CFRP平板网架结构极限承载能力研究

CFRP平板网架结构极限承载能力研究 张亮泉等:CFRP平板网架结构极限承载能力研究 CFRP平板网架结构极限承载能力研究 张亮泉’,宋立华, (1.东北林业大学土木 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 学院.哈尔滨150040; 毛晨曦,张秀华 2.大庆油田电力工程 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 院.大庆163314) 【摘要】对由碳纤维复合材料(cn)构成的平板网架结构的极限承载能力进行了分析研究,并与钢网架 进行了对比,为CFRP材料在大跨度空间结构中的应用进行了探索性研究. 【关键词】碳纤维复合材料;平板网架;极限承载能力 【中图分类号】TU311.3【文献标识码】A【文章编号】1001—6864(2oo8)02—0051—02 BEARINGCA队CnY0lFACARBoNF田ERRED1C?EDP】LASnCGR?)STRUCT【7RE ZHANGLiang—quart,SONGLi—hua2,MAOChen—xi,ZHANGXiu—huaJ (1.SchoolofCivilEngineering,NortheastForestryUniversity,Harbin15004 0,China; 2.PowerEngineefingDesignInstituteofDaqingOilfield,Daqing163314,Ch ina) Abstract:Analysisonultimatebearingcapacityofdouble—-layergridsstruct - uremadebycarbonfiberre— ilfforcedplasticWascarriedout.ecorrespondinganalysisresultswerecompa redwiththesteelgridswiththe $allledimension. Keywords:carbonfiberreinforcedplastic;double—layergridsstructure;ultimatecarryingcapacity 0前言 伴随着现代社会的进步和发展,大跨度建筑在社会经济 和文化的交流中正发挥着越来越重要的作用.以现代奥运会 和世界博览会的举办为例,其意义已不仅仅局限于体育和经 济的交流,同时也成为举办国展示本国空间结构技术的舞台. 随着跨度的增加,结构自身的重量和材料本身的强度已 经成为制约其跨越能力关键性因素.因此,需要寻求轻质高 强的材料来替代空间结构中常用的钢材,来满足大跨度空间 结构设计和使用功能的要求.在最近二,三十年先进的复合 材料的研究有了长足的进步.(CarbonFiberReinforcedPlastic, 简称CFRP)是复合材料家族中重要的一员.与传统材料相 比,碳纤维复合材料具有质量轻,刚度好,比强度高,比模量 高,耐高温,抗疲劳性能好,可设计等特有的优越性能,用这 种材料制成的构件或结构,其重量只有传统材料的80%,这 些优越的性能与大跨度空间结构对材料的要求非常吻合,因 此,以复合材料替代钢材应用于大跨度空间结构应该有非常 好的前景’1]. 本文通过对CFRP平板网架与钢网架的对比,研究了 CFRP材料在空间结构中应用的可行性. 1CFRP平板网架结构的计算模型及边界条件 平板网架的类型很多,不同类型的网架其内力分布有所 差别.本次计算采用了文献[4]中的方法,设计了三种工程中 常用的四角锥网架,网架的类型分别为:?正放四角锥网架(T 一 1);?抽空的四角锥网架(T一2);?棋盘型四角锥网架(T一 3).所有网架的净跨度均为45m,高度2m,网架所有杆件的长 均为3m.网架的平面形状为正方形,网格数为15×15. [基金项目]东北林业大学土木J二程学院青年基金;东北林业大学青年基金(2005—012) 当=时 规范 编程规范下载gsp规范下载钢格栅规范下载警徽规范下载建设厅规范下载 值和修正值的对比如图4,当K在 2,5变化时规范值和修正值相差最大,约为5.1%.所以当 柱脚铰接时,二层柱上端梁的约束可以提高底层柱的稳定性 度系数的影响变小. 4结语 本文采用三柱模型用转角位移法计算了柱脚铰接时底 层柱的计算长度系数,与规范的计算方法相比本文考虑了二 层柱对底层柱的支援作用以及半刚性连接的影响,a为半刚 性连接钢框架梁修正系数.通过求得修正后梁柱线刚度比, 通过查表即可得到柱脚铰接时底层柱的计算长度系数.与 规范比偏小. 参考文献 [1]杨文惠,等.半刚接钢框架柱的稳定分析方法[J].钢结构, 2005,(3). [2]陈骥.钢结构稳定一理论与没计[M].