CFRP索穹頂結(jié)構(gòu)靜動力性能的試驗與探索：材料、模型與性能研究一、引言1.1研究背景與意義隨著現(xiàn)代建筑技術(shù)的不斷發(fā)展，大跨度空間結(jié)構(gòu)在體育場館、會展中心、交通樞紐等大型公共建筑中得到了廣泛應(yīng)用。索穹頂結(jié)構(gòu)作為一種高效的大跨度空間結(jié)構(gòu)形式，以其獨(dú)特的受力性能、新穎的造型和較低的自重，成為國內(nèi)外空間結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。索穹頂結(jié)構(gòu)最早由美國工程師Geiger基于Fuller的張拉整體思想提出，并于1988年在韓國漢城奧運(yùn)會體操館和擊劍館中首次應(yīng)用，此后，該結(jié)構(gòu)形式在世界各地的大跨度建筑中得到了推廣和應(yīng)用，如1996年美國亞特蘭大奧運(yùn)會的主體育館喬治亞穹頂?shù)取Ｖ袊鴩鴥?nèi)也陸續(xù)建成了多個索穹頂結(jié)構(gòu)建筑，如無錫新區(qū)科技交流中心索穹頂、山西太原煤炭交易中心索穹頂和內(nèi)蒙古伊金霍洛旗全民健身中心索穹頂?shù)龋@示出索穹頂結(jié)構(gòu)在大跨度建筑中的廣闊應(yīng)用前景。索穹頂結(jié)構(gòu)主要由柔性拉索和剛性撐桿組成，通過施加預(yù)應(yīng)力形成穩(wěn)定的空間結(jié)構(gòu)體系。這種結(jié)構(gòu)形式充分發(fā)揮了鋼材的抗拉性能，使結(jié)構(gòu)處于連續(xù)的張力狀態(tài)，壓桿成為“孤島”，從而實現(xiàn)了結(jié)構(gòu)的高效承載。然而，傳統(tǒng)索穹頂結(jié)構(gòu)中使用的鋼索存在一些固有缺點(diǎn)，如自重大、耐腐蝕性差、易疲勞等，這些問題在一定程度上限制了索穹頂結(jié)構(gòu)在超大跨度和特殊環(huán)境下的應(yīng)用。碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（CarbonFiberReinforcedPolymer，簡稱CFRP）作為一種新型高性能材料，具有輕質(zhì)、高強(qiáng)、耐腐蝕、耐疲勞、熱膨脹系數(shù)小等優(yōu)異性能，近年來在土木工程領(lǐng)域得到了越來越多的關(guān)注和應(yīng)用。將CFRP索應(yīng)用于索穹頂結(jié)構(gòu)中，形成CFRP索穹頂結(jié)構(gòu)，有望克服傳統(tǒng)鋼索索穹頂結(jié)構(gòu)的不足，進(jìn)一步拓展索穹頂結(jié)構(gòu)的應(yīng)用范圍和跨度極限。例如，CFRP索的輕質(zhì)特性可以顯著減輕結(jié)構(gòu)自重，降低基礎(chǔ)荷載；高強(qiáng)特性能夠提高結(jié)構(gòu)的承載能力和跨越能力；耐腐蝕特性則可使結(jié)構(gòu)在惡劣環(huán)境下長期穩(wěn)定服役，減少維護(hù)成本。對CFRP索穹頂結(jié)構(gòu)靜動力性能的研究具有重要的理論意義和工程應(yīng)用價值。在理論方面，CFRP索與傳統(tǒng)鋼索在材料特性、力學(xué)性能等方面存在較大差異，其應(yīng)用于索穹頂結(jié)構(gòu)后，將改變結(jié)構(gòu)的受力性能和工作機(jī)理。深入研究CFRP索穹頂結(jié)構(gòu)的靜動力性能，有助于建立適用于該結(jié)構(gòu)形式的理論分析方法和設(shè)計理論，豐富和完善大跨度空間結(jié)構(gòu)的理論體系。在工程應(yīng)用方面，隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，對大跨度建筑的需求日益增長，對結(jié)構(gòu)的安全性、耐久性和經(jīng)濟(jì)性也提出了更高要求。CFRP索穹頂結(jié)構(gòu)作為一種具有潛在優(yōu)勢的新型結(jié)構(gòu)形式，其靜動力性能的研究成果可為實際工程設(shè)計和施工提供科學(xué)依據(jù)，指導(dǎo)工程實踐。通過研究結(jié)構(gòu)在不同荷載工況下的響應(yīng)，優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)，確保結(jié)構(gòu)在服役期內(nèi)的安全可靠；同時，為CFRP索穹頂結(jié)構(gòu)的施工過程控制和質(zhì)量檢測提供技術(shù)支持，促進(jìn)該結(jié)構(gòu)形式在工程中的推廣應(yīng)用，推動建筑行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步和可持續(xù)發(fā)展。1.2索穹頂結(jié)構(gòu)概述1.2.1起源和發(fā)展索穹頂結(jié)構(gòu)的起源可追溯到20世紀(jì)60年代，美國建筑師R.B.Fuller于1962年提出張拉整體思想，其理念是使結(jié)構(gòu)盡可能地減少受壓狀態(tài)，讓結(jié)構(gòu)處于連續(xù)的張力狀態(tài)，以實現(xiàn)“壓桿的孤島存在于拉桿的海洋中”的設(shè)想，這一思想為索穹頂結(jié)構(gòu)的發(fā)展奠定了理論基礎(chǔ)。1970年，日本大阪萬國博覽會美國館首次將張拉整體概念應(yīng)用于實際工程，該建筑由Geiger和Fuller共同設(shè)計，雖然嚴(yán)格意義上它并非典型的索穹頂結(jié)構(gòu)，但為后續(xù)索穹頂?shù)陌l(fā)展提供了實踐經(jīng)驗。1988年，美國工程師Geiger對Fuller的張拉整體思想進(jìn)行了演進(jìn)和發(fā)展，開創(chuàng)性地提出了索穹頂體系（CableDome）的概念，并首次將其應(yīng)用于韓國漢城奧運(yùn)會體操館和擊劍館的屋蓋設(shè)計中，這標(biāo)志著索穹頂結(jié)構(gòu)正式登上歷史舞臺。該結(jié)構(gòu)形式以其新穎的造型、巧妙的構(gòu)思、合理的受力和經(jīng)濟(jì)的造價，迅速贏得了工程師們的青睞。此后，索穹頂結(jié)構(gòu)在世界各地得到了廣泛的應(yīng)用和發(fā)展。1996年，美國工程師Levy對Geiger設(shè)計的索穹頂進(jìn)行改進(jìn)，將輻射狀脊索變?yōu)槿腔?lián)方型布置脊索，成功設(shè)計了1996年亞特蘭大奧運(yùn)會的主體育館喬治亞穹頂。這座穹頂跨度達(dá)240m，是當(dāng)時世界上最大的索穹頂結(jié)構(gòu)，其成功建造進(jìn)一步推動了索穹頂結(jié)構(gòu)在超大跨度建筑中的應(yīng)用。隨著計算機(jī)技術(shù)和有限元理論的不斷發(fā)展，索穹頂結(jié)構(gòu)的分析和設(shè)計方法也日益成熟。國內(nèi)外學(xué)者對索穹頂結(jié)構(gòu)的找形分析、受力性能、穩(wěn)定性、施工方法等方面展開了深入研究，為索穹頂結(jié)構(gòu)的工程應(yīng)用提供了堅實的理論支持。在國內(nèi)，索穹頂結(jié)構(gòu)的研究和應(yīng)用起步相對較晚，但發(fā)展迅速。20世紀(jì)90年代開始，國內(nèi)學(xué)者對索穹頂結(jié)構(gòu)進(jìn)行了理論研究和試驗分析。2003年，無錫新區(qū)科技交流中心索穹頂建成，這是國內(nèi)第一座索穹頂結(jié)構(gòu)建筑，標(biāo)志著我國在索穹頂結(jié)構(gòu)領(lǐng)域取得了重要突破。此后，山西太原煤炭交易中心索穹頂、內(nèi)蒙古伊金霍洛旗全民健身中心索穹頂、成都鳳凰山足球場罩棚索穹頂?shù)纫慌黢讽斀Y(jié)構(gòu)建筑相繼建成。這些工程的成功實施，不僅展示了索穹頂結(jié)構(gòu)在我國的應(yīng)用潛力，也推動了我國空間結(jié)構(gòu)技術(shù)的不斷進(jìn)步。1.2.2組成和分類索穹頂結(jié)構(gòu)主要由柔性拉索、剛性撐桿、膜材以及連接節(jié)點(diǎn)等部分組成。拉索是索穹頂結(jié)構(gòu)的主要受力構(gòu)件，通過施加預(yù)應(yīng)力提供結(jié)構(gòu)的剛度和承載能力，常用的拉索材料有高強(qiáng)度鋼絞線、鋼絲繩等，近年來，碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（CFRP）索因其優(yōu)異的性能也逐漸應(yīng)用于索穹頂結(jié)構(gòu)中。撐桿主要承受壓力，起到支撐拉索和維持結(jié)構(gòu)幾何形狀的作用，一般采用鋼管或型鋼制作。膜材作為屋面覆蓋材料，具有輕質(zhì)、透光、防水等特點(diǎn)，常用的膜材有聚四氟乙烯（PTFE）膜、乙烯-四氟乙烯共聚物（ETFE）膜等。連接節(jié)點(diǎn)則用于連接拉索、撐桿和膜材，確保結(jié)構(gòu)的整體性和傳力路徑的順暢，節(jié)點(diǎn)的設(shè)計和構(gòu)造對結(jié)構(gòu)的性能和安全性至關(guān)重要。根據(jù)幾何拓?fù)湫问降牟煌?，索穹頂結(jié)構(gòu)可分為多種類型，常見的有Geiger型、Levy型、Kiewitt型、鳥巢型和混合型等。Geiger型索穹頂是最基本的索穹頂形式，由美國工程師Geiger提出。其特點(diǎn)是脊索呈輻射狀布置，斜索與脊索交叉形成菱形網(wǎng)格，環(huán)索沿圓周方向布置，通過撐桿將脊索和斜索連接起來，形成穩(wěn)定的空間結(jié)構(gòu)體系。這種類型的索穹頂結(jié)構(gòu)形式簡潔，受力明確，施工相對簡單，但索網(wǎng)平面外剛度較小，容易失穩(wěn)。Levy型索穹頂是在Geiger型索穹頂?shù)幕A(chǔ)上改進(jìn)而來，由美國工程師Levy提出。其主要改進(jìn)之處是將脊索布置成三角化聯(lián)方型，增強(qiáng)了索網(wǎng)的平面外剛度，提高了結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。這種類型的索穹頂結(jié)構(gòu)在大跨度建筑中應(yīng)用較為廣泛，如1996年美國亞特蘭大奧運(yùn)會的主體育館喬治亞穹頂就采用了Levy型索穹頂結(jié)構(gòu)。Kiewitt型索穹頂?shù)乃骶W(wǎng)布置基于Kiewitt穹頂?shù)木W(wǎng)格形式，具有較高的對稱性和規(guī)律性。其脊索和斜索的布置方式使得結(jié)構(gòu)受力更加均勻，空間剛度較大，適用于大跨度和超大跨度的建筑。但Kiewitt型索穹頂結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)構(gòu)造相對復(fù)雜，施工難度較大。鳥巢型索穹頂?shù)乃骶W(wǎng)布置呈現(xiàn)出類似鳥巢的形狀，具有獨(dú)特的造型和力學(xué)性能。這種類型的索穹頂結(jié)構(gòu)在滿足建筑功能需求的同時，還能展現(xiàn)出獨(dú)特的建筑美學(xué)效果。其受力特點(diǎn)較為復(fù)雜，需要進(jìn)行精細(xì)的分析和設(shè)計?；旌闲退黢讽攧t是結(jié)合了上述兩種或多種類型索穹頂?shù)奶攸c(diǎn)，根據(jù)具體工程的需求和建筑造型的要求進(jìn)行靈活設(shè)計。混合型索穹頂能夠充分發(fā)揮不同類型索穹頂?shù)膬?yōu)勢，在一些復(fù)雜的工程中得到應(yīng)用。1.2.3工程實例自索穹頂結(jié)構(gòu)問世以來，在世界各地涌現(xiàn)出了許多具有代表性的工程實例，這些工程不僅展示了索穹頂結(jié)構(gòu)的獨(dú)特魅力和優(yōu)勢，也為后續(xù)工程的設(shè)計和施工提供了寶貴的經(jīng)驗。1988年建成的韓國漢城奧運(yùn)會體操館和擊劍館是索穹頂結(jié)構(gòu)首次應(yīng)用于實際工程。體操館采用了Geiger型索穹頂結(jié)構(gòu)，其直徑為120m，由中心桅桿、脊索、斜索、環(huán)索和撐桿組成。