frp编织网结构受力模型分析

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1、FRP编织网结构受力模型分析1 引言   FRP具有高强、轻质、耐腐蚀的优点，是建造大跨度结构的理想材料。从上个世纪70年代开始，就有研究人员开始尝试用FRP建造大跨度的桥梁，并进行了一些工程尝试[1]。林同炎公司的直布罗陀海峡大桥设计方案中就有采用CFRP的构想[2]，日本也有学者设想用FRP，建造跨度达5000m的悬索桥梁[3]。在建筑结构中，也有采用FRP建成的网架[4]、折板[5]和壳体[1]等空间结构的工程实例，跨度达到几十米，例如上海东方明珠电视塔的首层大堂的60m跨FRP双曲屋盖。但FRP与钢材、混凝土等材料的受力性能不同，通常为各向异性，顺纤

2、维方向的强度和弹性模量远远高于横纤维方向，并且受拉优于受压，因此这些建筑结构形式并不适合于FRP材料的特点，不能使FRP材料得到充分的利用。   FRP编织网结构则是针对FRP材料特点提出的一种大跨度屋面结构体系：用高强度FRP板条按照一定规律在平面内相互交叉布置，同时在交点处上下交错形成编织网；编织网的边缘锚固在内外环梁上，通过对板条施加初始预应力，形成一个预张紧的编织网平面；再利用内环自重或预应力等方法整体张拉编织网，使板条达到预定的拉力后固定，网面因张紧而具有刚度，从而可以承受各种使用荷载。图l为一个简单FRP编织网结构缩比实体模型和实际结构的计算模型

3、，实际的结构中板条排布比实体模型中的要密。   编织网结构与现有的悬索结构、索网结构和张拉膜结构在受力原理上类似，都是通过张拉使柔性构件（索、膜和板条）具有几何刚度，从而可承受荷载。但由于编织网结构采用了新型结构材料（FRP板条）和新型的构建方法（编织），因此具其独特的构造特征。FRP编织网结构具有以下优势：（1)FRP编织网自重小，理论上可实现比现有各种结构形式更大的跨度；(2)CFRP板条的重量轻、施工简单，对温度不敏感；(3)张拉结构能充分利用FRP材料的抗拉能力，使其高强轻质的优点得到发挥，降低了其各向异性、层间强度低、剪切强度低等不足的影响；（4）

4、CFRP板条的耐久性好，维护方便；（5)FRP板条的编织排布具有规律性，视觉上有很强的几何效果，可以获得独特的建筑外观效果。2  FRP编织网结构的组成2.1 FRP板条   最简单的FRP编织网结构如图1所示，由单层的FRP编织网、内外锚固环和面外张拉装置3个部分组成。其中FRP板条是编织网结构的主要构件，一般采用CFRP，也可采用碳纤维与其它高性能纤维混杂的FRP板条。CFRP板条是由碳纤维与树脂基体经过拉挤或层压工艺生产，纤维体积含量在60%以上，纵向弹性模量一般在160MPa以上，纵向抗拉强度在2400MPa以上，纵向线膨胀系数约为0.2x10-6常

5、见的FRP板条产品的厚度为1-2mm,可以按一定的半径弯曲，这种板条在结构加固中已经得到了较多的应用[1]。FRP板条的断面形状、尺寸甚至力学性能都可以根据工程的需要进行设计，并可在树脂掺人色浆形成永久的色彩，获得一定的建筑效果。采用拉挤工艺连续生产FRP板条，可得到任意长度，避免了接长。   表1为国内外2个厂商分别提供的两种CFRP板条产品的性能参数。根据表中数据计算可得：单根CFRP板条的平均抗拉能力可以达400kN以上，300m长的单根CFRP板条的重量还不到80kg；具有同样的抗拉能力的300m长的高强度钢索（强度1860）的重量则为5OOkg以上

6、。用有限元软件进行非线性分析，如果分别将它们两端固定后自由下垂，仅在自重作用下钢索的最大变形就达到5.3m，端部锚固力为35.5kN；而CFRP板条的最大变形为3.0m,端部锚固力仅为9.7kN。2.2 编织网   将FRP板条按照一定的规律在平面内相互交叉布置，同时在交点处上下交错就形成了编织网。实际的FRP编织网，不仅可以按照90°交角两两相交，还可以按照一定的规律以任意角度交错编织，而且在一点上可以多条FRP板条相交，例如：3根互成60°的相交，4根互成45°的相交。对于交角为θ的两根板条，它们在交点处的接触面积为                   

7、       （1）其中Ws为板条的宽度。   在交点上，FRP板条之间可以通过卡具或粘接完全固接；也可以不固定而利用FRP板条张紧相互挤压形成摩擦力，其作用是：在静载下为静摩擦，使FRP网形成整体；在动载下滑动，板条间相互摩擦耗能，增加结构阻尼，减小结构的振动响应。也可以在交点处安装特制的阻尼器，增大整体结构的阻尼。但在交点处，由于FRP板条相互接触，有弯曲和局部剪切，会导致其有效强度略有降低。2.3 端部锚固   编织好的FRP板条两端分别锚固在内外环梁上，并施加一定的初始预应力。FRP板条通过夹具锚固在环梁上，夹具与环梁之间为铰接，使FRP板条仅受轴拉

8、。外环一般可以用混凝土制成，主要受压力；内环可以用钢