【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

2、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，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

3、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）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

4、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0.2 x 10-6常见的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

5、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。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FR

6、P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。对于交角为的两根板条，它们在交点处的接触面积为 （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。

7、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。外环一般可以用混凝土制成，主要受压力；内环可以用钢结构，主要受拉；锚具是实现结构整体张拉的关键部件。目前针对加固混凝土结构已经有很多能预应力CFRP板条的锚固方法和措施6-8，可为编织网FRP板条的端部锚固提供参考。图2为本文建议的一种锚具的模型图。它由不锈钢板板制成，从而与CFRP具有同样的耐腐蚀能力。通过螺栓夹紧CFRP板，并进行粘接。CFRP板与钢板

8、之间加人短纤维的毡层，从而提高界面枯结性能。3 FRP编织网结构的原理 FRP编织网结构的核心概念是使用高强轻质的FRP板条，通过上下交错编织形成整体，再通过合适的预应力张拉方式使FRP编织网张紧形成足够刚度，使其能够承受荷载。因此，合理的板条编织方式以及合适的张拉力施加方法是FRP编织网结构的关键。 FRP网编织形成平面，通过内环自重和悬挂配重或用网面外预应力拉索给网面一个垂直向外的力，使网面张紧具有刚度。由于网面原来处于基本水平状态，根据力的分解（如图3所示），较小的垂直力P就能使网面内具有较大的张紧力T,从而使整个FRP编织网张紧。网面张紧力大小可由内环配重及网面外预应力索张拉控制。此外

9、，锚固前各FRP板条的需进行预张拉。目的是通过各板条的预张紧使网面的初始状态平整，且在施加面外张拉前就具有一定的几何刚度，间接控制最终的最大变形；还能调整编织网内各板条最终的张拉力的大小，使它们受力均衡。4 受力分析 FRP编织网结构有三个基本受力状态：预张完成状态、体系张拉成形状态和承受荷载状态。预张完成状态是在编织锚固前对各板条进行面内的预张拉，使编织网平整，同时也保证最终张拉成形时各板条受力均匀，并减少总的面外变形。体系张拉成型状态是指通过施加面外力使FRP编织网张紧，使编织网具有足够的刚度。此时的张拉力和板条的应力水平是整个编织网设计中的关键问题。张拉成型后，FRP编织网结构还要承受屋

10、面自重荷载、雪荷载等静荷载以及风荷载、地震荷载等动力荷载。在各种荷载组合下，应保证结构中FRP板条的应力和结构的变形均在允许范围内。 如果忽略板条间的相互作用，编织网中的每条FRP板条主要受拉力作用。在简单编织网中一对成180度的板条可简化为端部分别固定在外环梁和内环梁的两个板条，如图4所示。外环梁可认为是一固定点，而内环梁则可视为一个刚体。设板条截面积为A，弹性模量为E，内外环梁半径差为L,FRP板条的自重和弯曲刚度较小，可忽略。在图4(a)的状态下，板条端部作用一水平初始预张力H。 则有 （2）其中板条应变为。，板条初始长度为Lo。 图4（b）所示的第二状态，内环梁上作用两垂直荷载V,使内

11、环梁下移、板条受拉。板条张力为T1，T1的水平分量为H1，内环梁的位移为。根据平衡条件，有： （3）此时板条应变为1，则：（4）由几何条件有： （5）综合以上方程，可解出T1，1，1。 图4(c)所示的状态下，板条需承受关于内环梁中心对称的荷载q(X)固定端的反力可以分解为水平向的H2和竖直向的R，则竖直反力： （6）坐标X处的点相对于固定端的变形定义为Z(X)，内环梁的总位移为2。结构的变形满足索方程：（7）若q(X)为均布荷载，可得变形曲线为： （8）则有： （9）由变形协调，这个状态相对上个状态板条的总长度改变为： （10）但由应变得出伸长量为 （11）联立方程可解出H2和2。此时FRP

12、板条中的最大应力为 （12） 通常FRP板条的自重相对于结构上的荷载较小，而一般结构上的均布荷载传递到板条上就不再是均布力了，例如圆形平面的结构其板条上荷载近似为梯形分布，可表示为 （13）q1最外端的荷载值，q2为最内端的荷载值，这时式(8)变为 （14）垂直反力为 （15）这样联立方程，同样可求得各阶段的变形和内力。5 算例分析 如图1所示的单层编织网结构，如跨度L80m，采用表1中产品2板条。根据上面的公式进行计算。在初张拉阶段，板条按控制应力为500MPa施加预应力，这时。=0.0024，Lo79.81m; Ho84kN;在张拉成型阶段，施加一个面外力V30kN,内环梁向下平动，计算可

13、得17.14m,10.0064，H1225.3kN,板条中应力为1344MPa;最后，在板条上施加均布荷载q0.5kN/m，计算可得210.27m, H2389.5kN,板条中最大应力为2352MPa。 可以看出，单层编织网结构的张拉成型以及受荷时发生的变形较大，分析可知，改变初始预张拉Ho，竖直张力V可以达到控制结构最最终变形的目的。如采用双层FRP编织网结构及折顶FRP编织网结构，结构的刚度要比单层结构的刚度要大，可以减少变形量。6 结语 FRP编织网结构是一种适合FRP材料的结构形式，它能充分发挥出FRP材料的优势同时避免其劣势。FRP材料轻质高强，但FRP板条只有纵向受拉的强度高，而抗

14、剪、抗压以及横向的抗拉强度均较低，因此只有使FRP板条尽可能单向受拉才能充分发挥优势。在编织网中，各板条主要受到就是单向的拉力，FRP板条特点得到了充分的发挥。 FRP编织网结构具有很强的可设计性。首先，板条的力学性能可以进行设计，可以采用不同种类的纤维和铺层方式，对板条的强度、模量及延伸率在一定范围内的调整；其次，FRP板条在布置方式上有很大的设计空间，可以根据实际建筑物的形状和受力特点，在受力较大的部位可以多布置板条，受力小的部位可以少布置板条；另外，FRP编织网交点处的处理可以根据设计要求选择不同的方案，达到预期的效果。 从材料角度上看，FRP材料，尤其是CFRP，具有耐腐蚀的优点。目前许多大跨度斜拉桥的桥索腐蚀问题严重，很多学者都在研究用CFRP索替换钢索1。对于大跨度建筑结构同样存在钢材腐蚀的问题。在FRP编织网结构中，FRP板条可以很好的抵御化学侵蚀，从而减少维护费用。另外，CFRP材料在受力方向上的线膨胀系数小，不会在超大跨结构中因为温度变化产生较大的变形差，也不会因为温差而造成较大内应力。 本文提出的FRP编织网结构的