本實用新型屬于空間結(jié)構(gòu)工程領(lǐng)域，特別是涉及一種鋼-FRP組合的空間曲面索拱網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，其主要應(yīng)用在體育館、展覽館、候機大廳等需要大空間、大跨度屋蓋的結(jié)構(gòu)中。

背景技術(shù)：

大跨度空間結(jié)構(gòu)往往是一個城市乃至國家的重要標志，不僅代表了這個城市和國家的建筑業(yè)發(fā)展水平，更代表了這個城市和國家的文明發(fā)展程度。世界各國對大跨度空間結(jié)構(gòu)技術(shù)的發(fā)展，特別是對新型大跨度空間結(jié)構(gòu)體系的研究開發(fā)和工程應(yīng)用一直給予高度的重視。隨著我國國民經(jīng)濟的高速發(fā)展和綜合國力的提高，大跨度空間結(jié)構(gòu)的社會需求和工程應(yīng)用逐年增加，空間結(jié)構(gòu)在各種大型體育場館、劇院、會議展覽中心、機場候機樓、各類工業(yè)廠房等建筑中得到了廣泛的應(yīng)用。

目前大跨度空間結(jié)構(gòu)采用的承重材料主要是鋼材，少量結(jié)構(gòu)中采用鋼筋混凝土、鋁合金、木材。按照組成結(jié)構(gòu)體系的單元分類，共有39種結(jié)構(gòu)形式。其中，含有索單元的大跨度張弦結(jié)構(gòu)體系建造的屋蓋結(jié)構(gòu)重量最輕，技術(shù)水平高超，具體包括索網(wǎng)結(jié)構(gòu)、張弦梁、張弦桁架、索穹頂、弦支穹頂、張拉整體結(jié)構(gòu)等。

纖維增強復(fù)合材料( Fiber Reinforced Polymer,簡稱FRP)是由纖維材料（碳纖維、玻璃纖維等）和基體材料（不飽和聚酯、環(huán)氧樹脂與酚醛樹脂等）按照一定比例混合后經(jīng)過特別模具擠壓、拉拔而形成的高性能型材料。FRP的抗拉強度明顯高于鋼筋, 與高強鋼絲抗拉強度差不多, 一般是鋼筋的2倍甚至達10倍。與此同時，F(xiàn)RP的比強度很高，即通常所說的輕質(zhì)高強，因此采用FRP材料可有效減輕結(jié)構(gòu)自重，其重量一般為鋼材的20%。在耐久性和耐腐蝕性方面，F(xiàn)RP材料的性能同樣優(yōu)越。FRP以其優(yōu)異的力學(xué)性能和適應(yīng)現(xiàn)代工程結(jié)構(gòu)向大跨、高聳、重載、輕質(zhì)發(fā)展的需求，正在被廣泛應(yīng)用于橋梁工程、各類民用建筑、大跨空間結(jié)構(gòu)、地下工程中，是現(xiàn)在各國優(yōu)先發(fā)展的戰(zhàn)略性非金屬結(jié)構(gòu)材料。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本實用新型目的是為解決目前大跨度空間結(jié)構(gòu)的承重性能、剛度、穩(wěn)定性互相制約而不能同時滿足的問題而提出了一種整體比強度高、耐腐蝕性強的鋼-FRP組合的空間曲面索拱網(wǎng)格結(jié)構(gòu)。

本實用新型為解決上述問題所采取的技術(shù)方案是：一種鋼-FRP組合的空間曲面索拱網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，包括第一拉索，所述第一拉索為懸鏈線設(shè)置，在第一拉索上等間隔連接有多個圓弧拱，所述圓弧拱開口均向下，所述第一拉索均與相應(yīng)圓弧拱的最高點相連接，所述第一拉索與相應(yīng)圓弧拱相連接處的切線方向垂直于相對應(yīng)的圓弧拱所在平面，在第一拉索左右兩側(cè)的圓弧拱上對稱、等間隔連接有多個第二拉索，所述第二拉索與多個圓弧拱均連接；所述第一拉索、第二拉索均采用柔性纖維增強復(fù)合材料，多個圓弧拱均采用鋼鐵材質(zhì)。

進一步，包括多個缸套卡箍，所述缸套卡箍通過高強度緊定螺栓固定在與第一拉索、第二拉索位置相對應(yīng)的圓弧拱底部，所述第一拉索、第二拉索穿過相對應(yīng)的缸套卡箍而被固定在圓弧拱底部。

進一步，所述第一拉索、第二拉索的橫截面均為圓形，多個圓弧拱的橫截面均為工字型或圓環(huán)形。

進一步，所述相鄰圓弧拱之間的間隔大于相鄰第二拉索之間的間隔。

在長度方向采用柔性纖維增強復(fù)合材料的第一拉索和第二拉索、在垂直長度方向上采用鋼鐵材質(zhì)的圓弧拱的原理分析：

在各種結(jié)構(gòu)體系中，最理想的受拉結(jié)構(gòu)形式是拉索，受壓結(jié)構(gòu)形式為拱；雖然FRP材料的抗拉強度明顯高于鋼材，但是其彈性模量偏低，受壓性能沒有鋼材高，同時考慮到拉索在自重作用下，其曲線形式為懸鏈線，所以拉索采用柔性FRP材料制作且沿著長度方向布置成懸鏈線的形式；鋼鐵材質(zhì)的圓弧拱在自重、外荷載以及拉索的共同作用力下，主要受垂直長度方向上的壓力；圓弧拱的截面采用圓弧線的形式可以減小截面的彎矩，其截面也可以為工字型。

