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CFRP索悬挂减振结构是一种新型的结构体系,将高强CFRP材料应用于悬挂减振结构不仅可以减轻自重、提高有效承载能力,而且,可以解决钢拉索的腐蚀和疲劳问题,优化结构的受力性能,减少后期维护费用。 CFRP索悬挂减振结构体系将高强CFRP材料、悬挂建筑结构以及结构振动控制理论有机地结合在一起,形成了建筑室内和底部大空间的同时,解决了建筑功能与结构构造之间的矛盾,具有良好的抗风和抗震、减震的性能,实现了建筑、结构和艺术美的统一,是一种具有广阔应用前景的新型结构体系。本文结合国内首幢CFRP索悬挂减振结构的设计、建造,进行了理论、试验等多方面探索和创新研究,主要内容如下: 1.CFRP筋材性及吊索组装件试验研究 CFRP筋可代替钢吊索应用于悬挂减振结构中,作为材料应用的基础,本文就其高应力状态下的蠕变破坏、应力-应变性能等问题,作了简明的分析;并就CFRP筋用作吊索时的设计参数及设计中应注意的问题等作了研究;探讨了CFRP筋作为吊索的适用环境温度及预防破坏的措施;进行了CFRP筋的单向拉伸性能试验研究;通过4根CFRP筋粘结型锚具的设计、静载试验和有限元分析,研究了粘结型锚具的荷载-滑移、筋材受力均匀性等,并将筋材之间的净距减小至1/2的筋径,保证良好锚固性能的同时,大大减小了锚具的横截面尺寸。 2.悬挂减振结构体系的对比分析 建立了悬挂减振结构的运动方程,给出了脉动风荷载的特性和模拟过程,并针对实例结构模拟了顺风向脉动风荷载,并将其施加于几种不同的悬挂减振结构体系;分别对几种悬挂减振结构体系进行了地震、风振作用下的时程分析,研究了各种悬挂减振结构体系的减振性能。 3.CFRP索悬挂减振结构的静力性能分析 总结了悬挂建筑结构静力分析的方法,推导了几何非线性有限元分析方程;然后,就几何非线性的影响因素以及分析方法作了简单分析;对悬挂建筑结构理想成形状态的确定给出了详细地分步阐述,并通过一算例对CFRP索悬挂减振结构成形状态下的索力及悬挂大梁的内力进行了分析。对比分析了一单筒CFRP/钢索悬挂减振结构在竖向荷载作用下的静力性能和包括吊索应力、悬挂楼层质量、层高、层数等参数的影响分析。 4.CFRP索悬挂减振结构的自振特性分析 给出了悬挂减振结构的自由振动方程,论述了建立悬挂减振结构分析模型时如何合理选取单元和处理边界、连接条件;通过有限元数值分析,揭示了CFRP索悬挂减振结构的自振特性,分析了主体核筒刚度、悬挂楼层质量、悬挂楼层层高、悬挂楼层层数、阻尼器刚度、吊杆与结构的连接方式等参数对CFRP索悬挂减振结构自振特性的影响,为结构的优化设计打下基础。 5.CFRP索悬挂减振结构的设计与现场试验研究 鉴于前人的研究成果,讨论了CFRP索悬挂减振结构的设计要点。CFRP索悬挂减振结构试点工程是一幢拟采用全CFRP索的悬挂结构。简述了其设计要点,细致地分析了其静力性能、自振特性和地震响应;研究了CFRP索的制备和注意事项;对CFRP索悬挂减振结构施工过程进行分析,确定合理的施工顺序、CFRP索的张拉方案以及各索的张拉控制力,并就试点工程施工进行了简单的力学分析;对试点工程的施工过程进行监测,密切关注施工过程中CFRP索、悬挂大梁以及核心柱等主要部件的受力;对试点工程中CFRP索在高应力状态下的长期工作状态进行测试,为其应用于高层、超高层结构做准备;通过现场水平静力侧推试验,深入探讨了CFRP索悬挂结构的受力和变形特征;通过动力特性试验,验证了理论分析的可靠性和CFRP索悬挂减振结构的振型特点。通过CFRP索悬挂减振结构试点工程的施工和试验研究,为今后采用CFRP建造高层、超高层结构等工程作了成功的探索和实践。 理论分析和实际工程的试验研究表明,CFRP索应用于悬挂减振结构具有钢索无法比拟的优势,CFRP索悬挂减振结构兼有新材料和新结构体系的属性,是一种值得推广应用的高层建筑结构体系。