光纖自傳感混雜BFRP張弦梁力學(xué)性能優(yōu)化及自監(jiān)測(cè)研究項(xiàng)目摘要

隨著建筑功能對(duì)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(duì)其力學(xué)響應(yīng)及自監(jiān)測(cè)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(jì)方法，并利用數(shù)值模擬和實(shí)測(cè)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(diǎn)；2)基于彈塑性分析對(duì)張弦梁結(jié)構(gòu)關(guān)鍵構(gòu)件局部損傷評(píng)價(jià)方法進(jìn)行研究。對(duì)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(shí)現(xiàn)梁索單元自監(jiān)測(cè)。利用自監(jiān)測(cè)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(shí)別和結(jié)構(gòu)損傷評(píng)價(jià)方法，為張弦結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和安全評(píng)估提出重要依據(jù)。

光纖自傳感BFRP張弦梁因其張弦結(jié)構(gòu)形式的簡(jiǎn)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(jià)比較高等突出優(yōu)點(diǎn)成為結(jié)構(gòu)工程研究的重要內(nèi)容。本項(xiàng)目旨在開(kāi)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(jì)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(cè)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(duì)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?；谒鞯牡葢?yīng)變受力，試驗(yàn)?zāi)M不同配比的光纖自傳感混雜BFRP索的張拉受力過(guò)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(jì)方法。本研究有助于實(shí)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(cè)性能綜合高效地結(jié)合，對(duì)結(jié)構(gòu)從施工到運(yùn)營(yíng)的整體監(jiān)控以及災(zāi)后加固等具有重要意義。 2100433B

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(lái)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(diǎn)鑄體材料熔點(diǎn)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(guó)內(nèi)外對(duì)于預(yù)應(yīng)力張弦梁結(jié)構(gòu)抗火研究很少，在工程實(shí)踐中按普通鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗火設(shè)計(jì)，造成極大的安全隱患。本項(xiàng)目通過(guò)試驗(yàn)研究、理論分析，從材料、節(jié)點(diǎn)、構(gòu)件、結(jié)構(gòu)層次對(duì)預(yù)應(yīng)力張弦梁結(jié)構(gòu)抗火關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題開(kāi)展了較為的系統(tǒng)研究：1）對(duì)1860MPa級(jí)鋼絲進(jìn)行了高溫?zé)崤蛎浵禂?shù)試驗(yàn)研究，揭示了溫度對(duì)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(duì)1860MPa級(jí)鋼絞線、1860MPa級(jí)預(yù)應(yīng)力鋼絲等進(jìn)行了高溫穩(wěn)態(tài)拉伸試驗(yàn)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(jì)強(qiáng)度指標(biāo)取值；3）對(duì)預(yù)應(yīng)力索進(jìn)行了高溫應(yīng)力損失試驗(yàn)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(guò)標(biāo)準(zhǔn)火災(zāi)升溫試驗(yàn)，對(duì)方法有效性、可行性進(jìn)行了驗(yàn)證；5）對(duì)鋼絞線-熱鑄錨錨固節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了耐火性能試驗(yàn)研究，建立了錨固節(jié)點(diǎn)高溫承載力計(jì)算公式；6）對(duì)預(yù)應(yīng)力張弦梁進(jìn)行了抗火試驗(yàn)，研究了火災(zāi)全過(guò)程中索體內(nèi)力、張弦梁變形、溫度分布隨時(shí)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(duì)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(duì)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(diǎn)研究了初始預(yù)應(yīng)力比、荷載比、受火條件等因素對(duì)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(shí)用計(jì)算方法以及防火設(shè)計(jì)方法。本項(xiàng)目研究結(jié)果對(duì)預(yù)應(yīng)力張弦梁結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計(jì)具有理論意義和應(yīng)用價(jià)值，對(duì)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(guó)際會(huì)議展覽體育中心工程概況

第二節(jié) 哈爾濱國(guó)際會(huì)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(jì)

第一節(jié) 張弦結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)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(diǎn)

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(jì)

五、張弦梁結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)和抗震設(shè)計(jì)

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(jì)算

二、加載階段的計(jì)算

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

第一節(jié) 主館結(jié)構(gòu)形式介紹

一、整體結(jié)構(gòu)形式簡(jiǎn)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(jì)

一、張弦架結(jié)構(gòu)參靈敏

二、荷載設(shè)計(jì)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(guó)際會(huì)展體育中心工程設(shè)計(jì)體會(huì)

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(huì)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(huì)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(jì)

第六章 大型金屬屋面系統(tǒng)施工

附錄

參考文獻(xiàn)

2100433B

針對(duì)目前橋梁緩變沉降的長(zhǎng)期在線監(jiān)測(cè)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(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)，以滿足橋梁沉降監(jiān)測(cè)對(duì)長(zhǎng)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(shí)驗(yàn)研究測(cè)試光纖超聲波傳感器的沉降響應(yīng)特性，針對(duì)性設(shè)計(jì)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(duì)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(wèn)題，并研究其相應(yīng)補(bǔ)償技術(shù)，提高傳感器長(zhǎng)期可靠性與穩(wěn)定性。其次通過(guò)有限元分析與試驗(yàn)相結(jié)合建立相應(yīng)的橋梁沉降理論及實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，研究建立針?duì)分布式光纖超聲傳感技術(shù)的橋梁沉降特性分析與計(jì)算模型，并開(kāi)發(fā)相應(yīng)的沉降傳感數(shù)據(jù)自動(dòng)分析與處理系統(tǒng)。最后實(shí)驗(yàn)建立并優(yōu)化分布式光纖傳感器布設(shè)方案，研究實(shí)現(xiàn)光纖超聲波傳感技術(shù)對(duì)橋梁沉降的分布式長(zhǎng)距離高分辨率在線監(jiān)測(cè)。