张拉型索屋盖中CFRP拉索及其连接节点的力学性能研究

摘要

索结构是当今世界上拥有最大跨度的结构形式，其广泛应用于建筑和桥梁结构，已成为代表一个国家建筑科技发展水平的重要标志之一。虽然索结构发展迅速且应用成熟，其在发展过程中依然存在几个难以克服的问题，如极限跨度、钢索腐蚀和钢索预应力损失等。造成这些问题的一个主要原因是钢材自身的材料性能问题，因而解决这些问题的一个重点研究方向就聚焦在使用高性能复合材料替代钢材制作拉索构件。碳纤维增强复合材料（Carbon Fiber Reinforced Polymer，简称CFRP）因具有轻质高强、优越的耐腐蚀、耐疲劳和蠕变性能、较低的线膨胀系数等材料特性被工程师认为是替代钢材制作拉索构件最为理想的新型建筑材料。CFRP拉索在索结构中的应用最先在索桥结构中展开，并实现了一些工程应用。不过另外一种广泛应用的索结构，即索屋盖结构，应用CFRP拉索的研究工作却相对滞后，特别是张拉型索屋盖结构，可以说仅仅是处于研究的起步阶段，尚需进行大量的基础性研究工作。基于CFRP索-张拉型索屋盖结构的研究现状可知，CFRP索与张拉型索屋盖结构中其它结构构件的有效连接是首先要解决的问题。该问题的解决是进行CFRP索-张拉型索屋盖结构整体性能研究的前提和基础，对CFRP索-张拉型索屋盖结构的发展具有重要意义。
　　本文以 CFRP索及其在张拉型索屋盖结构中应用所需的连接节点为研究对象，展开张拉型索屋盖结构中CFRP索及其连接节点的力学性能研究。对于横向增强型CFRP索，研究其抗压、抗剪和弯曲等横向力学性能，基于横向力学破坏机理阐明了CFRP筋材横向力学强度随其直径变化的原因；研究CFRP索的纵向力学性能，分别对CFRP筋材和板材进行纵向拉伸和压缩试验，分析和讨论了几何尺寸、几何形状和边界条件等因素对CFRP索纵向力学性能的影响；针对CFRP索在应用时受到的两种主要荷载形式，纵向拉力和横向压力，确定两种荷载形式对CFRP筋造成的损伤类型，通过试验得到带损伤的CFRP索断裂性能的评价指标，对比断裂韧性和断裂能两种评价指标对单向碳纤维复合材料的适用性，基于DIC（Digital Image Correlation，数字图像相关）结果分析CFRP索的断裂破坏模式和裂纹扩展机理；对于CFRP索在张拉型索屋盖结构中的锚固问题，设计和开发了大角度楔形夹片型锚具，通过锚固试验确定了锚具锚固失效的不同模式，分析大角度夹片的应用价值和锚具各个部件对锚固性能的影响，结合锚具各部件之间接触性能的数值模拟结果提出了改进大角度楔形夹片型锚具的措施；针对CFRP索在张拉型索屋盖结构中与撑杆的连接问题，通过双剪切试验研究了索夹板边缘倒角措施对CFRP筋材剪切性能的影响，提出了索撑节点对CFRP索有效的横向保护措施。主要的研究结论有：
　　（1）CFRP索的横向力学性能试验表明横向增强型CFRP筋比商用CFRP筋具有更高的横向力学强度，到达了横向增强的目的。CFRP筋材的横向抗压强度远大于CFRP板材，不过CFRP筋材的所有横向力学强度都随其直径的增大而降低。通过力学破坏机理分析认为初始承载面积与横截面面积之比随直径的增大而降低是造成CFRP筋材横向力学性能降低的根本原因。在实际工程应用中需要注意CFRP筋横向力学强度随其直径增大而降低这一现象。
　　（2）CFRP索的纵向力学性能试验结果显示 CFRP筋材的纵向抗拉性能优于厚度大于2mm的CFRP板材，因而CFRP筋材、CFRP编织布和厚度较小的CFRP薄板是CFRP索优先选择的形式。CFRP板材由于较差的横向抗压强度不适合使用楔形夹片式锚具。通过对比圆形和矩形两种几何形状对于CFRP拉索锚固性能的影响可知CFRP筋材和板材作为拉索构件都有各自的优点，CFRP筋材具有更好的横向抗压强度，而只要宽厚比大于圆周率时，CFRP板材在横截面面积相等时具有更大的横截面几何轮廓受力长度。基于纵向压缩试验结果和压缩破坏机理分析可知，几何形状对CFRP拉挤型材的纵向抗压性能没有影响，端部约束对于纵向抗压性能具有较大的影响。对CFRP拉挤型材进行端部保护、端部辅助传力和避免端部过大的约束有利于其在工程应用中更好地发挥纵向抗压性能。
　　（3）通过断裂性能试验得到了带有纵向或横向损伤的CFRP索的断裂破坏模式和临界能量释放率。DIC结果显示使用断裂能的概念评价CFRP索的断裂性能更加符合其断裂破坏模式，并提出了基于DIC技术计算临界断裂能的方法。通过对带有损伤的 CFRP索断裂破坏机理分析可知，纤维/基体复合体系的破坏是单向碳纤维复合材料发生损伤扩展的根源。无论单向碳纤维复合材料出现何种损伤，这些损伤在纵向拉力作用下都会发展为纵向裂纹，最终导致材料发生纵向劈裂破坏。由引发损伤扩展的拉伸荷载值可知，实际结构中CFRP拉索所持有的预应力足以引起材料损伤的扩展并导致劈裂破坏发生。
　　（4）在大角度楔形夹片型锚具的开发和研究中。锚固试验结果显示该新型锚具可有效地锚固5mm直径的CFRP筋，对7mm和9mm直径的CFRP筋材没有达到理想的锚固效果。试验结果证明大角度楔形夹片具有一定的应用价值，为CFRP筋夹持式锚具提供了小型化的设计思路。通过对锚固试验的分析阐明了大角度楔形夹片型锚具的锚固失效机理和导致不同失效模式的原因，提出了锚具各部件尺寸参数的优化值。通过数值模拟的方法分析了夹片与外壳之间接触面粗糙度以及夹片倾斜角度对锚具各部件之间接触行为的影响。综合试验和数值模拟结果提出了大角度楔形夹片型锚具的改进措和进一步的研究方向。
　　（5）双剪切试验结果显示倒角措施可完全改变CFRP筋的剪切破坏模式，避免出现筋材沿横截面完全断裂的情况，可提高CFRP索应用的安全性。因此，对索撑节点中的索夹板边缘进行倒角是一种有效的保护CFRP拉索横向受力的设计方法。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 选题背景及研究意义