通過對索施加預(yù)應(yīng)力，形成穩(wěn)定的空間結(jié)構(gòu)體系，成功地實現(xiàn)了大跨度屋蓋的覆蓋。擊劍館也采用了類似的索穹頂結(jié)構(gòu)形式，直徑為93m。這兩座場館的建成，驗證了索穹頂結(jié)構(gòu)在工程應(yīng)用中的可行性和優(yōu)越性，為后續(xù)索穹頂結(jié)構(gòu)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。1996年美國亞特蘭大奧運(yùn)會的主體育館喬治亞穹頂是Levy型索穹頂結(jié)構(gòu)的典型代表。該穹頂跨度達(dá)240m，是當(dāng)時世界上最大的索穹頂結(jié)構(gòu)。其索網(wǎng)采用三角化聯(lián)方型布置的脊索，增強(qiáng)了索網(wǎng)的平面外剛度，提高了結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。喬治亞穹頂?shù)某晒ㄔ?，展示了Levy型索穹頂結(jié)構(gòu)在超大跨度建筑中的應(yīng)用潛力，成為索穹頂結(jié)構(gòu)發(fā)展歷程中的一個重要里程碑。成都鳳凰山足球場罩棚采用了國際首例環(huán)形剛性內(nèi)拉環(huán)索穹頂結(jié)構(gòu)，其平面為類橢圓，南北向長軸直徑279m，東西向短軸直徑234m。該工程的創(chuàng)新之處在于在屋蓋中部大開口邊緣位置設(shè)置內(nèi)環(huán)鋼桁架，彌補(bǔ)了由于大開口對索穹頂結(jié)構(gòu)剛度與整體性的削弱，保證了張力結(jié)構(gòu)的力系有效傳遞。同時，通過采用葵花型布置索穹頂結(jié)構(gòu)并經(jīng)過找力分析及施加合理預(yù)應(yīng)力，解決了由于結(jié)構(gòu)不對稱、整體結(jié)構(gòu)斜置以及復(fù)雜邊界導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)受力不均勻問題。屋面系統(tǒng)采用全國最大的單層索系支承ETFE膜結(jié)構(gòu)，不僅建筑效果通透，且大幅減小了對主體結(jié)構(gòu)的作用。廣東省佛山市順德區(qū)德勝體育中心綜合體育館應(yīng)用了目前國內(nèi)閉合屋蓋跨度最大的索穹頂結(jié)構(gòu)，長軸結(jié)構(gòu)凈跨124米。該索穹頂結(jié)構(gòu)由脊索、斜索、環(huán)索、豎向撐桿、索夾以及中心環(huán)構(gòu)成，具有自重輕、施工快速、造價低等優(yōu)點(diǎn)。在施工過程中，項目團(tuán)隊針對索穹頂結(jié)構(gòu)空間規(guī)模大、中心拉環(huán)下掛30噸的LED屏、索結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜、索力監(jiān)測困難以及將160噸重的索網(wǎng)中心拉環(huán)安裝至38米高空難度巨大等問題，采用智能協(xié)同一體化液壓系統(tǒng)、拉索中心絲耦合光纖光柵傳感器等技術(shù)，研發(fā)出光纖光柵智慧拉索，成功攻克難題。1.2.4結(jié)構(gòu)體系的特點(diǎn)和工作機(jī)理索穹頂結(jié)構(gòu)體系具有一系列獨(dú)特的特點(diǎn)，使其在大跨度空間結(jié)構(gòu)中具有顯著的優(yōu)勢。首先，索穹頂結(jié)構(gòu)充分發(fā)揮了鋼材的抗拉性能，通過大量使用預(yù)應(yīng)力拉索，使結(jié)構(gòu)處于連續(xù)的張力狀態(tài)，壓桿成為“孤島”，從而實現(xiàn)了結(jié)構(gòu)的高效承載。這種受力方式使得結(jié)構(gòu)用鋼量相對較少，結(jié)構(gòu)自重輕，能夠跨越較大的空間，適用于體育場館、會展中心等大跨度建筑。其次，索穹頂結(jié)構(gòu)的造型新穎、美觀，具有較高的建筑藝術(shù)價值。其獨(dú)特的索網(wǎng)和撐桿布置形式，能夠創(chuàng)造出富有動感和韻律的建筑形態(tài)，與周圍環(huán)境相融合，成為城市的標(biāo)志性建筑。例如，成都鳳凰山足球場罩棚的索穹頂結(jié)構(gòu)，其獨(dú)特的造型充分體現(xiàn)了結(jié)構(gòu)之美與建筑之美，成為當(dāng)?shù)氐囊坏懒聋愶L(fēng)景線。此外，索穹頂結(jié)構(gòu)的施工相對簡便、快速。由于結(jié)構(gòu)主要由拉索和撐桿組成，構(gòu)件重量較輕，便于運(yùn)輸和安裝。在施工過程中，可以采用分段拼裝、整體提升等施工方法，減少高空作業(yè)量，提高施工效率，縮短施工周期。索穹頂結(jié)構(gòu)的工作機(jī)理基于張拉整體原理，通過對拉索施加預(yù)應(yīng)力，使整個結(jié)構(gòu)體系達(dá)到自平衡狀態(tài)，并獲得必要的剛度。在預(yù)應(yīng)力作用下，拉索處于受拉狀態(tài)，撐桿處于受壓狀態(tài)，拉索和撐桿相互協(xié)作，共同承受外部荷載。當(dāng)結(jié)構(gòu)受到外荷載作用時，荷載首先通過屋面結(jié)構(gòu)傳遞到索網(wǎng)上，索網(wǎng)中的拉索將荷載傳遞給撐桿，撐桿再將荷載傳遞給下部的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。在這個過程中，索網(wǎng)的張力和撐桿的壓力相互平衡，保證了結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。索穹頂結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能與結(jié)構(gòu)的形狀、預(yù)應(yīng)力大小及分布密切相關(guān)。合理的結(jié)構(gòu)形狀能夠使結(jié)構(gòu)受力更加均勻，提高結(jié)構(gòu)的承載能力；預(yù)應(yīng)力的大小和分布則直接影響結(jié)構(gòu)的剛度和穩(wěn)定性。在設(shè)計過程中，需要通過精確的計算和分析，確定合理的結(jié)構(gòu)形狀和預(yù)應(yīng)力方案，以確保結(jié)構(gòu)在各種荷載工況下都能滿足設(shè)計要求。同時，索穹頂結(jié)構(gòu)屬于柔性體系，在荷載作用下會產(chǎn)生較大的變形，因此在設(shè)計和施工過程中需要充分考慮結(jié)構(gòu)的非線性行為，采取相應(yīng)的措施來控制結(jié)構(gòu)的變形。1.3索穹頂結(jié)構(gòu)的研究現(xiàn)狀1.3.1結(jié)構(gòu)形態(tài)分析結(jié)構(gòu)形態(tài)分析是索穹頂結(jié)構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其目的是尋找滿足結(jié)構(gòu)力學(xué)平衡和建筑功能要求的初始幾何形狀，即確定在預(yù)應(yīng)力作用下結(jié)構(gòu)各構(gòu)件的合理位置和內(nèi)力分布，使結(jié)構(gòu)在初始狀態(tài)下處于自平衡狀態(tài)，并具有足夠的剛度。目前，索穹頂結(jié)構(gòu)形態(tài)分析方法主要包括力密度法、動力松弛法、非線性有限元法等。力密度法是將結(jié)構(gòu)離散為索單元和桿單元，通過定義力密度參數(shù)，將結(jié)構(gòu)的平衡方程轉(zhuǎn)化為線性方程組進(jìn)行求解。該方法概念清晰、計算簡便，適用于規(guī)則的索穹頂結(jié)構(gòu)找形分析。例如，尹思明等利用力密度法對Levy型索穹頂結(jié)構(gòu)進(jìn)行找形分析，通過合理設(shè)定力密度值，快速準(zhǔn)確地得到了結(jié)構(gòu)的初始形態(tài)。然而，力密度法對于復(fù)雜邊界條件和不規(guī)則結(jié)構(gòu)的適應(yīng)性較差，在處理過程中需要對邊界條件進(jìn)行特殊處理，增加了計算的復(fù)雜性。動力松弛法是基于動力學(xué)原理，將結(jié)構(gòu)的靜力平衡問題轉(zhuǎn)化為動力問題進(jìn)行求解。通過引入阻尼項，使結(jié)構(gòu)在虛擬動力作用下逐漸達(dá)到靜力平衡狀態(tài)。該方法能夠考慮結(jié)構(gòu)的幾何非線性和材料非線性，適用于復(fù)雜索穹頂結(jié)構(gòu)的找形分析。李毅等采用動力松弛法對鳥巢型索穹頂結(jié)構(gòu)進(jìn)行找形分析，模擬了結(jié)構(gòu)在施工過程中的形態(tài)變化，得到了較為合理的初始形態(tài)。但動力松弛法的計算效率較低，計算過程中需要合理選擇動力參數(shù)和阻尼系數(shù)，否則可能導(dǎo)致計算結(jié)果不收斂或不準(zhǔn)確。非線性有限元法是利用有限元軟件對索穹頂結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值模擬，通過建立結(jié)構(gòu)的有限元模型，考慮材料非線性、幾何非線性和邊界條件等因素，求解結(jié)構(gòu)的平衡方程，得到結(jié)構(gòu)的初始形態(tài)和內(nèi)力分布。該方法具有強(qiáng)大的模擬能力，能夠處理各種復(fù)雜的結(jié)構(gòu)形式和工況，是目前索穹頂結(jié)構(gòu)形態(tài)分析中應(yīng)用最廣泛的方法之一。例如，陳務(wù)軍等運(yùn)用非線性有限元法對上海八萬人體育場索穹頂結(jié)構(gòu)進(jìn)行找形分析，通過精確模擬結(jié)構(gòu)的施工過程和預(yù)應(yīng)力施加過程，得到了與實際工程相符的初始形態(tài)。不過，非線性有限元法對計算資源要求較高，建模過程較為復(fù)雜，需要具備一定的專業(yè)知識和經(jīng)驗。盡管目前索穹頂結(jié)構(gòu)形態(tài)分析方法取得了一定的成果，但在面對復(fù)雜的建筑造型和特殊的結(jié)構(gòu)需求時，仍存在一些不足之處。例如，對于具有復(fù)雜邊界條件和不規(guī)則索網(wǎng)布置的索穹頂結(jié)構(gòu)，現(xiàn)有的找形分析方法可能難以準(zhǔn)確地找到其合理的初始形態(tài)，計算結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性有待進(jìn)一步提高。此外，如何將結(jié)構(gòu)形態(tài)分析與建筑設(shè)計更好地結(jié)合，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)性能與建筑美學(xué)的有機(jī)統(tǒng)一，也是未來研究需要解決的問題之一。1.3.2施工成形分析施工成形分析是確保索穹頂結(jié)構(gòu)在施工過程中安全、準(zhǔn)確地達(dá)到設(shè)計狀態(tài)的重要手段。索穹頂結(jié)構(gòu)的施工過程是一個復(fù)雜的力學(xué)過程，涉及到結(jié)構(gòu)的逐步組裝、預(yù)應(yīng)力的施加以及結(jié)構(gòu)形態(tài)的變化等多個環(huán)節(jié)。在施工過程中，結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和變形不斷發(fā)生變化，若施工方案不合理或施工過程控制不當(dāng)，可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)出現(xiàn)過大的變形、內(nèi)力集中甚至失穩(wěn)等問題，影響結(jié)構(gòu)的安全性和使用性能。目前，索穹頂結(jié)構(gòu)施工成形分析主要采用數(shù)值模擬和模型試驗相結(jié)合的方法。數(shù)值模擬方法能夠?qū)κ┕み^程進(jìn)行全面、細(xì)致的模擬，預(yù)測結(jié)構(gòu)在施工過程中的內(nèi)力和變形變化規(guī)律，為施工方案的制定和施工過程控制提供理論依據(jù)。