光纖自傳感混雜BFRP張弦梁力學(xué)性能優(yōu)化及自監(jiān)測研究

光纖自傳感BFRP張弦梁因其張弦結(jié)構(gòu)形式的簡潔、空間受力性能的優(yōu)越，玄武巖纖維增強(qiáng)材料（BFRP）耐候性能的良好、性價比較高等突出優(yōu)點成為結(jié)構(gòu)工程研究的重要內(nèi)容。本項目旨在開展張弦梁結(jié)構(gòu)形態(tài)與力學(xué)性能間相關(guān)性及優(yōu)化設(shè)計方法的研究，以及此類大跨預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)在材料的可替換性、耐候性與結(jié)構(gòu)的智能自監(jiān)測性能的探索。為此，先后進(jìn)行了基于平衡荷載態(tài)的優(yōu)化理論模型研究，確立了形狀優(yōu)化后的張弦梁結(jié)構(gòu)整體優(yōu)化方法并分析各類結(jié)構(gòu)參數(shù)對結(jié)構(gòu)受力的影響規(guī)律。系統(tǒng)研究了以雙向張弦梁為代表的結(jié)構(gòu)失效機(jī)制、彈塑性承載力的各影響參數(shù)以及構(gòu)件安全性和結(jié)構(gòu)整體性之間的力學(xué)響應(yīng)關(guān)系。研究了光纖自傳感混雜BFRP索的力學(xué)性能。基于索的等應(yīng)變受力，試驗?zāi)M不同配比的光纖自傳感混雜BFRP索的張拉受力過程，揭示了混雜BFRP索的力學(xué)性能特征以及其中不同材料間的受力差異和協(xié)同工作性，探討了光纖傳感器在預(yù)應(yīng)力索中的適用性?；贐FRP光纖傳感器的制備可行性，提出了光纖自傳感混雜BFRP張弦梁基于力學(xué)性能和耐久性的設(shè)計方法。本研究有助于實現(xiàn)一種智能自傳感預(yù)應(yīng)力張弦結(jié)構(gòu)，完美地將結(jié)構(gòu)構(gòu)件的力學(xué)性能和智能自監(jiān)測性能綜合高效地結(jié)合，對結(jié)構(gòu)從施工到運營的整體監(jiān)控以及災(zāi)后加固等具有重要意義。 2100433B

隨著建筑功能對結(jié)構(gòu)跨度、荷載能力以及安全智能化控制需求的不斷提高，張弦梁結(jié)構(gòu)的優(yōu)越性日益凸顯。本課題基于形狀優(yōu)化和彈塑性極限承載力分析，提出一種新型光纖自傳感混雜BFRP張弦梁，并對其力學(xué)響應(yīng)及自監(jiān)測性能進(jìn)行了研究。主要研究包括：1)由連續(xù)化理論，基于數(shù)值分析提出基于形狀優(yōu)化的各類張弦梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法，并利用數(shù)值模擬和實測數(shù)據(jù)獲取張弦梁結(jié)構(gòu)施工和使用階段內(nèi)力與變形的分布規(guī)律及特點；2)基于彈塑性分析對張弦梁結(jié)構(gòu)關(guān)鍵構(gòu)件局部損傷評價方法進(jìn)行研究。對突發(fā)事件下部分梁索單元失效后的結(jié)構(gòu)響應(yīng)演化規(guī)律進(jìn)行分析，確定張弦梁結(jié)構(gòu)的受力敏感區(qū)域位置；3)基于分布式光纖傳感的特性，提出將光纖復(fù)合進(jìn)BFRP材料制備自傳感混雜BFRP索和片材,實現(xiàn)梁索單元自監(jiān)測。利用自監(jiān)測的單元應(yīng)變信息，結(jié)合纖維模型理論和應(yīng)變模態(tài)分析理論，提出局部損傷識別和結(jié)構(gòu)損傷評價方法，為張弦結(jié)構(gòu)的設(shè)計和安全評估提出重要依據(jù)。

