CN105804304A - 一种钢-frp组合的空间曲面索拱网格结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种钢‑FRP组合的空间曲面索拱网格结构，其特征在于，包括第一拉索，所述第一拉索为悬链线设置，在第一拉索上等间隔连接有多个圆弧拱，所述圆弧拱开口均向下，所述第一拉索均与相应圆弧拱的最高点相连接，所述第一拉索与相应圆弧拱相连接处的切线方向垂直于相对应的圆弧拱所在平面，在第一拉索左右两侧的圆弧拱上对称、等间隔连接有多个第二拉索，所述第二拉索与多个圆弧拱均连接；所述第一拉索、第二拉索均采用柔性纤维增强复合材料，多个圆弧拱均采用钢铁材质；实现了一种整体比强度高、耐腐蚀性强的钢‑FRP组合的空间曲面索拱网格结构。

Description

一种钢-FRP组合的空间曲面索拱网格结构

技术领域

本发明属于空间结构工程领域，特别是涉及一种钢-FRP组合的空间曲面索拱网格结构，其主要应用在体育馆、展览馆、候机大厅等需要大空间、大跨度屋盖的结构中。

背景技术

大跨度空间结构往往是一个城市乃至国家的重要标志，不仅代表了这个城市和国家的建筑业发展水平，更代表了这个城市和国家的文明发展程度。世界各国对大跨度空间结构技术的发展，特别是对新型大跨度空间结构体系的研究开发和工程应用一直给予高度的重视。随着我国国民经济的高速发展和综合国力的提高，大跨度空间结构的社会需求和工程应用逐年增加，空间结构在各种大型体育场馆、剧院、会议展览中心、机场候机楼、各类工业厂房等建筑中得到了广泛的应用。

目前大跨度空间结构采用的承重材料主要是钢材，少量结构中采用钢筋混凝土、铝合金、木材。按照组成结构体系的单元分类，共有39种结构形式。其中，含有索单元的大跨度张弦结构体系建造的屋盖结构重量最轻，技术水平高超，具体包括索网结构、张弦梁、张弦桁架、索穹顶、弦支穹顶、张拉整体结构等。

纤维增强复合材料( Fiber Reinforced Polymer,简称FRP)是由纤维材料（碳纤维、玻璃纤维等）和基体材料（不饱和聚酯、环氧树脂与酚醛树脂等）按照一定比例混合后经过特别模具挤压、拉拔而形成的高性能型材料。FRP的抗拉强度明显高于钢筋, 与高强钢丝抗拉强度差不多, 一般是钢筋的2倍甚至达10倍。与此同时，FRP的比强度很高，即通常所说的轻质高强，因此采用FRP材料可有效减轻结构自重，其重量一般为钢材的20%。在耐久性和耐腐蚀性方面，FRP材料的性能同样优越。FRP以其优异的力学性能和适应现代工程结构向大跨、高耸、重载、轻质发展的需求，正在被广泛应用于桥梁工程、各类民用建筑、大跨空间结构、地下工程中，是现在各国优先发展的战略性非金属结构材料。

发明内容

本发明目的是为解决目前大跨度空间结构的承重性能、刚度、稳定性互相制约而不能同时满足的问题而提出了一种整体比强度高、耐腐蚀性强的钢-FRP组合的空间曲面索拱网格结构。

本发明为解决上述问题所采取的技术方案是：一种钢-FRP组合的空间曲面索拱网格结构，包括第一拉索，所述第一拉索为悬链线设置，在第一拉索上等间隔连接有多个圆弧拱，所述圆弧拱开口均向下，所述第一拉索均与相应圆弧拱的最高点相连接，所述第一拉索与相应圆弧拱相连接处的切线方向垂直于相对应的圆弧拱所在平面，在第一拉索左右两侧的圆弧拱上对称、等间隔连接有多个第二拉索，所述第二拉索与多个圆弧拱均连接；所述第一拉索、第二拉索均采用柔性纤维增强复合材料，多个圆弧拱均采用钢铁材质。

进一步，包括多个缸套卡箍，所述缸套卡箍通过高强度紧定螺栓固定在与第一拉索、第二拉索位置相对应的圆弧拱底部，所述第一拉索、第二拉索穿过相对应的缸套卡箍而被固定在圆弧拱底部。

进一步，所述第一拉索、第二拉索的横截面均为圆形，多个圆弧拱的横截面均为工字型或圆环形。

进一步，所述相邻圆弧拱之间的间隔大于相邻第二拉索之间的间隔。

在长度方向采用柔性纤维增强复合材料的第一拉索和第二拉索、在垂直长度方向上采用钢铁材质的圆弧拱的原理分析：

在各种结构体系中，最理想的受拉结构形式是拉索，受压结构形式为拱；虽然FRP材料的抗拉强度明显高于钢材，但是其弹性模量偏低，受压性能没有钢材高，同时考虑到拉索在自重作用下，其曲线形式为悬链线，所以拉索采用柔性FRP材料制作且沿着长度方向布置成悬链线的形式；钢铁材质的圆弧拱在自重、外荷载以及拉索的共同作用力下，主要受垂直长度方向上的压力；圆弧拱的截面采用圆弧线的形式可以减小截面的弯矩，其截面也可以为工字型。