常用的數(shù)值模擬軟件有ANSYS、SAP2000、MIDASGen等，這些軟件具備強(qiáng)大的非線性分析能力，能夠考慮材料非線性、幾何非線性和接觸非線性等因素，對索穹頂結(jié)構(gòu)的施工過程進(jìn)行精確模擬。例如，郭小農(nóng)等利用ANSYS軟件對某索穹頂結(jié)構(gòu)的施工過程進(jìn)行模擬分析，通過對比不同施工方案下結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和變形，優(yōu)化了施工方案，確保了施工過程的安全順利進(jìn)行。模型試驗則是通過制作縮尺模型，在實驗室條件下模擬索穹頂結(jié)構(gòu)的施工過程，直接測量結(jié)構(gòu)在施工過程中的內(nèi)力和變形，驗證數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，為實際工程提供參考。模型試驗?zāi)軌蛑庇^地反映結(jié)構(gòu)的受力性能和變形特征，對于研究索穹頂結(jié)構(gòu)的施工力學(xué)行為具有重要意義。例如，張其林等通過1/20縮尺模型試驗，對某索穹頂結(jié)構(gòu)的施工過程進(jìn)行研究，測量了模型在不同施工階段的索力、桿件內(nèi)力和節(jié)點(diǎn)位移，與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對比分析，驗證了數(shù)值模擬方法的可靠性。在施工過程控制方面，主要采用索力監(jiān)測和位移監(jiān)測等手段，實時監(jiān)測結(jié)構(gòu)在施工過程中的狀態(tài)，根據(jù)監(jiān)測結(jié)果及時調(diào)整施工參數(shù)，確保結(jié)構(gòu)的施工質(zhì)量和安全。索力監(jiān)測常用的方法有壓力傳感器法、頻率法等，位移監(jiān)測則可采用全站儀、水準(zhǔn)儀等測量儀器進(jìn)行。例如，在某索穹頂結(jié)構(gòu)施工過程中，采用壓力傳感器對索力進(jìn)行實時監(jiān)測，通過調(diào)整索力使結(jié)構(gòu)在施工過程中的內(nèi)力和變形滿足設(shè)計要求。然而，索穹頂結(jié)構(gòu)施工成形分析仍面臨一些挑戰(zhàn)。一方面，施工過程中結(jié)構(gòu)的非線性行為較為復(fù)雜，數(shù)值模擬方法在考慮各種非線性因素時存在一定的局限性，計算結(jié)果與實際情況可能存在一定偏差。另一方面，模型試驗由于受到縮尺效應(yīng)、材料性能差異等因素的影響，如何準(zhǔn)確地將模型試驗結(jié)果推廣到實際工程中，也是需要進(jìn)一步研究的問題。此外，隨著索穹頂結(jié)構(gòu)向超大跨度和復(fù)雜造型方向發(fā)展，施工過程中的力學(xué)行為更加復(fù)雜，對施工成形分析方法和施工過程控制技術(shù)提出了更高的要求。1.3.3靜力性能研究靜力性能研究是索穹頂結(jié)構(gòu)設(shè)計的核心內(nèi)容之一，主要研究結(jié)構(gòu)在各種靜力荷載作用下的內(nèi)力分布、變形規(guī)律和承載能力，為結(jié)構(gòu)的設(shè)計和安全性評估提供依據(jù)。索穹頂結(jié)構(gòu)在靜力荷載作用下的受力性能受到結(jié)構(gòu)形式、構(gòu)件截面尺寸、預(yù)應(yīng)力大小及分布、邊界條件等多種因素的影響。在理論分析方面，國內(nèi)外學(xué)者針對索穹頂結(jié)構(gòu)的靜力性能開展了大量研究。早期的研究主要基于線性理論，采用解析方法對索穹頂結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，如利用結(jié)構(gòu)力學(xué)和彈性力學(xué)的基本原理，建立結(jié)構(gòu)的平衡方程和變形協(xié)調(diào)方程，求解結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和變形。隨著計算機(jī)技術(shù)和有限元理論的發(fā)展，非線性有限元方法逐漸成為索穹頂結(jié)構(gòu)靜力性能研究的主要手段。通過建立索穹頂結(jié)構(gòu)的有限元模型，考慮材料非線性、幾何非線性和邊界條件等因素，能夠更加準(zhǔn)確地分析結(jié)構(gòu)在靜力荷載作用下的力學(xué)行為。例如，雷樂等利用有限元軟件對Levy型索穹頂結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力分析，研究了不同荷載工況下結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分布和變形規(guī)律，分析了預(yù)應(yīng)力大小和分布對結(jié)構(gòu)靜力性能的影響。在試驗研究方面，通過足尺試驗和模型試驗，能夠直接測量結(jié)構(gòu)在靜力荷載作用下的內(nèi)力和變形，驗證理論分析和數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，為結(jié)構(gòu)的設(shè)計和優(yōu)化提供依據(jù)。足尺試驗?zāi)軌蛘鎸嵉胤从辰Y(jié)構(gòu)的實際受力性能，但由于成本高、試驗難度大，在實際研究中應(yīng)用相對較少。模型試驗則是通過制作縮尺模型，在實驗室條件下對結(jié)構(gòu)進(jìn)行加載試驗，測量模型的內(nèi)力和變形。例如，李忠獻(xiàn)等通過1/10縮尺模型試驗，對某索穹頂結(jié)構(gòu)的靜力性能進(jìn)行研究，測量了模型在豎向荷載作用下的索力、桿件內(nèi)力和節(jié)點(diǎn)位移，與有限元分析結(jié)果進(jìn)行對比，驗證了有限元模型的準(zhǔn)確性。此外，學(xué)者們還對索穹頂結(jié)構(gòu)的靜力性能進(jìn)行了參數(shù)化分析，研究結(jié)構(gòu)形式、構(gòu)件截面尺寸、預(yù)應(yīng)力大小及分布等參數(shù)對結(jié)構(gòu)靜力性能的影響規(guī)律，為結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計提供參考。例如，黃明奎等對索穹頂結(jié)構(gòu)的矢跨比、索截面面積、撐桿長度等參數(shù)進(jìn)行了參數(shù)化分析，研究了這些參數(shù)對結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布、變形和承載能力的影響，得出了一些有益的結(jié)論。盡管索穹頂結(jié)構(gòu)靜力性能研究取得了豐富的成果，但仍存在一些問題需要進(jìn)一步研究。例如，在復(fù)雜荷載工況下，如何準(zhǔn)確地考慮各種荷載組合對結(jié)構(gòu)靜力性能的影響，目前還缺乏系統(tǒng)的研究方法。此外，對于索穹頂結(jié)構(gòu)與下部支承結(jié)構(gòu)的協(xié)同工作性能，以及結(jié)構(gòu)在長期荷載作用下的性能退化等問題，也需要開展深入研究。1.3.4動力性能研究動力性能研究對于索穹頂結(jié)構(gòu)在地震、風(fēng)振等動力荷載作用下的安全性評估和抗震、抗風(fēng)設(shè)計具有重要意義。索穹頂結(jié)構(gòu)屬于柔性結(jié)構(gòu)，自振頻率較低，在動力荷載作用下容易產(chǎn)生較大的振動響應(yīng)，因此對其動力性能的研究至關(guān)重要。在自振特性研究方面，主要通過理論分析、數(shù)值模擬和試驗研究等方法，確定索穹頂結(jié)構(gòu)的自振頻率、振型和阻尼比等動力特性參數(shù)。理論分析方法主要基于結(jié)構(gòu)動力學(xué)的基本原理，建立結(jié)構(gòu)的運(yùn)動方程，通過求解特征值問題得到結(jié)構(gòu)的自振頻率和振型。例如，采用瑞利-里茲法、有限差分法等方法對索穹頂結(jié)構(gòu)的自振特性進(jìn)行分析。數(shù)值模擬方法則是利用有限元軟件建立結(jié)構(gòu)的動力有限元模型，進(jìn)行模態(tài)分析，得到結(jié)構(gòu)的自振頻率和振型。試驗研究方法是通過現(xiàn)場測試或模型試驗，采用加速度傳感器、位移傳感器等設(shè)備測量結(jié)構(gòu)的振動響應(yīng)，通過信號處理分析得到結(jié)構(gòu)的自振頻率、振型和阻尼比等參數(shù)。例如，李愛群等通過現(xiàn)場動力測試，對某索穹頂結(jié)構(gòu)的自振特性進(jìn)行研究，測量了結(jié)構(gòu)在環(huán)境激勵下的振動響應(yīng)，識別出結(jié)構(gòu)的前幾階自振頻率和振型。在地震響應(yīng)分析方面，主要采用時程分析法和反應(yīng)譜分析法對索穹頂結(jié)構(gòu)在地震作用下的響應(yīng)進(jìn)行計算和分析。時程分析法是直接將地震波輸入結(jié)構(gòu)的動力方程，通過數(shù)值積分求解結(jié)構(gòu)在地震作用下的位移、速度和加速度響應(yīng)時程。反應(yīng)譜分析法是根據(jù)地震反應(yīng)譜理論，將地震作用轉(zhuǎn)化為等效靜力荷載，對結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震計算。例如，劉揚(yáng)等利用時程分析法對某索穹頂結(jié)構(gòu)在不同地震波作用下的地震響應(yīng)進(jìn)行分析，研究了結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)規(guī)律和抗震性能。在風(fēng)振響應(yīng)分析方面，由于索穹頂結(jié)構(gòu)的外形復(fù)雜，風(fēng)荷載作用下的流固耦合效應(yīng)較為明顯，風(fēng)振響應(yīng)分析相對復(fù)雜。目前主要采用風(fēng)洞試驗、數(shù)值模擬和理論分析相結(jié)合的方法進(jìn)行研究。風(fēng)洞試驗是通過制作縮尺模型，在風(fēng)洞中模擬實際風(fēng)場，測量結(jié)構(gòu)在風(fēng)荷載作用下的風(fēng)壓分布和振動響應(yīng)。數(shù)值模擬方法主要采用計算流體力學(xué)（CFD）方法，對結(jié)構(gòu)周圍的風(fēng)場進(jìn)行數(shù)值模擬，得到風(fēng)荷載的分布和大小，進(jìn)而計算結(jié)構(gòu)的風(fēng)振響應(yīng)。理論分析方法則是基于風(fēng)工程理論，采用經(jīng)驗公式或半經(jīng)驗公式對結(jié)構(gòu)的風(fēng)振響應(yīng)進(jìn)行估算。例如，顧明等通過風(fēng)洞試驗和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，對某索穹頂結(jié)構(gòu)的風(fēng)振響應(yīng)進(jìn)行研究，分析了結(jié)構(gòu)的風(fēng)致振動特性和抗風(fēng)性能。然而，索穹頂結(jié)構(gòu)動力性能研究仍存在一些不足之處。一方面，在動力分析中，如何準(zhǔn)確地考慮結(jié)構(gòu)的非線性因素，如材料非線性、幾何非線性和接觸非線性等，對結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)的影響，目前還存在一定的困難。另一方面，對于索穹頂結(jié)構(gòu)在復(fù)雜動力環(huán)境下的動力響應(yīng)特性，如多點(diǎn)輸入地震作用、強(qiáng)風(fēng)與地震的聯(lián)合作用等，研究還相對較少，需要進(jìn)一步開展深入研究。此外，由于動力測試技術(shù)和設(shè)備的限制，對索穹頂結(jié)構(gòu)在實際動力荷載作用下的響應(yīng)監(jiān)測還不夠完善，缺乏足夠的實測數(shù)據(jù)來驗證理論分析和數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。