CFRP网架结构静力与抗震性能研究

论文摘要

随着我国社会的发展,经济实力的增强以及人口的城市化,对大跨度空间结构的需求越来越多,要求也在不断提高。众所周知,特定建筑材料建造一定结构形式的建筑物,其跨度存在着一个极限。目前的大跨度建筑多采用钢材,在已建成的建筑中最大跨度可达到200多米,要突破这一跨度极限,使用高强、轻质的新型材料,并合理选择结构形式是一种可行的途径。纤维增强复合材料（Fiber Reinforced Plastic,简称FRP）具有比强度高、比模量大、性能易于设计、易加工成型、抗腐蚀、耐疲劳等多种优越性能。这种材料既是一种材料又是一种结构。FRP作为结构材料比传统材料自重轻20%50%,并且除可以作为承力构件,还具有自感知等功能。因此,FRP的应用日益广泛,从航空航天、国防到民用经济的各个领域,并已经进入土木建筑领域。本文以空间结构中最常用的网架结构为研究对象,以碳纤维复合材料（Carbon Fiber Reinforced Plastic,简称CFRP）为构建网架的基本材料,以圆管为构建网架的基本单元,深入系统地研究CFRP网架的静动力特性、动力特性与抗震能力,并与相同跨度、相同网格布置方式和相同构件截面尺寸的钢网架进行对比。本文主要研究内容如下:首先,设计并制造两组共6个CFRP圆管,进行单向拉压性能试验。研究其抗拉强度和直至破坏的拉伸应力-应变曲线,分析其破坏特征;研究其抗压强度和直至破坏的受压应力-应变曲线,分析试件受压破坏特征。利用CFRP圆管单向拉压本构模型数值计算上述试验试件的拉伸和受压应力-应变曲线,并与试验结果进行比较。第二,提出CFRP网架结构的设计方法,包括杆件强度设计原则、杆件的屈曲分析和CFRP网架结构的设计总原则。根据上述设计方法分别设计3种形式的平板网架,并采用通用有限元分析软件ABAQUS分析3种网架在自重和屋面荷载共同作用下的内力分布规律,及网架支撑数量发生变化时其内力分布的变化规律。第三,采用ABAQUS计算分析跨度、网格布置方式及杆件截面尺寸均相同的CFRP网架和钢网架分别在常遇和罕遇地震作用下的动力响应,比较二者内力分布规律和频率特性,进而比较分析二者的跨越能力,验证CFRP网架可以实现更大跨度的跨越。第四,基于静力弹塑性分析方法,分析CFRP网架在水平、竖向及三向荷载作用下的失效模式,建立基于位移的CFRP网架失效判断准则,给出CFRP网架失效模式控制设计建议。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景、来源与意义
• 1.1.1 大跨度空间结构的新发展
• 1.1.2 大跨度空间结构中使用碳纤维复合材料（CFRP）的优越性
• 1.2 碳纤维复合材料（CFRP）的研究及发展
• 1.2.1 碳纤维及其发展
• 1.2.2 基体材料
• 1.2.3 碳纤维复合材料的发展
• 1.3 FRP 型材的制备工艺及产品形式
• 1.4 纤维增强复合材料物理力学特性的研究
• 1.5 大跨度结构工程中FRP 应用研究现状及其进展
• 1.5.1 FRP 在大跨度桥梁结构中应用的理论研究和工程实践
• 1.5.2 FRP 大跨度空间结构的理论研究和工程实践
• 1.6 本文的主要研究内容
• 第2章 纤维缠绕CFRP 圆管的力学特性试验研究及数值模拟分析
• 2.1 引言
• 2.2 拉压受力状态下纤维缠绕CFRP 圆管的应力-应变关系及失效准则
• 2.2.1 应力-应变本构关系
• 2.2.2 失效准则
• 2.2.3 单层的强度比方程
• 2.2.4 层合复合材料结构强度失效准则
• 2.3 不同正交铺层的CFRP 圆管的强度特性分析
• 2.3.1 不同正交铺层CFRP 圆管的极限强度
• 2.3.2 不同正交铺层CFRP 圆管的应力-应变关系
• 2.4 纤维缠绕CFRP 圆管的力学特性试验
• 2.4.1 CFRP 圆管的铺层和试件尺寸
• 2.4.2 CFRP 圆管的拉伸和受压试验的加载设备及采集系统
• 2.5 试验结果及分析
• 2.5.1 CFRP 圆管的受压试验
• 2.5.2 CFRP 圆管的拉伸试验
• 2.5.3 应变分析
• 2.6 数值模拟分析
• 2.6.1 破坏模式及准则
• 2.6.2 有限元分析模型
• 2.6.3 分析结果
• 2.7 本章小结
• 第3章 CFRP 网架静力特性分析
• 3.1 引言
• 3.2 CFRP 平板网架结构的计算模型及支承方式
• 3.3 CFRP 网架节点
• 3.3.1 螺栓球节点
• 3.3.2 焊接钢板节点
• 3.3.3 手糊式节点
• 3.3.4 FRP 节点板连接节点
• 3.3.5 胶接技术
• 3.4 杆件的选择
• 3.4.1 CFRP 网架杆件的强度
• 3.4.2 CFRP 圆管的稳定性分析
• 3.4.3 CFRP 圆管与钢管的等代设计原则
• 3.5 CFRP 网架结构的静力特性分析
• 3.5.1 材料属性的定义及单元的选择
• 3.5.2 应力分布
• 3.5.3 网架的内力和变形分析
• 3.6 本章小结
• 第4章 基于抗震能力的CFRP 网架跨越能力分析
• 4.1 引言
• 4.2 数值分析方法简介
• 4.3 常遇地震作用下CFRP 网架的地震响应与抗震性能分析
• 4.3.1 参数分析方案
• 4.3.2 频率和振型对比
• 4.3.3 常遇地震下结构的响应分析
• 4.3.4 地震内力系数变化规律分析
• 4.3.5 大震下结构地震响应分析
• 4.4 CFRP 网架与钢网架跨越能力的对比分析
• 4.5 本章小结
• 第5章 基于静力弹塑性分析的CFRP 网架失效模式及其控制方法
• 5.1 引言
• 5.2 CFRP 网架竖向多模态pushover 分析方法
• 5.2.1 考虑高阶模态影响的加载模式
• 5.2.2 考虑高阶模态影响的目标位移
• 5.2.3 上限pushover 分析方法的实施步骤
• 5.3 竖向反应谱的建立方法
• 5.4 CFRP 网架基于pushover 分析的失效模式研究
• 5.4.1 结构模型及其参数
• 5.4.2 频率和振型
• 5.4.3 失效准则
• 5.4.4 水平荷载下的失效模式
• 5.4.5 竖向荷载下的失效模式
• 5.4.6 三向荷载下的失效模式
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢
• 个人简历