細(xì)比。 （5）通過構(gòu)型研究，提出各組成單元拓?fù)潢P(guān)系、CFRP索穹頂結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)和錨具設(shè)計(jì)方法、施工和張拉成形方案等。通過兩次靜力試驗(yàn)和數(shù)值分析等掌握了新結(jié)構(gòu)的靜力性能和失效模式。 （6）分析了初始預(yù)應(yīng)力、矢跨比、構(gòu)件截面面積以及荷載作用形式對結(jié)構(gòu)性能的影響； （7）自行設(shè)計(jì)了振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)?zāi)Ｐ汀?yōu)化其施工及張拉成形方案和配重方案、索穹頂?shù)淖哉裉匦院徒Y(jié)構(gòu)響應(yīng)測量方案，完成了CFRP索穹頂結(jié)構(gòu)的地震模擬振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，含8種類型地震波共39個(gè)工況。試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬符合較好，表明兩者均合理可靠。 （8）研究對比了普通波和強(qiáng)震波、普通波和近場波、普通波和長持時(shí)波、近場波和長持時(shí)波多種情況下CFRP索穹頂結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)，并通過CFRP索穹頂結(jié)構(gòu)抗震性能評價(jià)證明其擁有很好的抗震性能，提出了抗震設(shè)計(jì)建議，新結(jié)構(gòu)可推廣應(yīng)用于強(qiáng)震區(qū)。 （9）探討了新結(jié)構(gòu)抗風(fēng)性能并提出了設(shè)計(jì)建議。 （10）提出一種將形態(tài)分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)相結(jié)合的優(yōu)化設(shè)計(jì)新思想，考慮預(yù)期荷載對結(jié)構(gòu)幾何形態(tài)的影響，能夠保證優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果滿足結(jié)構(gòu)優(yōu)化和形態(tài)的雙重要求； （11）結(jié)合本課題研究成果和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，提出索穹頂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)流程和建議，包括形態(tài)和荷載分析、優(yōu)化設(shè)計(jì)、抗震抗風(fēng)、節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)、錨具設(shè)計(jì)、構(gòu)件設(shè)計(jì)和施工等。 2100433B

綠色節(jié)能和高效耐久是土木工程發(fā)展方向。本項(xiàng)目提出一種高性能碳纖維索穹頂空間結(jié)構(gòu)。該體系能充分發(fā)揮碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（CFRP）輕質(zhì)高強(qiáng)特性，克服普通大跨空間結(jié)構(gòu)材料用量大和耐久性差的缺點(diǎn)，契合可持續(xù)發(fā)展基本國策。擬通過理論分析、數(shù)值仿真和實(shí)驗(yàn)及測試相結(jié)合的技術(shù)路線，對這一新材料索穹頂結(jié)構(gòu)體系的受力行為和設(shè)計(jì)理論展開研究。通過確定CFRP 脊索、環(huán)索及壓桿的構(gòu)型和拓?fù)潢P(guān)系，優(yōu)化各單元構(gòu)造尺寸，探索CFRP 筋材張拉錨固體系，研究碳纖維索穹頂體系的構(gòu)建關(guān)鍵技術(shù)；對彈性約束CFRP 壓桿的失效模式進(jìn)行研究，建立針對期望破壞模式的承載力公式；研制匹配CFRP筋和壓桿受力特性的新型連接節(jié)點(diǎn)，探究其構(gòu)造和設(shè)計(jì)理論；通過整體模型實(shí)驗(yàn)，研究比較新結(jié)構(gòu)的靜動(dòng)力行為，評價(jià)其總體性能，驗(yàn)證前述研究成果；提出碳纖維索穹頂結(jié)構(gòu)滿足形態(tài)要求的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)理論。該項(xiàng)目是針對新材料結(jié)構(gòu)體系的應(yīng)用基礎(chǔ)研究。

中心現(xiàn)有研發(fā)人員26人，其中研究員和高工以上的高級技術(shù)人員15人。具有博士和碩士學(xué)位的17人，本科5人，其中，專門從事炭纖維研制和工程化3 人，化學(xué)纖維專業(yè)的有3人。

中心的主要發(fā)展方向：通過高性能炭纖維研發(fā)、中試工程化、炭纖維結(jié)構(gòu)與性能表征、炭纖維應(yīng)用研究平臺(tái)，搭建滾動(dòng)式發(fā)展的高性能炭纖維中試工程化項(xiàng)目（HTCF-1、T700、M40、T800、M40J等），實(shí)現(xiàn)軍工戰(zhàn)略材料的國產(chǎn)化，為炭纖維產(chǎn)業(yè)化和規(guī)模效益發(fā)展打好基礎(chǔ)。

中心的主要任務(wù)：

（1）進(jìn)行HTCF-1炭纖維關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)、中試工程化；

（2）高性能PAN基炭纖維結(jié)構(gòu)與性能表征；

（3）炭纖維復(fù)合材料成型新工藝及應(yīng)用研究；

（4）更高性能（T700、M40、T800等）PAN基炭纖維技術(shù)研發(fā)；

（5）高性能PAN基炭纖維結(jié)構(gòu)與性能表征開放性實(shí)驗(yàn)室；

（6）高性能炭纖維工程技術(shù)和管理高層人才培養(yǎng)。2100433B