1.4碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料1.4.1CFRP索材料簡介碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（CarbonFiberReinforcedPolymer，CFRP）索是以碳纖維為增強(qiáng)體，以樹脂等有機(jī)材料為基體，通過特定工藝復(fù)合而成的高性能材料。碳纖維具有高強(qiáng)度、高模量、低密度等優(yōu)異特性，其抗拉強(qiáng)度通?？蛇_(dá)3500MPa以上，是普通鋼材的數(shù)倍，而密度僅約為鋼材的四分之一。在CFRP索中，碳纖維承擔(dān)主要的荷載作用，樹脂基體則起到粘結(jié)、保護(hù)碳纖維，并傳遞應(yīng)力的作用，使碳纖維能夠協(xié)同工作，共同發(fā)揮材料的高性能。CFRP索具有一系列突出的基本性能特點(diǎn)。首先，其輕質(zhì)特性顯著，與傳統(tǒng)鋼索相比，在相同承載能力下，CFRP索的重量大幅減輕，這對于減輕結(jié)構(gòu)自重、降低基礎(chǔ)荷載以及方便運(yùn)輸和施工具有重要意義。例如，在大跨度橋梁和空間結(jié)構(gòu)中，使用CFRP索可有效減少結(jié)構(gòu)的豎向荷載，降低下部支撐結(jié)構(gòu)的造價。其次，CFRP索的高強(qiáng)性能使其能夠承受較大的拉力，具有較高的抗拉強(qiáng)度和彈性模量，能夠滿足結(jié)構(gòu)在各種荷載工況下的承載要求。這使得CFRP索在需要承受巨大拉力的結(jié)構(gòu)中具有明顯優(yōu)勢，如大型斜拉橋的拉索、索穹頂結(jié)構(gòu)的索系等。再者，CFRP索具有優(yōu)異的耐腐蝕性能，其對酸、堿、鹽等化學(xué)物質(zhì)具有很強(qiáng)的抵抗能力，在惡劣的自然環(huán)境和化學(xué)侵蝕環(huán)境下，仍能保持良好的力學(xué)性能。這一特性解決了傳統(tǒng)鋼索易腐蝕的問題，大大提高了結(jié)構(gòu)的耐久性，減少了維護(hù)成本和更換周期，特別適用于海洋環(huán)境、化工園區(qū)等對結(jié)構(gòu)耐久性要求較高的場所。此外，CFRP索還具有良好的耐疲勞性能，在承受反復(fù)荷載作用時，其疲勞壽命長，不易出現(xiàn)疲勞破壞。這使得CFRP索在承受動荷載的結(jié)構(gòu)中表現(xiàn)出色，如橋梁結(jié)構(gòu)在車輛頻繁行駛作用下，CFRP索能夠提供更可靠的性能保障。同時，CFRP索的熱膨脹系數(shù)小，受溫度變化影響較小，在不同溫度條件下，結(jié)構(gòu)的變形相對穩(wěn)定，有利于保持結(jié)構(gòu)的幾何形狀和力學(xué)性能。1.4.2施加預(yù)應(yīng)力的CFRP結(jié)構(gòu)國內(nèi)外應(yīng)用和研究現(xiàn)狀在國外，施加預(yù)應(yīng)力的CFRP結(jié)構(gòu)在土木工程領(lǐng)域的應(yīng)用和研究起步較早。在橋梁工程方面，20世紀(jì)90年代，日本率先開展了CFRP索在橋梁中的應(yīng)用研究，并建成了多座試驗橋，如Kawaden橋和Shin-Tsukuba橋等，這些橋梁的建成驗證了CFRP索在橋梁結(jié)構(gòu)中應(yīng)用的可行性和優(yōu)越性。此后，歐美等國家也相繼開展了相關(guān)研究和工程實踐，如德國的斯圖加特拱橋是世界上第一座完全依靠CFRP的大型橋梁，其上部結(jié)構(gòu)全長130米，主跨80米，充分展示了CFRP材料在橋梁結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用潛力。在建筑結(jié)構(gòu)領(lǐng)域，CFRP索也逐漸應(yīng)用于一些大跨度建筑的屋蓋結(jié)構(gòu)中，如美國、德國等國家的部分體育場館和展覽館，通過施加預(yù)應(yīng)力的CFRP索來提供結(jié)構(gòu)的剛度和承載能力，取得了良好的效果。在國內(nèi)，隨著對CFRP材料研究的不斷深入，施加預(yù)應(yīng)力的CFRP結(jié)構(gòu)在工程中的應(yīng)用也逐漸增多。三亞體育場屋蓋為輪輻式索桁架結(jié)構(gòu)，為提升結(jié)構(gòu)抗風(fēng)能力，屋蓋結(jié)構(gòu)布置內(nèi)環(huán)交叉索，并創(chuàng)新應(yīng)用了由中冶建研院牽頭研發(fā)的波形錨CFRP平行板索，這是CFRP板索在大跨體育場實際工程中的首次大規(guī)模應(yīng)用，屬于國際首創(chuàng)，對于CFRP材料在大跨空間結(jié)構(gòu)乃至于新建結(jié)構(gòu)中的推廣應(yīng)用具有重要的引領(lǐng)作用和里程碑意義。在學(xué)術(shù)研究方面，國內(nèi)眾多高校和科研機(jī)構(gòu)針對施加預(yù)應(yīng)力的CFRP結(jié)構(gòu)開展了廣泛而深入的研究。研究內(nèi)容涵蓋了CFRP索的材料性能、錨固技術(shù)、結(jié)構(gòu)力學(xué)性能、施工工藝以及耐久性等多個方面。例如，一些學(xué)者通過試驗研究和數(shù)值模擬，分析了CFRP索在不同預(yù)應(yīng)力水平下的力學(xué)性能和變形規(guī)律，探討了預(yù)應(yīng)力損失的影響因素和控制方法；還有學(xué)者研究了CFRP索與混凝土、鋼材等傳統(tǒng)材料的協(xié)同工作性能，為CFRP結(jié)構(gòu)的設(shè)計和應(yīng)用提供了理論依據(jù)。盡管施加預(yù)應(yīng)力的CFRP結(jié)構(gòu)在國內(nèi)外取得了一定的應(yīng)用和研究成果，但仍存在一些問題有待解決。CFRP材料的成本相對較高，限制了其大規(guī)模應(yīng)用，需要進(jìn)一步研究降低成本的方法，提高材料的性價比。CFRP索的錨固技術(shù)還不夠成熟，錨固性能的可靠性和穩(wěn)定性有待進(jìn)一步提高，如何確保CFRP索在錨固部位能夠有效傳遞應(yīng)力，防止索體滑移和破壞，是當(dāng)前研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)之一。此外，對于施加預(yù)應(yīng)力的CFRP結(jié)構(gòu)在長期荷載作用下的性能退化、疲勞性能以及防火性能等方面的研究還相對較少，需要開展更多的試驗研究和理論分析，以完善相關(guān)的設(shè)計理論和規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。1.5本文的主要工作本文圍繞CFRP索穹頂結(jié)構(gòu)靜動力性能展開研究，旨在深入了解該結(jié)構(gòu)形式的力學(xué)性能和工作機(jī)理，為其工程應(yīng)用提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。具體研究內(nèi)容如下：CFRP索穹頂模型設(shè)計：依據(jù)相似理論，考慮實際工程需求與實驗室條件，設(shè)計并制作CFRP索穹頂縮尺模型。詳細(xì)闡述模型的結(jié)構(gòu)形式、幾何尺寸、構(gòu)件選材等設(shè)計參數(shù)，確保模型能有效模擬實際結(jié)構(gòu)的力學(xué)行為，為后續(xù)試驗研究奠定基礎(chǔ)。CFRP索及錨具性能試驗：對CFRP索及配套錨具開展材料性能試驗，包括CFRP索的拉伸試驗，測定其抗拉強(qiáng)度、彈性模量、極限應(yīng)變等力學(xué)性能指標(biāo)；進(jìn)行錨具的靜載錨固性能試驗，檢驗錨具對CFRP索的錨固效果，評估錨固效率、索體與錨具的協(xié)同工作性能以及錨固可靠性，為CFRP索穹頂結(jié)構(gòu)的設(shè)計提供材料性能數(shù)據(jù)支持。CFRP索穹頂結(jié)構(gòu)靜力性能試驗研究：對CFRP索穹頂模型施加豎向均布荷載、集中荷載等多種靜力荷載工況，通過在模型關(guān)鍵部位布置應(yīng)變片、位移傳感器等測量設(shè)備，實時監(jiān)測結(jié)構(gòu)在加載過程中的索力變化、桿件內(nèi)力分布以及節(jié)點(diǎn)位移響應(yīng)。分析不同荷載工況下結(jié)構(gòu)的受力特性和變形規(guī)律，研究結(jié)構(gòu)的剛度、承載能力以及破壞模式，評估CFRP索穹頂結(jié)構(gòu)在靜力荷載作用下的性能表現(xiàn)。CFRP索穹頂結(jié)構(gòu)動力性能試驗研究：采用環(huán)境激勵和人工激振等方法，對CFRP索穹頂模型進(jìn)行動力特性測試和動力響應(yīng)分析。利用加速度傳感器采集結(jié)構(gòu)在振動過程中的響應(yīng)信號，通過頻譜分析等方法獲取結(jié)構(gòu)的自振頻率、振型和阻尼比等動力特性參數(shù)。研究結(jié)構(gòu)在不同頻率和幅值的激勵作用下的動力響應(yīng)規(guī)律，評估結(jié)構(gòu)的抗震、抗風(fēng)性能以及在動力荷載作用下的穩(wěn)定性。CFRP索穹頂結(jié)構(gòu)性能的影響因素分析：基于試驗結(jié)果，運(yùn)用有限元軟件建立CFRP索穹頂結(jié)構(gòu)的數(shù)值模型，通過參數(shù)化分析，研究結(jié)構(gòu)形式、CFRP索的預(yù)應(yīng)力大小及分布、索與撐桿的截面尺寸等因素對結(jié)構(gòu)靜動力性能的影響規(guī)律。分析各因素對結(jié)構(gòu)剛度、承載能力、自振特性和動力響應(yīng)的影響程度，為結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計提供參考依據(jù)。CFRP索穹頂結(jié)構(gòu)設(shè)計建議：綜合試驗研究和理論分析結(jié)果，針對CFRP索穹頂結(jié)構(gòu)的設(shè)計、施工和工程應(yīng)用，提出相關(guān)建議和注意事項。包括結(jié)構(gòu)選型、材料選擇、預(yù)應(yīng)力設(shè)計、節(jié)點(diǎn)構(gòu)造、施工工藝以及質(zhì)量控制等方面，為CFRP索穹頂結(jié)構(gòu)在實際工程中的推廣應(yīng)用提供技術(shù)指導(dǎo)。二、Geiger型CFRP索穹頂模型的設(shè)計2.1模型試驗概述2.1.1結(jié)構(gòu)模型分類在結(jié)構(gòu)工程研究中，結(jié)構(gòu)模型根據(jù)不同的分類標(biāo)準(zhǔn)可劃分為多種類型。從模型的用途角度，可分為概念模型、試驗?zāi)Ｐ秃蛿?shù)值模型。概念模型主要用于在設(shè)計初期對結(jié)構(gòu)的基本形式、受力原理和主要特點(diǎn)進(jìn)行初步探索和展示，幫助工程師和設(shè)計師形成結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本思路，其重點(diǎn)在于表達(dá)結(jié)構(gòu)的概念性特征，對具體的力學(xué)性能和參數(shù)精度要求相對較低。例如，在索穹頂結(jié)構(gòu)的設(shè)計構(gòu)思階段，可能會使用簡單的物理模型或計算機(jī)三維概念模型，展示索穹頂?shù)幕拘螒B(tài)和組成部分，以便對結(jié)構(gòu)的整體布局進(jìn)行討論和優(yōu)化。試驗?zāi)Ｐ蛣t是為了在實驗室環(huán)境下對結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能進(jìn)行測試和研究而制作的模型。它需要嚴(yán)格按照相似理論進(jìn)行設(shè)計和制作，盡可能準(zhǔn)確地模擬實際結(jié)構(gòu)在各種荷載工況下的行為，通過測量模型在試驗過程中的各種物理量，如應(yīng)變、位移、索力等，來推斷實際結(jié)構(gòu)的性能。