預(yù)應(yīng)力張弦梁結(jié)構(gòu)是由剛性上弦、預(yù)應(yīng)力拉索及腹桿連接形成的混合雜交自平衡結(jié)構(gòu)體系，結(jié)構(gòu)受力合理，自重輕，近年來廣泛應(yīng)用于大跨結(jié)構(gòu)屋蓋體系中。然而，由于結(jié)構(gòu)中存在預(yù)應(yīng)力，拉索錨固節(jié)點鑄體材料熔點低，且高溫下預(yù)應(yīng)力索體強(qiáng)度退化更為嚴(yán)重等因素，張弦梁結(jié)構(gòu)抗火性能比普通結(jié)構(gòu)鋼更差。但是，國內(nèi)外對于預(yù)應(yīng)力張弦梁結(jié)構(gòu)抗火研究很少，在工程實踐中按普通鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗火設(shè)計，造成極大的安全隱患。本項目通過試驗研究、理論分析，從材料、節(jié)點、構(gòu)件、結(jié)構(gòu)層次對預(yù)應(yīng)力張弦梁結(jié)構(gòu)抗火關(guān)鍵技術(shù)問題開展了較為的系統(tǒng)研究：1）對1860MPa級鋼絲進(jìn)行了高溫?zé)崤蛎浵禂?shù)試驗研究，揭示了溫度對熱膨脹系數(shù)的影響，建立了高溫?zé)崤蛎浵禂?shù)擬合公式；2）對1860MPa級鋼絞線、1860MPa級預(yù)應(yīng)力鋼絲等進(jìn)行了高溫穩(wěn)態(tài)拉伸試驗研究，建立屈服強(qiáng)度、極限強(qiáng)度、彈性模量與溫度之間的關(guān)系模型、以及高溫應(yīng)力-應(yīng)變本構(gòu)關(guān)系模型，給出了抗火設(shè)計強(qiáng)度指標(biāo)取值；3）對預(yù)應(yīng)力索進(jìn)行了高溫應(yīng)力損失試驗研究，研究了不同溫度、不同初始應(yīng)力下的應(yīng)力損失規(guī)律，提出預(yù)應(yīng)力索高溫應(yīng)力損失理論算法；4）研究提出了5種預(yù)應(yīng)力索體防火保護(hù)方法，并通過標(biāo)準(zhǔn)火災(zāi)升溫試驗，對方法有效性、可行性進(jìn)行了驗證；5）對鋼絞線-熱鑄錨錨固節(jié)點進(jìn)行了耐火性能試驗研究，建立了錨固節(jié)點高溫承載力計算公式；6）對預(yù)應(yīng)力張弦梁進(jìn)行了抗火試驗，研究了火災(zāi)全過程中索體內(nèi)力、張弦梁變形、溫度分布隨時間的變化規(guī)律，以及初始預(yù)應(yīng)力水平、荷載比、火災(zāi)升溫曲線對張弦梁抗火性能的影響，揭示了破壞模式與破壞機(jī)理；7）對預(yù)應(yīng)力張弦梁進(jìn)行了有限元數(shù)值參數(shù)分析，重點研究了初始預(yù)應(yīng)力比、荷載比、受火條件等因素對張弦梁抗火性能的影響；進(jìn)而提出了預(yù)應(yīng)力張弦梁抗火安全判定準(zhǔn)則、抗火承載力實用計算方法以及防火設(shè)計方法。本項目研究結(jié)果對預(yù)應(yīng)力張弦梁結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計具有理論意義和應(yīng)用價值，對于預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)抗火研究也具有參考意義。 2100433B

第一章 工程概況

第一節(jié) 哈爾濱國際會議展覽體育中心工程概況

第二節(jié) 哈爾濱國際會議展覽體育中心主館工程概況

第二章 張統(tǒng)桁架結(jié)構(gòu)設(shè)計

第一節(jié) 張弦結(jié)構(gòu)的特點及工程應(yīng)用

一、張弦結(jié)構(gòu)概述

二、張弦結(jié)構(gòu)的特點

三、張弦結(jié)構(gòu)的工程應(yīng)用

第二節(jié) 張弦結(jié)構(gòu)的形式及分類

一、平面張弦染結(jié)構(gòu)