1.2 吊挂型和张拉型索屋盖结构的介绍

1.3 张拉型索屋盖结构的发展和应用

1.4 CFRP索的种类及性能研究现状

1.5 CFRP索锚具的研究现状

1.6 CFRP索应用于张拉型索屋盖结构的研究现状

1.7 CFRP索应用于张拉型索屋盖结构中亟待优先解决的问题

1.8 本文的研究思路和研究内容

第2章 CFRP索横向力学性能研究

2.1 引言

2.2 CFRP索的材料和制作

2.3 横向力学性能试验的试件和方法

2.4 横向力学性能试验的结果和统计分析

2.5 横向力学破坏机理的分析和讨论

2.6 本章小结

第3章 CFRP索纵向力学性能研究

3.1 引言

3.2 CFRP索纵向拉伸性能研究

3.3 CFRP拉挤型材纵向压缩性能研究

3.4 本章小结

第4章 带损伤的CFRP索断裂性能研究

4.1 引言

4.2 单向碳纤维复合材料断裂性能的研究方法

4.3 材料性能参数和试件制作

4.4 三点弯曲试验

4.5 直接拉伸试验

4.6 带纵向损伤的CFRP索断裂破坏机理分析

4.7 横向压缩断裂能试验

4.8 CFRP筋的断裂性能试验

4.9 带横向损伤的CFRP索断裂破坏机理分析

4.10 本章小结

第5章 CFRP筋-大角度楔形夹片型锚具的锚固性能研究

5.1 引言

5.2 锚具的设计和制作

5.3 锚固试验

5.4 锚固失效机理分析

5.5 锚具各部件之间接触行为的数值模拟分析

5.6 本章小结

第6章 索夹板倒角措施对CFRP筋剪切性能的影响

6.1 引言

6.2 剪切试验方法和装置制作

6.3 试验结果和剪切破坏模式

6.4 倒角措施对CFRP筋材剪切性能的影响

6.5 本章小结

第7章 结论与展望

7.1 结论

7.2 展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