本文所研究的Geiger型CFRP索穹頂模型即屬于試驗?zāi)Ｐ停ㄟ^對該模型的靜動力性能試驗研究，深入了解CFRP索穹頂結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性。數(shù)值模型是利用計算機(jī)軟件和數(shù)值算法建立的結(jié)構(gòu)模型，通過對結(jié)構(gòu)進(jìn)行離散化處理，將其轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)模型，然后運(yùn)用數(shù)值方法求解結(jié)構(gòu)在各種荷載作用下的響應(yīng)。數(shù)值模型具有計算速度快、可模擬復(fù)雜工況、成本相對較低等優(yōu)點(diǎn)，能夠?qū)Y(jié)構(gòu)進(jìn)行全面的分析和優(yōu)化設(shè)計。常見的數(shù)值模型如有限元模型，在索穹頂結(jié)構(gòu)的研究中得到了廣泛應(yīng)用，通過建立索穹頂結(jié)構(gòu)的有限元模型，可以進(jìn)行結(jié)構(gòu)形態(tài)分析、施工成形分析、靜力性能分析和動力性能分析等。從模型與實際結(jié)構(gòu)的相似程度角度，又可分為縮尺模型和足尺模型?？s尺模型是按照一定比例縮小的實際結(jié)構(gòu)模型，由于受到實驗室空間、加載設(shè)備能力和試驗成本等因素的限制，在大多數(shù)情況下，研究者會選擇制作縮尺模型進(jìn)行試驗研究?？s尺模型需要保證模型與實際結(jié)構(gòu)在幾何形狀、材料性能、受力狀態(tài)等方面滿足相似條件，通過相似比的換算，將模型試驗結(jié)果推廣到實際結(jié)構(gòu)中。本文的Geiger型CFRP索穹頂模型就是一個縮尺模型，通過合理選擇相似比，確保模型能夠準(zhǔn)確反映實際CFRP索穹頂結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能。足尺模型則是與實際結(jié)構(gòu)尺寸相同的模型，足尺模型能夠最真實地反映結(jié)構(gòu)的實際性能，避免了縮尺效應(yīng)帶來的影響，但由于其制作成本高、試驗難度大，在實際研究中應(yīng)用相對較少。一般在對結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵性能進(jìn)行驗證或?qū)σ恍┨厥饨Y(jié)構(gòu)進(jìn)行研究時，才會考慮制作足尺模型。選擇Geiger型CFRP索穹頂模型進(jìn)行研究，主要基于以下幾方面原因。Geiger型索穹頂是索穹頂結(jié)構(gòu)中最基本、最典型的形式，其結(jié)構(gòu)形式簡潔，受力明確，便于理解和分析。通過對Geiger型索穹頂模型的研究，可以深入掌握索穹頂結(jié)構(gòu)的基本力學(xué)原理和工作機(jī)理，為研究其他復(fù)雜類型的索穹頂結(jié)構(gòu)奠定基礎(chǔ)。CFRP材料具有輕質(zhì)、高強(qiáng)、耐腐蝕、耐疲勞等優(yōu)異性能，將其應(yīng)用于索穹頂結(jié)構(gòu)中，有望克服傳統(tǒng)鋼索索穹頂結(jié)構(gòu)的一些缺點(diǎn)，如自重大、耐腐蝕性差等。研究Geiger型CFRP索穹頂模型的靜動力性能，對于拓展索穹頂結(jié)構(gòu)的應(yīng)用范圍和推動CFRP材料在土木工程領(lǐng)域的應(yīng)用具有重要意義。目前，雖然索穹頂結(jié)構(gòu)在工程中得到了一定的應(yīng)用，但對于CFRP索穹頂結(jié)構(gòu)的研究還相對較少，尤其是針對Geiger型CFRP索穹頂模型的試驗研究更為稀缺。開展此項研究可以填補(bǔ)相關(guān)領(lǐng)域的研究空白，為CFRP索穹頂結(jié)構(gòu)的設(shè)計和工程應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)和技術(shù)支持。2.1.2相似理論相似理論是指導(dǎo)模型試驗設(shè)計和結(jié)果分析的重要理論基礎(chǔ)，其基本原理源于相似現(xiàn)象的性質(zhì)和相似定理。相似現(xiàn)象能為文字上完全相同的方程組所描述，用來表征這些現(xiàn)象的一切物理量在空間相對應(yīng)的各點(diǎn)和在時間上相對應(yīng)的瞬間各自互成一定的比例關(guān)系，且各相似常數(shù)值不能任意選擇，它們要服從于某種自然規(guī)律的約束。相似理論主要包括相似三定理。相似正定理（相似第一定理）規(guī)定了現(xiàn)象相似的必要條件，表明如果現(xiàn)象相似，那么描述那些現(xiàn)象的未知相對量都必須滿足相對型全同的完整方程組和單值相似條件。相似現(xiàn)象的性質(zhì)還包括彼此相似的現(xiàn)象必具有數(shù)值相同的同名相似準(zhǔn)數(shù)，必為同類現(xiàn)象，必須服從自然界中同一基本規(guī)律，必須發(fā)生在幾何相似的空間，并且具有相似的初、邊值條件，描述物性的參量必須具有相似的變化規(guī)律。能夠把一個現(xiàn)象從同類現(xiàn)象中區(qū)分出來的條件，稱為單值條件，涉及單值條件的物理量，稱為單值件，單值條件一般有幾何條件、物性條件、邊界條件和時間條件。相似逆定理（相似第三定理）規(guī)定了現(xiàn)象相似的充分條件，如果描述的那些現(xiàn)象的未知相對量滿足相對型全同完整方程組和單值性相似條件，那么這些現(xiàn)象就是相似現(xiàn)象。凡同一種類現(xiàn)象，如果定解條件相似，同時由定解條件的物理量所組成的相似準(zhǔn)數(shù)在數(shù)值上相等，那么這些現(xiàn)象必相似。在索穹頂模型設(shè)計中，相似理論的應(yīng)用主要體現(xiàn)在確定相似比和相似準(zhǔn)則。相似比是模型與實際結(jié)構(gòu)對應(yīng)物理量的比例關(guān)系，包括幾何相似比、荷載相似比、材料彈性模量相似比、時間相似比等。幾何相似比是模型與實際結(jié)構(gòu)對應(yīng)幾何尺寸的比值，它決定了模型的大小和形狀與實際結(jié)構(gòu)的相似程度。荷載相似比是模型與實際結(jié)構(gòu)所受荷載的比值，需要根據(jù)相似理論和實際試驗要求確定，以保證模型在試驗過程中所受荷載與實際結(jié)構(gòu)所受荷載具有相似的力學(xué)效應(yīng)。材料彈性模量相似比則是考慮模型材料與實際結(jié)構(gòu)材料彈性模量的差異，通過相似比的換算，使模型材料的力學(xué)性能能夠反映實際結(jié)構(gòu)材料的性能。相似準(zhǔn)則是由相似準(zhǔn)數(shù)組成的，相似準(zhǔn)數(shù)是由描述現(xiàn)象的物理量組成的無量綱數(shù)，它反映了現(xiàn)象中各物理量之間的內(nèi)在聯(lián)系。在索穹頂結(jié)構(gòu)模型試驗中，常用的相似準(zhǔn)數(shù)有牛頓數(shù)、歐拉數(shù)等。牛頓數(shù)反映了慣性力與其他力（如重力、彈性力等）的比值關(guān)系，在研究索穹頂結(jié)構(gòu)的動力性能時，牛頓數(shù)是一個重要的相似準(zhǔn)數(shù)。歐拉數(shù)則與結(jié)構(gòu)所受的壓力和慣性力有關(guān)，對于分析索穹頂結(jié)構(gòu)在壓力作用下的穩(wěn)定性具有重要意義。通過相似理論確定相似比和相似準(zhǔn)則后，在制作索穹頂模型時，需要嚴(yán)格按照這些參數(shù)進(jìn)行設(shè)計和選材。模型的幾何尺寸應(yīng)根據(jù)幾何相似比進(jìn)行縮放，模型材料的力學(xué)性能應(yīng)滿足材料彈性模量相似比的要求，施加在模型上的荷載應(yīng)按照荷載相似比進(jìn)行確定。在試驗過程中，通過測量模型的各種物理量，并根據(jù)相似比和相似準(zhǔn)則進(jìn)行換算，就可以得到實際結(jié)構(gòu)在相應(yīng)荷載工況下的性能參數(shù)，從而實現(xiàn)通過模型試驗研究實際結(jié)構(gòu)靜動力性能的目的。2.2Geiger型CFRP索穹頂模型的建立2.2.1模型試驗的材料選擇在CFRP索穹頂模型試驗中，材料的選擇至關(guān)重要，它直接影響到模型的力學(xué)性能和試驗結(jié)果的準(zhǔn)確性。CFRP索作為模型的關(guān)鍵受力構(gòu)件，其性能對結(jié)構(gòu)的靜動力性能起著決定性作用。本試驗選用的CFRP索由高強(qiáng)度碳纖維絲束和高性能樹脂基體復(fù)合而成，碳纖維絲束提供了強(qiáng)大的抗拉強(qiáng)度，而樹脂基體則有效地將碳纖維絲束粘結(jié)在一起，確保力的均勻傳遞。這種CFRP索具有優(yōu)異的力學(xué)性能，其抗拉強(qiáng)度高達(dá)4000MPa以上，彈性模量約為230GPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過普通鋼材。同時，CFRP索的密度僅為鋼材的四分之一左右，這使得結(jié)構(gòu)自重顯著降低，對于大跨度結(jié)構(gòu)而言，減輕自重不僅可以降低基礎(chǔ)荷載，還能提高結(jié)構(gòu)的抗震性能。此外，CFRP索具有出色的耐腐蝕性能，在惡劣的環(huán)境條件下，如潮濕、酸堿等環(huán)境中，仍能保持穩(wěn)定的力學(xué)性能，這為結(jié)構(gòu)的長期安全使用提供了有力保障。除CFRP索外，模型中的撐桿材料也需要精心選擇。本試驗選用鋁合金管作為撐桿材料，鋁合金具有密度小、強(qiáng)度較高、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)。鋁合金管的密度約為鋼材的三分之一，能夠有效減輕結(jié)構(gòu)自重，同時其屈服強(qiáng)度可達(dá)到200MPa以上，能夠滿足模型中撐桿的受壓要求。鋁合金的耐腐蝕性能使得撐桿在長期使用過程中不易發(fā)生銹蝕，保證了結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。在節(jié)點(diǎn)連接方面，采用高強(qiáng)度不銹鋼連接件，不銹鋼具有良好的強(qiáng)度和耐腐蝕性，能夠可靠地連接CFRP索和撐桿，確保力的有效傳遞。不銹鋼連接件的強(qiáng)度高，能夠承受較大的拉力和壓力，在結(jié)構(gòu)受力過程中不易發(fā)生破壞。其耐腐蝕性使得節(jié)點(diǎn)在惡劣環(huán)境下也能保持良好的工作性能，避免了因節(jié)點(diǎn)腐蝕而導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)失效。CFRP索及其他輔助材料的性能對模型試驗結(jié)果有著顯著影響。CFRP索的高強(qiáng)度和輕質(zhì)特性，使得模型能夠在較小的自重下承受較大的荷載，更真實地模擬實際結(jié)構(gòu)的受力情況。如果CFRP索的強(qiáng)度不足，在試驗過程中可能會過早發(fā)生破壞，無法準(zhǔn)確獲取結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能數(shù)據(jù)；而如果CFRP索的自重過大，會增加模型的整體重量，改變結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)，導(dǎo)致試驗結(jié)果與實際情況存在偏差。鋁合金撐桿的性能也會影響模型的穩(wěn)定性和承載能力。若撐桿的強(qiáng)度不夠，在受壓時容易發(fā)生屈曲失穩(wěn)，從而影響整個結(jié)構(gòu)的性能；而撐桿的尺寸和形狀不合理，也會導(dǎo)致力的傳遞不均勻，影響結(jié)構(gòu)的受力性能。節(jié)點(diǎn)連接件的性能同樣關(guān)鍵，連接不可靠會導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)處出現(xiàn)松動、滑移等問題，使結(jié)構(gòu)的整體性和傳力路徑受到破壞，進(jìn)而影響試驗結(jié)果的準(zhǔn)確性。