光纤自传感混杂BFRP张弦梁力学性能优化及自监测研究

光纤自传感BFRP张弦梁因其张弦结构形式的简洁、空间受力性能的优越，玄武岩纤维增强材料（BFRP）耐候性能的良好、性价比较高等突出优点成为结构工程研究的重要内容。本项目旨在开展张弦梁结构形态与力学性能间相关性及优化设计方法的研究，以及此类大跨预应力结构在材料的可替换性、耐候性与结构的智能自监测性能的探索。为此，先后进行了基于平衡荷载态的优化理论模型研究，确立了形状优化后的张弦梁结构整体优化方法并分析各类结构参数对结构受力的影响规律。系统研究了以双向张弦梁为代表的结构失效机制、弹塑性承载力的各影响参数以及构件安全性和结构整体性之间的力学响应关系。研究了光纤自传感混杂BFRP索的力学性能。基于索的等应变受力，试验模拟不同配比的光纤自传感混杂BFRP索的张拉受力过程，揭示了混杂BFRP索的力学性能特征以及其中不同材料间的受力差异和协同工作性，探讨了光纤传感器在预应力索中的适用性。基于BFRP光纤传感器的制备可行性，提出了光纤自传感混杂BFRP张弦梁基于力学性能和耐久性的设计方法。本研究有助于实现一种智能自传感预应力张弦结构，完美地将结构构件的力学性能和智能自监测性能综合高效地结合，对结构从施工到运营的整体监控以及灾后加固等具有重要意义。 2100433B

随着建筑功能对结构跨度、荷载能力以及安全智能化控制需求的不断提高，张弦梁结构的优越性日益凸显。本课题基于形状优化和弹塑性极限承载力分析，提出一种新型光纤自传感混杂BFRP张弦梁，并对其力学响应及自监测性能进行了研究。主要研究包括：1)由连续化理论，基于数值分析提出基于形状优化的各类张弦梁结构的设计方法，并利用数值模拟和实测数据获取张弦梁结构施工和使用阶段内力与变形的分布规律及特点；2)基于弹塑性分析对张弦梁结构关键构件局部损伤评价方法进行研究。对突发事件下部分梁索单元失效后的结构响应演化规律进行分析，确定张弦梁结构的受力敏感区域位置；3)基于分布式光纤传感的特性，提出将光纤复合进BFRP材料制备自传感混杂BFRP索和片材,实现梁索单元自监测。利用自监测的单元应变信息，结合纤维模型理论和应变模态分析理论，提出局部损伤识别和结构损伤评价方法，为张弦结构的设计和安全评估提出重要依据。

预应力张弦梁结构是由刚性上弦、预应力拉索及腹杆连接形成的混合杂交自平衡结构体系，结构受力合理，自重轻，近年来广泛应用于大跨结构屋盖体系中。然而，由于结构中存在预应力，拉索锚固节点铸体材料熔点低，且高温下预应力索体强度退化更为严重等因素，张弦梁结构抗火性能比普通结构钢更差。但是，国内外对于预应力张弦梁结构抗火研究很少，在工程实践中按普通钢结构进行抗火设计，造成极大的安全隐患。本项目通过试验研究、理论分析，从材料、节点、构件、结构层次对预应力张弦梁结构抗火关键技术问题开展了较为的系统研究：1）对1860MPa级钢丝进行了高温热膨胀系数试验研究，揭示了温度对热膨胀系数的影响，建立了高温热膨胀系数拟合公式；2）对1860MPa级钢绞线、1860MPa级预应力钢丝等进行了高温稳态拉伸试验研究，建立屈服强度、极限强度、弹性模量与温度之间的关系模型、以及高温应力-应变本构关系模型，给出了抗火设计强度指标取值；3）对预应力索进行了高温应力损失试验研究，研究了不同温度、不同初始应力下的应力损失规律，提出预应力索高温应力损失理论算法；4）研究提出了5种预应力索体防火保护方法，并通过标准火灾升温试验，对方法有效性、可行性进行了验证；5）对钢绞线-热铸锚锚固节点进行了耐火性能试验研究，建立了锚固节点高温承载力计算公式；6）对预应力张弦梁进行了抗火试验，研究了火灾全过程中索体内力、张弦梁变形、温度分布随时间的变化规律，以及初始预应力水平、荷载比、火灾升温曲线对张弦梁抗火性能的影响，揭示了破坏模式与破坏机理；7）对预应力张弦梁进行了有限元数值参数分析，重点研究了初始预应力比、荷载比、受火条件等因素对张弦梁抗火性能的影响；进而提出了预应力张弦梁抗火安全判定准则、抗火承载力实用计算方法以及防火设计方法。本项目研究结果对预应力张弦梁结构抗火设计具有理论意义和应用价值，对于预应力钢结构抗火研究也具有参考意义。 2100433B