三、空間張弦染結(jié)構(gòu)

第三節(jié) 平面張弦染結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)性能和一般原則

一、平面張弦染結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)性能

二、張弦梁結(jié)構(gòu)的形態(tài)定義和力學(xué)特性

三、張弦梁結(jié)構(gòu)的預(yù)應(yīng)力特性

四、平面張弦梁結(jié)構(gòu)平面外稱定和屋面支撐系統(tǒng)設(shè)計

五、張弦梁結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)和抗震設(shè)計

第四節(jié) 平面張弦梁結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析方法

一、平面張弦梁結(jié)構(gòu)分析的一般原則

二、平面張弦梁結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力分析

三、平面張弦梁結(jié)構(gòu)放樣形狀的分析

第五節(jié) 索拱體系的解析分析方法

一、施加預(yù)應(yīng)力階段的計算

二、加載階段的計算

第三章 哈爾濱國際會展體育中心屋蓋張弦桁架結(jié)構(gòu)設(shè)計

第一節(jié) 主館結(jié)構(gòu)形式介紹

一、整體結(jié)構(gòu)形式簡介

二、單榀張弦桁架及其支座

第二節(jié) 張弦桁加結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計

一、張弦架結(jié)構(gòu)參靈敏

二、荷載設(shè)計參數(shù)選用

三、荷載工況

四、靜力分析結(jié)果

五、地震作用分析

六、預(yù)應(yīng)力的施加及結(jié)構(gòu)放樣形狀的確定

七、哈爾濱國際會展體育中心工程設(shè)計體會

第四章 大型張弦梁結(jié)構(gòu)的施工方法

第一節(jié) 施工方法概述

一、拼裝施工法

二、滑移施工法

三、整體吊裝法

四、整體提升法

五、整體頂升法

第二節(jié) 哈爾濱會展主館張弦桁架拼裝施工技術(shù)

一、拼裝施工概述

二、散件拼裝

三、整體拼裝

第三節(jié) 哈爾濱會展主館張弦桁架吊裝施工技術(shù)

……

第五章 大型張弦梁結(jié)構(gòu)金屬屋面系統(tǒng)的設(shè)計

第六章 大型金屬屋面系統(tǒng)施工

附錄

參考文獻(xiàn)

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針對目前橋梁緩變沉降的長期在線監(jiān)測這一技術(shù)難題及需求，研究新型基于光纖超聲波傳感技術(shù)的橋梁沉降分布式實時監(jiān)測技術(shù)，以滿足橋梁沉降監(jiān)測對長期性, 分布式, 抗干擾性及高分辨率的需求。根據(jù)此思路，首先提出并研究基于高靈敏度光纖超聲波的橋梁沉降傳感系統(tǒng)，實驗研究測試光纖超聲波傳感器的沉降響應(yīng)特性，針對性設(shè)計并改進(jìn)光纖超聲波傳感系統(tǒng)，優(yōu)化光纖超聲波傳感器分辨率以及對高頻超聲波的響應(yīng)能力，研究解決光纖超聲波傳感器由于外界溫度與濕度變化所產(chǎn)生的交叉敏感問題，并研究其相應(yīng)補償技術(shù)，提高傳感器長期可靠性與穩(wěn)定性。其次通過有限元分析與試驗相結(jié)合建立相應(yīng)的橋梁沉降理論及實驗?zāi)Ｐ?，研究建立針對分布式光纖超聲傳感技術(shù)的橋梁沉降特性分析與計算模型，并開發(fā)相應(yīng)的沉降傳感數(shù)據(jù)自動分析與處理系統(tǒng)。最后實驗建立并優(yōu)化分布式光纖傳感器布設(shè)方案，研究實現(xiàn)光纖超聲波傳感技術(shù)對橋梁沉降的分布式長距離高分辨率在線監(jiān)測。