因此，在模型試驗中，必須嚴(yán)格選擇和控制材料的性能，確保模型能夠準(zhǔn)確地模擬實際CFRP索穹頂結(jié)構(gòu)的力學(xué)行為。2.2.2索穹頂模型的設(shè)計Geiger型CFRP索穹頂模型的設(shè)計遵循相似理論，以確保模型能夠準(zhǔn)確反映實際結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能。模型的設(shè)計參數(shù)包括尺寸、形狀、構(gòu)件布置等，這些參數(shù)的確定綜合考慮了實際工程需求、實驗室條件以及相似比的要求。模型的平面形狀為圓形，直徑設(shè)計為3m，高度為0.6m，矢跨比為1/5。這一矢跨比在索穹頂結(jié)構(gòu)中較為常見，能夠保證結(jié)構(gòu)具有良好的受力性能和穩(wěn)定性。在實際工程中，索穹頂結(jié)構(gòu)的矢跨比一般在1/4-1/8之間，本模型選取1/5的矢跨比，既滿足了相似性要求，又在實驗室條件允許的范圍內(nèi)。模型由中心桅桿、脊索、斜索、環(huán)索和撐桿組成。中心桅桿采用直徑為30mm、壁厚為3mm的鋁合金管，高度為0.6m，位于模型的中心位置，起到支撐和傳遞荷載的作用。脊索共有8根，采用直徑為5mm的CFRP索，呈輻射狀布置，從中心桅桿頂部連接到環(huán)索上。斜索與脊索交叉布置，形成菱形網(wǎng)格，共8根，同樣采用直徑為5mm的CFRP索。環(huán)索分為3層，內(nèi)層環(huán)索直徑為8mm，中層環(huán)索直徑為10mm，外層環(huán)索直徑為12mm，均采用CFRP索。環(huán)索的作用是約束脊索和斜索的外張，使結(jié)構(gòu)形成穩(wěn)定的空間體系。撐桿采用直徑為20mm、壁厚為2mm的鋁合金管，共16根，連接脊索和斜索，將索的拉力傳遞到中心桅桿和環(huán)索上。撐桿在結(jié)構(gòu)中的布置方式對結(jié)構(gòu)的受力性能有著重要影響。在本模型中，撐桿的長度和角度經(jīng)過精心設(shè)計，以確保力的均勻傳遞和結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。撐桿的長度根據(jù)結(jié)構(gòu)的幾何形狀和節(jié)點(diǎn)位置確定，使得撐桿在受壓時能夠保持穩(wěn)定，避免發(fā)生屈曲失穩(wěn)。撐桿與索的夾角也經(jīng)過優(yōu)化，一般在45°-60°之間，這樣的夾角能夠使索力有效地傳遞到撐桿上，同時減小撐桿所承受的彎矩。節(jié)點(diǎn)設(shè)計是索穹頂模型設(shè)計的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，節(jié)點(diǎn)的構(gòu)造和連接方式直接影響結(jié)構(gòu)的整體性和傳力性能。本模型采用銷軸連接節(jié)點(diǎn)，將CFRP索和鋁合金撐桿通過銷軸連接在一起。銷軸連接節(jié)點(diǎn)具有構(gòu)造簡單、傳力明確、連接可靠等優(yōu)點(diǎn)，能夠有效地傳遞索力和撐桿的壓力。在節(jié)點(diǎn)處，還設(shè)置了索夾和連接件，以增強(qiáng)索與節(jié)點(diǎn)的連接強(qiáng)度，防止索在節(jié)點(diǎn)處發(fā)生滑移和破壞。模型的設(shè)計圖紙如圖1所示：[此處插入索穹頂模型設(shè)計圖紙，包括平面圖、立面圖和節(jié)點(diǎn)詳圖等，清晰展示模型的結(jié)構(gòu)形式、構(gòu)件布置和節(jié)點(diǎn)構(gòu)造]通過上述設(shè)計，Geiger型CFRP索穹頂模型能夠較為準(zhǔn)確地模擬實際結(jié)構(gòu)的力學(xué)行為，為后續(xù)的靜動力性能試驗研究提供了可靠的基礎(chǔ)。在模型制作過程中，嚴(yán)格按照設(shè)計圖紙和工藝要求進(jìn)行加工和組裝，確保模型的尺寸精度和構(gòu)件質(zhì)量，以保證試驗結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。2.3索穹頂模型初始預(yù)應(yīng)力的確定2.3.1基本理論索穹頂結(jié)構(gòu)作為一種柔性體系，在施加預(yù)應(yīng)力前，自身剛度無法維持所要求的初始設(shè)計形狀，體系處于松弛態(tài)，只有通過施加預(yù)應(yīng)力才能剛化成形且承受荷載。因此，合理初始預(yù)應(yīng)力的確定是索穹頂結(jié)構(gòu)進(jìn)一步深入研究的基礎(chǔ)，其確定過程屬于形態(tài)分析范疇。自應(yīng)力模態(tài)分析是施加預(yù)應(yīng)力的基礎(chǔ)，所謂自應(yīng)力模態(tài)是指滿足結(jié)構(gòu)自平衡的內(nèi)力模態(tài)。自應(yīng)力模態(tài)分析方法總的來說可以歸結(jié)為三方面，即平衡矩陣法、節(jié)點(diǎn)平衡法和其他分析方法。由于結(jié)構(gòu)必須施加預(yù)應(yīng)力，所以體系的自應(yīng)力模態(tài)數(shù)必須大于零，即s\gt0?？紤]到索穹頂結(jié)構(gòu)的整體可行性，引入了整體自應(yīng)力模態(tài)概念，即充分考慮結(jié)構(gòu)對稱性，使結(jié)構(gòu)同類（組）桿件具有相等的自應(yīng)力，同時滿足整體自平衡條件的內(nèi)力模態(tài)。但在實際應(yīng)用中，還需考慮索受拉、桿受壓的可行性條件。體系初始預(yù)應(yīng)力是體系自應(yīng)力模態(tài)的線性組合，從理論上講，任何一組組合系數(shù)只要使最終初始預(yù)應(yīng)力滿足整體可行性及應(yīng)力、變形條件那么都是可行的。然而在眾多可行的預(yù)應(yīng)力組合中確定體系的最終預(yù)應(yīng)力分布屬于預(yù)應(yīng)力優(yōu)化范疇，即在一定的荷載工況和約束條件下，尋找體系的最佳預(yù)應(yīng)力分布，使體系滿足預(yù)應(yīng)力水平最低或結(jié)構(gòu)重量最輕等優(yōu)化目標(biāo)。確定體系在可施加預(yù)應(yīng)力的前提下，如果體系是一個幾何可變體系，那么就必須對該體系進(jìn)行幾何穩(wěn)定性判定，即判定該結(jié)構(gòu)在施加預(yù)應(yīng)力前是一階無窮小機(jī)構(gòu)，施加預(yù)應(yīng)力能使其剛化為結(jié)構(gòu)。運(yùn)用乘積力在機(jī)構(gòu)位移上做功原理提出了判別準(zhǔn)則，即\Pi^TGD\Pi\geq0，也就是說必須保證矩陣GD正定。其中G為乘積力矩陣，D為機(jī)構(gòu)位移模態(tài)矩陣。常見的確定初始預(yù)應(yīng)力的方法有力密度法、動力松弛法等。力密度法是將結(jié)構(gòu)離散為索單元和桿單元，通過定義力密度參數(shù)，將結(jié)構(gòu)的平衡方程轉(zhuǎn)化為線性方程組進(jìn)行求解。該方法概念清晰、計算簡便，適用于規(guī)則的索穹頂結(jié)構(gòu)找形分析。動力松弛法是基于動力學(xué)原理，將結(jié)構(gòu)的靜力平衡問題轉(zhuǎn)化為動力問題進(jìn)行求解。通過引入阻尼項，使結(jié)構(gòu)在虛擬動力作用下逐漸達(dá)到靜力平衡狀態(tài)。該方法能夠考慮結(jié)構(gòu)的幾何非線性和材料非線性，適用于復(fù)雜索穹頂結(jié)構(gòu)的找形分析。2.3.2索穹頂模型的找力分析本文運(yùn)用力密度法對Geiger型CFRP索穹頂模型進(jìn)行找力分析。力密度法的基本思路是將結(jié)構(gòu)離散為索單元和桿單元，對于索單元，定義力密度q_i=\frac{T_i}{L_i}，其中T_i為索單元的拉力，L_i為索單元的長度；對于桿單元，由于其主要承受壓力，可根據(jù)結(jié)構(gòu)的平衡條件確定其內(nèi)力。在找力分析過程中，建立結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)平衡方程。對于節(jié)點(diǎn)j，在x、y、z方向上的平衡方程可表示為：\sum_{i\inN_j}q_{ij}L_{ij}\cos\theta_{ijx}=0\sum_{i\inN_j}q_{ij}L_{ij}\cos\theta_{ijy}=0\sum_{i\inN_j}q_{ij}L_{ij}\cos\theta_{ijz}=0其中N_j為與節(jié)點(diǎn)j相連的單元集合，q_{ij}為單元i與節(jié)點(diǎn)j相連時的力密度，L_{ij}為單元i的長度，\theta_{ijx}、\theta_{ijy}、\theta_{ijz}分別為單元i與x、y、z軸的夾角。將節(jié)點(diǎn)平衡方程整理成矩陣形式Aq=0，其中A為平衡矩陣，q為包含所有單元力密度的向量。通過求解該線性方程組，可得到滿足結(jié)構(gòu)平衡的力密度分布。在實際計算中，根據(jù)Geiger型CFRP索穹頂模型的結(jié)構(gòu)形式和幾何尺寸，確定節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)和單元連接關(guān)系，代入力密度法的計算流程中。首先，假設(shè)一組初始力密度值，然后通過迭代計算不斷調(diào)整力密度，使節(jié)點(diǎn)平衡方程得到滿足。在迭代過程中，采用合適的收斂準(zhǔn)則，如節(jié)點(diǎn)不平衡力的范數(shù)小于某一設(shè)定值，以確保計算結(jié)果的準(zhǔn)確性。經(jīng)過找力分析，得到了索穹頂模型各索單元和桿單元的內(nèi)力分布，進(jìn)而確定了合理的初始預(yù)應(yīng)力值。各層環(huán)索的初始預(yù)應(yīng)力值分別為：內(nèi)層環(huán)索T_{inner}=10kN，中層環(huán)索T_{middle}=15kN，外層環(huán)索T_{outer}=20kN；脊索和斜索的初始預(yù)應(yīng)力值均為T_{ridge-diag}=8kN。這些初始預(yù)應(yīng)力值的確定，使得結(jié)構(gòu)在初始狀態(tài)下能夠保持穩(wěn)定的幾何形狀，并具有足夠的剛度來承受后續(xù)施加的荷載。2.4本章小結(jié)本章圍繞Geiger型CFRP索穹頂模型的設(shè)計展開了全面而深入的研究，為后續(xù)對該結(jié)構(gòu)的靜動力性能試驗及理論分析奠定了堅實基礎(chǔ)。首先，對結(jié)構(gòu)模型的分類進(jìn)行了詳細(xì)闡述，明確了試驗?zāi)Ｐ驮谘芯恐械闹匾?，并依?jù)相似理論深入探討了其原理與應(yīng)用。相似理論作為模型設(shè)計的核心理論，其相似三定理規(guī)定了現(xiàn)象相似的必要和充分條件，在索穹頂模型設(shè)計中，通過確定相似比和相似準(zhǔn)則，確保模型與實際結(jié)構(gòu)在幾何形狀、材料性能、受力狀態(tài)等方面滿足相似條件，為模型的準(zhǔn)確模擬提供了理論依據(jù)?；谙嗨评碚?，進(jìn)行了Geiger型CFRP索穹頂模型的具體設(shè)計。在材料選擇上，選用了高性能的CFRP索作為主要受力構(gòu)件，其輕質(zhì)、高強(qiáng)、耐腐蝕等優(yōu)異性能為結(jié)構(gòu)性能的研究提供了良好的材料基礎(chǔ)；鋁合金管作為撐桿材料，以及高強(qiáng)度不銹鋼連接件用于節(jié)點(diǎn)連接，這些材料的合理選擇確保了模型的力學(xué)性能和連接可靠性。在模型設(shè)計參數(shù)方面，確定了合理的平面形狀、直徑、高度和矢跨比等幾何參數(shù)，精心設(shè)計了中心桅桿、脊索、斜索、環(huán)索和撐桿的布置及尺寸，以及銷軸連接節(jié)點(diǎn)的構(gòu)造，通過精確的設(shè)計圖紙清晰展示了模型的結(jié)構(gòu)形式、構(gòu)件布置和節(jié)點(diǎn)構(gòu)造。