第一章 工程概况

第一节 哈尔滨国际会议展览体育中心工程概况

第二节 哈尔滨国际会议展览体育中心主馆工程概况

第二章 张统桁架结构设计

第一节 张弦结构的特点及工程应用

一、张弦结构概述

二、张弦结构的特点

三、张弦结构的工程应用

第二节 张弦结构的形式及分类

一、平面张弦染结构

三、空间张弦染结构

第三节 平面张弦染结构的结构性能和一般原则

一、平面张弦染结构的结构性能

二、张弦梁结构的形态定义和力学特性

三、张弦梁结构的预应力特性

四、平面张弦梁结构平面外称定和屋面支撑系统设计

五、张弦梁结构的抗风和抗震设计

第四节 平面张弦梁结构的结构分析方法

一、平面张弦梁结构分析的一般原则

二、平面张弦梁结构预应力分析

三、平面张弦梁结构放样形状的分析

第五节 索拱体系的解析分析方法

一、施加预应力阶段的计算

二、加载阶段的计算

第三章 哈尔滨国际会展体育中心屋盖张弦桁架结构设计

第一节 主馆结构形式介绍

一、整体结构形式简介

二、单榀张弦桁架及其支座

第二节 张弦桁加结构分析与设计

一、张弦架结构参灵敏

二、荷载设计参数选用

三、荷载工况

四、静力分析结果

五、地震作用分析

六、预应力的施加及结构放样形状的确定

七、哈尔滨国际会展体育中心工程设计体会

第四章 大型张弦梁结构的施工方法

第一节 施工方法概述

一、拼装施工法

二、滑移施工法

三、整体吊装法

四、整体提升法

五、整体顶升法

第二节 哈尔滨会展主馆张弦桁架拼装施工技术

一、拼装施工概述

二、散件拼装

三、整体拼装

第三节 哈尔滨会展主馆张弦桁架吊装施工技术

……

第五章 大型张弦梁结构金属屋面系统的设计

第六章 大型金属屋面系统施工

附录

参考文献

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针对目前桥梁缓变沉降的长期在线监测这一技术难题及需求，研究新型基于光纤超声波传感技术的桥梁沉降分布式实时监测技术，以满足桥梁沉降监测对长期性, 分布式, 抗干扰性及高分辨率的需求。根据此思路，首先提出并研究基于高灵敏度光纤超声波的桥梁沉降传感系统，实验研究测试光纤超声波传感器的沉降响应特性，针对性设计并改进光纤超声波传感系统，优化光纤超声波传感器分辨率以及对高频超声波的响应能力，研究解决光纤超声波传感器由于外界温度与湿度变化所产生的交叉敏感问题，并研究其相应补偿技术，提高传感器长期可靠性与稳定性。其次通过有限元分析与试验相结合建立相应的桥梁沉降理论及实验模型，研究建立针对分布式光纤超声传感技术的桥梁沉降特性分析与计算模型，并开发相应的沉降传感数据自动分析与处理系统。最后实验建立并优化分布式光纤传感器布设方案，研究实现光纤超声波传感技术对桥梁沉降的分布式长距离高分辨率在线监测。