将采用柔性FRP材料制作的拉索沿着长度方向布置成悬链线的形式，从而充分发挥FRP材料的抗拉能力的特点，保证了本网格结构有足够的强度，与原来钢材网格结构相比大大减小了自重；采用钢铁材质的圆弧拱主要承受垂直长度方向上的压力，沿短向布置，用于保证本网格结构有足够的刚度和稳定性。钢、FRP两种材料通过组合充分发挥各自的优势，提升了本网格结构的整体受力性能和耐腐蚀性，延长了使用寿命。

附图说明

图1为本发明的立体结构示意图；

图2为图1中缸套卡箍的放大结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进一步描述。

如图1所示，本发明包括第一拉索2，所述第一拉索2为悬链线设置，在第一拉索2上等间隔连接有多个圆弧拱3，所述圆弧拱3开口均向下，所述第一拉索2均与相应圆弧拱3的最高点相连接，所述第一拉索2与相对应圆弧拱3相连接处的切线（第一拉索2的切线）方向垂直于相对应的圆弧拱3所在平面，在第一拉索2左右两侧的圆弧拱3上对称、等间隔连接有多个第二拉索1，所述第二拉索1与多个圆弧拱3均连接，即第二拉索1也为悬链线设置或者近似悬链线设置，所述圆弧拱3之间的间隔大于第二拉索1之间的间隔；所述第一拉索2、第二拉索1的横截面均为圆形，所述第一拉索2、第二拉索1均采用柔性纤维增强复合材料，多个圆弧拱3均采用钢铁材质。

如图2所示，本实施例中多个圆弧拱3的横截面均为工字型4，在与第一拉索2、第二拉索1位置相对应的圆弧拱3底部通过高强度紧定螺栓5固定有缸套卡箍6，所述第一拉索2、第二拉索1穿过相对应的缸套卡箍6而被固定在圆弧拱3的底部。

如图1所示，为一种钢-FRP组合的空间曲面索拱网格结构的立体结构图，为了进一步研究其性能进行建模模拟实验如下：采用7榀柔性FRP材质拉索（包括第一拉索2、第二拉索1）和9榀钢材圆弧拱3组合而成，其长度方向跨度为90米，垂直于长度方向的跨度为60米，矢高为20米，四边采用固定铰支座。

采用CAD进行建模，然后将模型导入空间结构分析软件MstCAD进行设计，随后导入通用有限元软件ANSYS中进行稳定性分析，其中材质信息如下：

分别对全钢型、全FRP型、钢-FRP组合型的空间曲面索拱网格结构计算分析，分析结果如下：

由结果可知，钢-FRP组合型的竖向刚度是全钢型的1.07倍，是全FRP型的0.63倍。在稳定临界荷载方面，钢-FRP组合型的临界荷载屈曲系数是全钢型的0.82倍，是全FRP型的1.29倍。

综合对比可以看出钢-FRP组合型和全钢型相比，两者的承载能力和稳定性接近，但是全钢型的重量是钢-FRP组合型的1.81倍，通过组合能够有效减轻其自重并充分发挥钢、FRP两种材料的性能。钢-FRP组合型与全FRP型相比，其承载力和稳定性都有大幅度的提升。由此可知，本发明的结构形式是成立的，并且结构布置科学合理，受力性能优良，切实可行，应用前景好。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗指所指的装置或元件必须具有特定的方位、为特定的方位构造和操作，因而不能理解为对本发明保护内容的限制。

如果本文中使用了“第一”、“第二”等词语来限定零部件的话，本领域技术人员应该知晓：“第一”、“第二”的使用仅仅是为了便于描述本发明和简化描述，如没有另外声明，上述词语并没有特殊的含义。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，但这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (4)

1.一种钢-FRP组合的空间曲面索拱网格结构，其特征在于，包括第一拉索，所述第一拉索为悬链线设置，在第一拉索上等间隔连接有多个圆弧拱，所述圆弧拱开口均向下，所述第一拉索均与相应圆弧拱的最高点相连接，所述第一拉索与相应圆弧拱相连接处的切线方向垂直于相对应的圆弧拱所在平面，在第一拉索左右两侧的圆弧拱上对称、等间隔连接有多个第二拉索，所述第二拉索与多个圆弧拱均连接；所述第一拉索、第二拉索均采用柔性纤维增强复合材料，多个圆弧拱均采用钢铁材质。

2.根据权利要求1所述的钢-FRP组合的空间曲面索拱网格结构，其特征在于，包括多个缸套卡箍，所述缸套卡箍通过高强度紧定螺栓固定在与第一拉索、第二拉索位置相对应的圆弧拱底部，所述第一拉索、第二拉索穿过相对应的缸套卡箍而被固定在圆弧拱底部。

3.根据权利要求1或2所述的钢-FRP组合的空间曲面索拱网格结构，其特征在于，所述第一拉索、第二拉索的横截面均为圆形，多个圆弧拱的横截面均为工字型或圆环形。

4.根据权利要求3所述的钢-FRP组合的空间曲面索拱网格结构，其特征在于，所述相邻圆弧拱之间的间隔大于相邻第二拉索之间的间隔。