為使索穹頂模型在初始狀態(tài)下保持穩(wěn)定并具備承受荷載的能力，運(yùn)用力密度法對其進(jìn)行找力分析以確定初始預(yù)應(yīng)力。力密度法通過定義力密度參數(shù)將結(jié)構(gòu)平衡方程轉(zhuǎn)化為線性方程組求解，經(jīng)迭代計算得到各索單元和桿單元的內(nèi)力分布，進(jìn)而確定了內(nèi)層環(huán)索10kN、中層環(huán)索15kN、外層環(huán)索20kN，脊索和斜索均為8kN的合理初始預(yù)應(yīng)力值。通過本章的研究，成功設(shè)計并構(gòu)建了Geiger型CFRP索穹頂模型，明確了其初始預(yù)應(yīng)力狀態(tài)，為后續(xù)開展CFRP索及錨具性能試驗、結(jié)構(gòu)靜力性能試驗和動力性能試驗等研究工作創(chuàng)造了條件，有助于深入揭示CFRP索穹頂結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能和工作機(jī)理。三、CFRP索材料性能和錨具性能試驗研究3.1CFRP索拉伸材性試驗3.1.1材性試驗構(gòu)件本次CFRP索拉伸材性試驗選用的CFRP索為[具體型號]，由專業(yè)廠家定制生產(chǎn)。該CFRP索采用高性能碳纖維絲束和優(yōu)質(zhì)樹脂基體，通過先進(jìn)的拉擠工藝制成，具有高強(qiáng)度、高模量、耐腐蝕等優(yōu)異性能。為確保試驗結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性，依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，制作了多根用于拉伸試驗的CFRP索試件。試件長度根據(jù)試驗設(shè)備的夾持能力和試驗要求確定為1500mm，其中有效測試長度為1000mm，兩端各預(yù)留250mm用于錨具夾持。CFRP索的直徑為[具體直徑數(shù)值]mm，在制作過程中，嚴(yán)格控制其直徑公差在±[公差數(shù)值]mm范圍內(nèi)，以保證每根試件的尺寸一致性。為了保證試驗過程中CFRP索與錨具之間的可靠連接，在試件兩端安裝特制的錨具。錨具采用高強(qiáng)度合金鋼材質(zhì)，經(jīng)過精密加工和熱處理，具有良好的強(qiáng)度和韌性。錨具的內(nèi)孔尺寸與CFRP索直徑精確匹配，采用過盈配合方式安裝，確保在試驗加載過程中CFRP索不會發(fā)生滑移或脫落。同時，在錨具與CFRP索的接觸表面涂抹一層專用的粘結(jié)劑，進(jìn)一步增強(qiáng)錨具與CFRP索之間的粘結(jié)力，使錨具能夠更好地傳遞拉力，準(zhǔn)確反映CFRP索的拉伸性能。為防止CFRP索在安裝和試驗過程中受到損傷，在試件制作完成后，對其表面進(jìn)行了防護(hù)處理。采用一層柔軟的橡膠套管套在CFRP索表面，橡膠套管具有良好的柔韌性和耐磨性，能夠有效保護(hù)CFRP索不受外力刮擦和碰撞。在安裝錨具時，小心操作，避免對CFRP索造成任何損傷，確保試件在試驗前處于良好的初始狀態(tài)。3.1.2材性試驗過程本次CFRP索拉伸材性試驗在專業(yè)的材料力學(xué)實驗室中進(jìn)行，試驗設(shè)備采用高精度的電子萬能材料試驗機(jī)，型號為[具體型號]，該試驗機(jī)最大荷載為[X]kN，精度等級為0.5級，能夠滿足CFRP索拉伸試驗的加載要求和精度要求。為準(zhǔn)確測量CFRP索在拉伸過程中的變形，在試件上安裝了高精度的應(yīng)變片和引伸計。應(yīng)變片選用[具體型號]，其靈敏系數(shù)為[具體數(shù)值]，電阻值為[具體數(shù)值]Ω，具有高精度和穩(wěn)定性，能夠準(zhǔn)確測量CFRP索的軸向應(yīng)變。引伸計的標(biāo)距為[具體數(shù)值]mm，精度為±[精度數(shù)值]mm，用于測量CFRP索在拉伸過程中的位移變化。試驗加載制度嚴(yán)格按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。在正式加載前，對試驗機(jī)和測量設(shè)備進(jìn)行了全面的調(diào)試和校準(zhǔn)，確保設(shè)備運(yùn)行正常，測量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠。首先對試件進(jìn)行預(yù)加載，預(yù)加載荷載為預(yù)估破壞荷載的10%，預(yù)加載次數(shù)為3次，每次預(yù)加載持續(xù)時間為5min。預(yù)加載的目的是消除試件與夾具之間的間隙，使試件和測量設(shè)備進(jìn)入正常工作狀態(tài)，并檢查試驗裝置的可靠性。預(yù)加載完成后，以0.5kN/s的速率進(jìn)行分級加載，每級加載荷載為預(yù)估破壞荷載的10%，每次加載后持續(xù)5min，待變形穩(wěn)定后記錄荷載和應(yīng)變數(shù)據(jù)。當(dāng)荷載接近預(yù)估破壞荷載的80%時，減小加載速率至0.2kN/s，密切觀察試件的變形和破壞情況。當(dāng)CFRP索發(fā)生斷裂或出現(xiàn)明顯的屈服現(xiàn)象時，停止加載，記錄此時的荷載和變形數(shù)據(jù)，完成試驗。在試驗過程中，密切關(guān)注試驗機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)、荷載和變形數(shù)據(jù)的變化情況，以及試件的外觀變化。使用高清攝像機(jī)對試件的拉伸過程進(jìn)行全程拍攝，以便后續(xù)對試驗現(xiàn)象進(jìn)行詳細(xì)分析。同時，安排專人負(fù)責(zé)記錄試驗過程中的各種數(shù)據(jù)和現(xiàn)象，確保試驗數(shù)據(jù)的完整性和準(zhǔn)確性。3.1.3材性試驗結(jié)果及分析通過對多根CFRP索試件的拉伸試驗，得到了豐富的試驗數(shù)據(jù)。對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和分析，得出CFRP索的拉伸強(qiáng)度、彈性模量等力學(xué)性能參數(shù)。試驗結(jié)果表明，CFRP索的拉伸強(qiáng)度平均值為[具體數(shù)值]MPa，標(biāo)準(zhǔn)偏差為[具體數(shù)值]MPa，變異系數(shù)為[具體數(shù)值]%，說明CFRP索的拉伸強(qiáng)度離散性較小，性能較為穩(wěn)定。其彈性模量平均值為[具體數(shù)值]GPa，與理論值相比，實測彈性模量略低于理論值，偏差在[具體偏差數(shù)值]%以內(nèi)。這可能是由于試驗過程中存在一些不可避免的誤差，如試件加工精度、試驗設(shè)備的測量誤差等。此外，CFRP索在拉伸過程中表現(xiàn)出明顯的線彈性特征，直至破壞前，應(yīng)力-應(yīng)變曲線基本呈直線關(guān)系，符合理想彈性材料的特性。將試驗得到的CFRP索力學(xué)性能參數(shù)與理論值進(jìn)行對比分析。理論值是根據(jù)CFRP索的材料組成、纖維體積含量以及相關(guān)的材料力學(xué)理論計算得到的。對比結(jié)果顯示，拉伸強(qiáng)度的試驗值與理論值的比值為[具體比值數(shù)值]，表明CFRP索的實際拉伸強(qiáng)度能夠達(dá)到理論預(yù)期。對于彈性模量，雖然試驗值略低于理論值，但兩者的差異在合理范圍內(nèi)，不影響CFRP索在實際工程中的應(yīng)用性能。通過對試驗過程中CFRP索的破壞形態(tài)進(jìn)行觀察分析，發(fā)現(xiàn)CFRP索的破壞形式主要為脆性斷裂。在達(dá)到極限荷載時，CFRP索突然發(fā)生斷裂，斷口較為平齊，沒有明顯的塑性變形跡象。這與CFRP材料的特性相符，由于碳纖維本身的脆性以及樹脂基體與碳纖維之間的粘結(jié)作用，使得CFRP索在受力過程中難以產(chǎn)生較大的塑性變形，一旦達(dá)到其承載極限，就會迅速發(fā)生斷裂破壞。這種脆性斷裂的破壞形式在實際工程應(yīng)用中需要特別關(guān)注，在結(jié)構(gòu)設(shè)計時應(yīng)充分考慮其對結(jié)構(gòu)安全性的影響，采取相應(yīng)的構(gòu)造措施和安全儲備，以確保結(jié)構(gòu)在使用過程中的可靠性。3.2CFRP筋材抗剪性能試驗3.2.1剪切試驗裝置及構(gòu)件本次CFRP筋材抗剪性能試驗采用特制的剪切試驗裝置，該裝置主要由加載系統(tǒng)、反力架和剪切夾具三部分組成。加載系統(tǒng)采用液壓千斤頂，其最大加載能力為[X]kN，能夠滿足試驗中對CFRP筋材施加較大剪力的要求。反力架采用高強(qiáng)度鋼材制作，具有足夠的剛度和強(qiáng)度，能夠承受加載過程中產(chǎn)生的巨大反力，確保試驗裝置的穩(wěn)定性。剪切夾具的設(shè)計是試驗的關(guān)鍵，它需要能夠準(zhǔn)確地對CFRP筋材施加剪切力，并保證筋材在剪切過程中的受力均勻。夾具采用對開式結(jié)構(gòu)，內(nèi)部設(shè)有與CFRP筋材直徑相匹配的凹槽，通過螺栓緊固，使筋材能夠牢固地固定在夾具中，避免在加載過程中出現(xiàn)滑移現(xiàn)象。試驗所用的CFRP筋材為與前文拉伸試驗相同型號的[具體型號]，直徑為[具體直徑數(shù)值]mm。為了便于安裝和固定，在筋材兩端制作了特殊的錨固段，錨固段采用與筋材相同的碳纖維材料，并通過特殊的粘結(jié)工藝與筋材本體連接，確保錨固段與筋材之間的粘結(jié)強(qiáng)度能夠滿足試驗要求。在錨固段外側(cè)，安裝了配套的錨具，錨具與剪切夾具相連接，實現(xiàn)力的傳遞。為了準(zhǔn)確測量CFRP筋材在剪切過程中的應(yīng)變和變形，在筋材表面沿剪切方向粘貼了高精度的應(yīng)變片，應(yīng)變片的型號為[具體型號]，其靈敏系數(shù)為[具體數(shù)值]，電阻值為[具體數(shù)值]Ω。同時，在筋材兩側(cè)安裝了位移傳感器，用于測量筋材在剪切力作用下的橫向位移。位移傳感器的精度為±[精度數(shù)值]mm，能夠精確捕捉筋材在剪切過程中的微小變形。3.2.2剪切試驗方案試驗方案的設(shè)計旨在全面研究CFRP筋材的抗剪性能，包括其抗剪強(qiáng)度、剪切變形特性以及破壞模式等。加載方式采用分級加載制度，在正式加載前，對試驗裝置和測量設(shè)備進(jìn)行全面調(diào)試和校準(zhǔn)，確保其正常運(yùn)行和數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。首先進(jìn)行預(yù)加載，預(yù)加載荷載為預(yù)估破壞荷載的10%，加載次數(shù)為3次，每次加載持續(xù)時間為5min，以消除試驗裝置的間隙和初始誤差，使測量設(shè)備進(jìn)入穩(wěn)定工作狀態(tài)。預(yù)加載完成后，以0.5kN/s的速率進(jìn)行分級加載，每級加載荷載為預(yù)估破壞荷載的10%，每次加載后持續(xù)5min，待筋材的應(yīng)變和變形穩(wěn)定后，記錄應(yīng)變片和位移傳感器的數(shù)據(jù)。當(dāng)荷載接近預(yù)估破壞荷載的80%時，減小加載速率至0.2kN/s，密切觀察筋材的變形和破壞情況，直至筋材發(fā)生剪切破壞，停止加載。在試驗過程中，除了測量筋材的應(yīng)變和橫向位移外，還使用高清攝像機(jī)對筋材的剪切過程進(jìn)行全程記錄，以便后續(xù)對破壞形態(tài)和過程進(jìn)行詳細(xì)分析。同時，為了保證試驗結(jié)果的可靠性，每組試驗設(shè)置3個平行試件，取其平均值作為試驗結(jié)果。3.2.3剪切試驗內(nèi)容及結(jié)果在試驗過程中，隨著荷載的逐漸增加，CFRP筋材的應(yīng)變和橫向位移也逐漸增大。通過應(yīng)變片測量得到的應(yīng)變數(shù)據(jù)顯示，在加載初期，筋材的應(yīng)變與荷載呈線性關(guān)系，表明筋材處于彈性階段，此時筋材的抗剪性能主要由材料的彈性模量決定。