北京:科学出版社, 2oo】. [收稿日期]20O7—11—04 [作者简介]邵永松(1964一),男,辽宁抚顺人,教授,博士,从 事钢结构稳定研究_T作. (编辑李卉玉) 52低温建筑技术2OO8年第2期(总第122期) 豳T一1T,2T一3 图1平板网架结构布置 边界条件对网架结构的内力分布也有一定的影响,本文 计算模型的边界条件均采用周边上弦节点简支.本文钢网架 所有杆件为圆管,尺寸为89mm×5mm,CFRP网架杆件也为圆 管,上弦及腹杆尺寸108mm×4ram,下弦尺寸88mm×4mm. 2理想的压杆模型 在网架结构中,杆件主要承受轴向荷载,网架结构的破 坏通常是一些受压杆件的屈曲所造成的,一旦发生屈曲,这 些杆件轴向承载能力将下降荷载.因此,压杆的这一特性是 网架结构极限承载能力分析的关键.网架结构极限承载能 目 ? Z 柩 挺 位移/m 网架T一1 力的全过程分析,要求建立理想的压杆模型.本文中CFRP 网架和钢网架在分析中所采用的理想压杆模型如图2. p //1 {? p /] ? / CFRP钢材 图2理想压扦模型 3CFRP网架与钢网架极限承载力对比分析 根据上述压杆的理想模型,本文采用通用有限元软件 ABAQUS进行CFRP网架和钢网架的极限承载能力的全过程 分析,分析中使用了修正的弧长法.图3给出了三种类型的 CFRP网架和钢网架荷载一位移曲线的对比. 位移,m 网架T一2 图3荷载—位移曲线对比 通过分析发现,对于CFRP网架结构,首先发生失效的 杆件是靠近跨中处的受压腹杆,这些杆件先后达到欧拉临界 力而受压屈曲,使汇集到一个节点的腹杆丧失了刚度,也就 是前面提到的一个子结构发生破坏,结构应力发生重分布, 上部节点传来的荷载,邻近的其他腹杆承担,随着荷载的增 加,这样的子结构破坏不断增加,当网架结构逐渐形式破坏 机构时,达到临界状态.网架形成破坏机构时的荷载P称 之为临界荷载.最后,结构的承载能力逐渐下降,位移继续 增加,丧失剐度而退出工作的腹杆不断增加,当达到图3中 A点时,网架中部受压的上弦杆件也达到了临界应力状态, 开始丧失剐度,退出工作,这时网架变得更”软”了,跨中挠度 急剧增加,形成了更广泛的破坏机构,直到网架丧失承载能 力.由于CFRP材料抗拉能力强,因而下弦杆件在网架整个 分析过程中一直没有达到破坏状态,对网架承载能力的提高 起到了决定性的作用.相比较而言,CFRP网架破坏呈现脆 性破坏的特征.钢网架在整个破坏过程中,腹杆和上弦受压 杆件首先达到欧拉临界应力状态,随着荷载的增加一部分下 弦也受拉屈服,但在整个破坏的过程中,结构表现出很好的 延性,这与CFRP网架有明显的区别. 从图3中还可以看出,三种类型的CFRP网架,正放四角 锥网架较另外两种网架有更高的承载能力,这说明由于正放 抽空的四角锥网架和棋盘型四角锥网架,一部分网格的腹杆 被抽去,在有外荷载作用时更易形成破坏机构,承载能力相 对正放四角锥网架较低,尤其是正放抽空的四角锥网架,其 lg ? 枢 位移,m 网架T一3 整体刚度较小,一旦发生破坏,迅速软化;而棋盘型四角锥网 架,整体刚度好,破坏时位移相对较小. 4结语 在给定的理想压杆模型的情况下,通过对网架进行极限 状态分析可以发现,钢网架表现出很好的延性,而CFRP网 架表现出明显的脆性破坏.但由于CFRP材料的高强度的 特点,表现极高的极限承载能力.CFRP网架在静力荷载作 用下表现出明显的低应力工作状态,这对于脆性破坏的 CFRP网架而言具有较高的安全储备. 参考文献 [1]SwTsai.AsurveyofmacroscopicfailurecriteriaforcompositerIlate. rials[J】.J.Reinforced.Plastic.Composites,1984,(3):40—60. [2]JRVinson.”Ihebchavlourofshellsc0p.dofisotmpicandc(?一 irematerials[M].KluweTAcademic,Drodrecht,1993. [3]DYadav,NVenna.Bucklingofcompositecircularcylindricalshells withrandommaterialproperties[J].Ctm’tix~iteStructures,1997,37(3/ 4):385—391. [4]ZSMakaw~i.Analysis,designandconstructionofdouble—layer ds[M].London:AppliedSciencePublishersLTD,1981. [收稿日期]2007—11—3o [作者简介]张亮泉(1974一),男,山东省单县人,讲师,博士研 究生,从事工业与民用建筑的教学,及纤维复合 材料的特性和工程应用方面的科研1二作. (编辑李卉玉)