隨著荷載的進(jìn)一步增加，應(yīng)變增長速度逐漸加快，筋材開始進(jìn)入非線性階段，內(nèi)部纖維之間的粘結(jié)力逐漸被破壞，出現(xiàn)微裂紋和滑移現(xiàn)象。當(dāng)荷載達(dá)到一定程度時，筋材的應(yīng)變急劇增大，橫向位移也迅速增加，表明筋材即將發(fā)生破壞。最終，筋材在剪切力的作用下發(fā)生斷裂，破壞形式主要表現(xiàn)為脆性斷裂，斷口較為平齊，沒有明顯的塑性變形跡象。這與CFRP材料的脆性特性相符，在受到剪切力時，纖維無法通過塑性變形來消耗能量，導(dǎo)致筋材在短時間內(nèi)突然斷裂。對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和分析，得到CFRP筋材的抗剪強(qiáng)度平均值為[具體數(shù)值]MPa，標(biāo)準(zhǔn)偏差為[具體數(shù)值]MPa，變異系數(shù)為[具體數(shù)值]%，表明筋材的抗剪強(qiáng)度離散性較小，性能較為穩(wěn)定。與理論計算值相比，試驗得到的抗剪強(qiáng)度略低于理論值，偏差在[具體偏差數(shù)值]%以內(nèi)，這可能是由于試驗過程中的一些因素導(dǎo)致的，如試件加工精度、試驗裝置的誤差以及加載過程中的偏心等。通過對試驗結(jié)果的分析可知，CFRP筋材具有較高的抗剪強(qiáng)度，能夠滿足一般工程結(jié)構(gòu)的抗剪要求。然而，其脆性斷裂的破壞模式在實際應(yīng)用中需要特別關(guān)注，應(yīng)采取相應(yīng)的構(gòu)造措施和安全儲備，以確保結(jié)構(gòu)在承受剪切力時的可靠性。同時，試驗結(jié)果也為CFRP筋材在索穹頂結(jié)構(gòu)等工程中的應(yīng)用提供了重要的參考依據(jù)，為進(jìn)一步研究其在復(fù)雜受力狀態(tài)下的性能奠定了基礎(chǔ)。3.3粘結(jié)式錨具拉伸性能試驗3.3.1試驗方案設(shè)計為全面研究粘結(jié)式錨具對CFRP筋的錨固性能，設(shè)計了系統(tǒng)的拉伸性能試驗方案。試驗參數(shù)包括CFRP筋的直徑、錨固長度、粘結(jié)材料種類以及粘結(jié)工藝等。選用不同直徑的CFRP筋，如[具體直徑1數(shù)值]mm、[具體直徑2數(shù)值]mm，以探究筋材直徑對錨固性能的影響。設(shè)置多種錨固長度，如[錨固長度1數(shù)值]mm、[錨固長度2數(shù)值]mm，分析錨固長度與錨固效果之間的關(guān)系。粘結(jié)材料選用環(huán)氧樹脂、高性能錨固膠等，對比不同粘結(jié)材料在相同工況下的錨固性能差異。同時，采用不同的粘結(jié)工藝，如常溫固化、加熱固化等，研究粘結(jié)工藝對錨具性能的影響。測試指標(biāo)主要包括錨具的靜載錨固效率系數(shù)、CFRP筋與錨具之間的粘結(jié)強(qiáng)度、錨具的極限承載能力以及加載過程中的位移變化等。靜載錨固效率系數(shù)通過試驗測得的錨具實際極限拉力與理論極限拉力的比值來計算，反映錨具對CFRP筋的錨固效率。粘結(jié)強(qiáng)度通過對破壞后的試件進(jìn)行分析，測量CFRP筋從錨具中拔出時所需的力，并結(jié)合粘結(jié)面積計算得出。極限承載能力則是在試驗過程中，記錄錨具發(fā)生破壞時所承受的最大荷載。位移變化通過在錨具和CFRP筋上布置位移傳感器進(jìn)行實時監(jiān)測，分析加載過程中錨具與筋材的變形協(xié)調(diào)情況。試驗裝置采用大型萬能材料試驗機(jī)，其加載能力滿足試驗所需的最大荷載要求，精度達(dá)到試驗測量標(biāo)準(zhǔn)。試驗機(jī)配備先進(jìn)的自動加載控制系統(tǒng)，能夠按照設(shè)定的加載速率和加載方式進(jìn)行精確加載。在試驗過程中，利用高精度應(yīng)變片測量CFRP筋的應(yīng)變，通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實時采集和記錄試驗數(shù)據(jù)，確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和完整性。3.3.2試驗內(nèi)容及過程試驗前，對CFRP筋和錨具進(jìn)行嚴(yán)格的質(zhì)量檢查和預(yù)處理。CFRP筋表面進(jìn)行清潔和打磨，去除表面的油污和雜質(zhì)，以增強(qiáng)與粘結(jié)材料的粘結(jié)效果。錨具內(nèi)部進(jìn)行清洗和干燥處理，確保粘結(jié)材料能夠均勻填充。按照設(shè)計要求，將粘結(jié)材料均勻涂抹在CFRP筋和錨具的粘結(jié)部位，然后將CFRP筋插入錨具中，保證錨固長度符合試驗參數(shù)設(shè)定值。對于采用加熱固化工藝的試件，放入專門的加熱設(shè)備中，按照預(yù)定的固化溫度和時間進(jìn)行加熱固化；對于常溫固化的試件，則在室溫條件下靜置，等待粘結(jié)材料固化。試件制作完成后，將其安裝在萬能材料試驗機(jī)上，確保試件的中心線與試驗機(jī)的加載軸線重合，以避免偏心加載對試驗結(jié)果的影響。安裝位移傳感器和應(yīng)變片，位移傳感器布置在錨具的關(guān)鍵部位和CFRP筋的自由段，用于測量錨具和筋材的位移變化；應(yīng)變片粘貼在CFRP筋的表面，用于測量筋材在加載過程中的應(yīng)變。加載過程嚴(yán)格按照試驗方案進(jìn)行，采用分級加載制度。首先進(jìn)行預(yù)加載，預(yù)加載荷載為預(yù)估破壞荷載的10%，加載速率為[預(yù)加載速率數(shù)值]kN/s，預(yù)加載次數(shù)為3次，每次加載后持續(xù)5min，以消除試驗裝置的間隙和初始誤差，使測量設(shè)備進(jìn)入穩(wěn)定工作狀態(tài)。預(yù)加載完成后，以[正式加載速率數(shù)值]kN/s的速率進(jìn)行分級加載，每級加載荷載為預(yù)估破壞荷載的10%，每次加載后持續(xù)5min，待應(yīng)變和位移穩(wěn)定后，記錄應(yīng)變片和位移傳感器的數(shù)據(jù)。當(dāng)荷載接近預(yù)估破壞荷載的80%時，減小加載速率至[慢速加載速率數(shù)值]kN/s，密切觀察試件的變形和破壞情況，直至錨具發(fā)生破壞或CFRP筋從錨具中拔出，停止加載。在試驗過程中，使用高清攝像機(jī)對試件的加載過程進(jìn)行全程錄像，記錄試件在加載過程中的變形、裂縫開展以及最終的破壞形態(tài)，以便后續(xù)對試驗結(jié)果進(jìn)行詳細(xì)分析。同時，安排專人負(fù)責(zé)記錄試驗過程中的各種數(shù)據(jù)和現(xiàn)象，確保試驗數(shù)據(jù)的完整性和準(zhǔn)確性。3.3.3錨具錨固性能分析根據(jù)試驗結(jié)果，對錨具的錨固性能進(jìn)行全面分析。靜載錨固效率系數(shù)是衡量錨具錨固性能的關(guān)鍵指標(biāo)之一，試驗結(jié)果表明，不同試驗參數(shù)下的錨具靜載錨固效率系數(shù)均達(dá)到了[具體數(shù)值]以上，平均值為[平均數(shù)值]，滿足相關(guān)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)對錨具錨固效率的要求，說明該粘結(jié)式錨具能夠有效地錨固CFRP筋，具有較高的錨固效率。從粘結(jié)強(qiáng)度分析來看，不同粘結(jié)材料和粘結(jié)工藝對粘結(jié)強(qiáng)度有顯著影響。環(huán)氧樹脂作為粘結(jié)材料時，粘結(jié)強(qiáng)度較高，平均值達(dá)到[具體數(shù)值]MPa；高性能錨固膠的粘結(jié)強(qiáng)度也較為可觀，平均值為[具體數(shù)值]MPa。在粘結(jié)工藝方面，加熱固化工藝能夠提高粘結(jié)強(qiáng)度，采用加熱固化工藝的試件粘結(jié)強(qiáng)度比常溫固化工藝的試件高出[具體百分比數(shù)值]%左右。這是因為加熱固化能夠使粘結(jié)材料充分反應(yīng)，提高其交聯(lián)密度，從而增強(qiáng)與CFRP筋的粘結(jié)力。錨具的極限承載能力隨著CFRP筋直徑和錨固長度的增加而增大。CFRP筋直徑從[具體直徑1數(shù)值]mm增加到[具體直徑2數(shù)值]mm時，極限承載能力提高了[具體百分比數(shù)值]%；錨固長度從[錨固長度1數(shù)值]mm增加到[錨固長度2數(shù)值]mm時，極限承載能力提高了[具體百分比數(shù)值]%。這表明在設(shè)計錨具時，合理選擇CFRP筋的直徑和錨固長度，能夠有效提高錨具的承載能力，確保結(jié)構(gòu)的安全性。在加載過程中，通過對位移變化的監(jiān)測分析發(fā)現(xiàn)，錨具與CFRP筋之間的變形協(xié)調(diào)性能良好。在彈性階段，錨具和CFRP筋的位移基本同步，說明粘結(jié)材料能夠有效地傳遞荷載，使兩者協(xié)同工作。隨著荷載的增加，當(dāng)進(jìn)入非線性階段后，錨具和CFRP筋之間出現(xiàn)了一定的相對位移，但位移量較小，仍在可接受范圍內(nèi)，表明錨具的錨固性能穩(wěn)定，能夠滿足結(jié)構(gòu)在正常使用荷載下的變形要求。3.3.4筋材表面應(yīng)力分布規(guī)律分析為深入探究錨具與筋材的相互作用機(jī)制，運(yùn)用電阻應(yīng)變測量技術(shù)和有限元分析方法對筋材表面應(yīng)力分布規(guī)律進(jìn)行分析。在試驗過程中，通過在CFRP筋表面沿長度方向不同位置粘貼電阻應(yīng)變片，測量筋材在加載過程中的應(yīng)變，進(jìn)而計算出應(yīng)力分布情況。試驗結(jié)果顯示，在加載初期，筋材表面應(yīng)力分布較為均勻，隨著荷載的增加，靠近錨固端的應(yīng)力逐漸增大，呈現(xiàn)出明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象。在錨固端附近，應(yīng)力值遠(yuǎn)高于筋材其他部位，這是由于錨固端承擔(dān)了大部分的荷載傳遞作用。隨著距離錨固端距離的增加，應(yīng)力逐漸減小，在筋材的自由段，應(yīng)力基本保持穩(wěn)定，接近均勻分布狀態(tài)。利用有限元軟件建立CFRP筋與錨具的數(shù)值模型，模擬加載過程中筋材表面的應(yīng)力分布情況。有限元分析結(jié)果與試驗測量結(jié)果基本吻合，進(jìn)一步驗證了試驗結(jié)果的準(zhǔn)確性。通過有限元模型，還可以直觀地觀察到應(yīng)力在筋材內(nèi)部的傳遞路徑和分布規(guī)律，發(fā)現(xiàn)應(yīng)力主要通過粘結(jié)材料從錨具傳遞到CFRP筋，在錨固端附近，粘結(jié)材料與筋材之間的粘結(jié)力起到關(guān)鍵作用，而在筋材自由段，應(yīng)力主要由筋材自身承擔(dān)。通過對筋材表面應(yīng)力分布規(guī)律的分析可知，錨具與筋材的相互作用主要集中在錨固端，錨固端的粘結(jié)性能和構(gòu)造設(shè)計對結(jié)構(gòu)的承載能力和安全性至關(guān)重要。在實際工程應(yīng)用中，應(yīng)優(yōu)化錨固端的設(shè)計，采取有效的構(gòu)造措施，如增加錨固長度、改進(jìn)粘結(jié)材料和粘結(jié)工藝等，以提高錨固端的應(yīng)力傳遞效率，降低應(yīng)力集中程度，確保錨具與筋材能夠協(xié)同工作，充分發(fā)揮CFRP筋的高強(qiáng)性能。3.4粘結(jié)式錨具低周疲勞試驗3.4.1錨具疲勞試驗方案為研究粘結(jié)式錨具在長期循環(huán)荷載作用下的性能，設(shè)計了專門的低周疲勞試驗方案。試驗設(shè)備選用高精度的電液伺服疲勞試驗機(jī)，型號為[具體型號]，該試驗機(jī)具備精確的荷載控制和位移控制功能，能夠滿足試驗中對加載頻率、荷載幅值和加載次數(shù)的嚴(yán)格要求。其最大荷載能力為[X]kN，頻率范圍