將采用柔性FRP材料制作的拉索沿著長度方向布置成懸鏈線的形式，從而充分發(fā)揮FRP材料的抗拉能力的特點，保證了本網(wǎng)格結(jié)構(gòu)有足夠的強度，與原來鋼材網(wǎng)格結(jié)構(gòu)相比大大減小了自重；采用鋼鐵材質(zhì)的圓弧拱主要承受垂直長度方向上的壓力，沿短向布置，用于保證本網(wǎng)格結(jié)構(gòu)有足夠的剛度和穩(wěn)定性。鋼、FRP兩種材料通過組合充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢，提升了本網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的整體受力性能和耐腐蝕性，延長了使用壽命。

附圖說明

圖1為本實用新型的立體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為圖1中缸套卡箍的放大結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本實用新型進一步描述。

如圖1所示，本實用新型包括第一拉索2，所述第一拉索2為懸鏈線設(shè)置，在第一拉索2上等間隔連接有多個圓弧拱3，所述圓弧拱3開口均向下，所述第一拉索2均與相應(yīng)圓弧拱3的最高點相連接，所述第一拉索2與相對應(yīng)圓弧拱3相連接處的切線（第一拉索2的切線）方向垂直于相對應(yīng)的圓弧拱3所在平面，在第一拉索2左右兩側(cè)的圓弧拱3上對稱、等間隔連接有多個第二拉索1，所述第二拉索1與多個圓弧拱3均連接，即第二拉索1也為懸鏈線設(shè)置或者近似懸鏈線設(shè)置，所述圓弧拱3之間的間隔大于第二拉索1之間的間隔；所述第一拉索2、第二拉索1的橫截面均為圓形，所述第一拉索2、第二拉索1均采用柔性纖維增強復(fù)合材料，多個圓弧拱3均采用鋼鐵材質(zhì)。

如圖2所示，本實施例中多個圓弧拱3的橫截面均為工字型4，在與第一拉索2、第二拉索1位置相對應(yīng)的圓弧拱3底部通過高強度緊定螺栓5固定有缸套卡箍6，所述第一拉索2、第二拉索1穿過相對應(yīng)的缸套卡箍6而被固定在圓弧拱3的底部。

如圖1所示，為一種鋼-FRP組合的空間曲面索拱網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的立體結(jié)構(gòu)圖，為了進一步研究其性能進行建模模擬實驗如下：采用7榀柔性FRP材質(zhì)拉索（包括第一拉索2、第二拉索1）和9榀鋼材圓弧拱3組合而成，其長度方向跨度為90米，垂直于長度方向的跨度為60米，矢高為20米，四邊采用固定鉸支座。

采用CAD進行建模，然后將模型導(dǎo)入空間結(jié)構(gòu)分析軟件MstCAD進行設(shè)計，隨后導(dǎo)入通用有限元軟件ANSYS中進行穩(wěn)定性分析，其中材質(zhì)信息如下：

分別對全鋼型、全FRP型、鋼-FRP組合型的空間曲面索拱網(wǎng)格結(jié)構(gòu)計算分析，分析結(jié)果如下：

由結(jié)果可知，鋼-FRP組合型的豎向剛度是全鋼型的1.07倍，是全FRP型的0.63倍。在穩(wěn)定臨界荷載方面，鋼-FRP組合型的臨界荷載屈曲系數(shù)是全鋼型的0.82倍，是全FRP型的1.29倍。

綜合對比可以看出鋼-FRP組合型和全鋼型相比，兩者的承載能力和穩(wěn)定性接近，但是全鋼型的重量是鋼-FRP組合型的1.81倍，通過組合能夠有效減輕其自重并充分發(fā)揮鋼、FRP兩種材料的性能。鋼-FRP組合型與全FRP型相比，其承載力和穩(wěn)定性都有大幅度的提升。由此可知，本實用新型的結(jié)構(gòu)形式是成立的，并且結(jié)構(gòu)布置科學(xué)合理，受力性能優(yōu)良，切實可行，應(yīng)用前景好。

在本實用新型的描述中，需要理解的是，術(shù)語“中心”、“縱向”、“橫向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“豎直”、“水平”、“頂”、“底”、“內(nèi)”、“外”等指示的方位或位置關(guān)系為基于附圖所示的方位或位置關(guān)系，僅是為便于描述本實用新型和簡化描述，而不是指示或暗指所指的裝置或元件必須具有特定的方位、為特定的方位構(gòu)造和操作，因而不能理解為對本實用新型保護內(nèi)容的限制。

如果本文中使用了“第一”、“第二”等詞語來限定零部件的話，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該知曉：“第一”、“第二”的使用僅僅是為了便于描述本實用新型和簡化描述，如沒有另外聲明，上述詞語并沒有特殊的含義。

最后應(yīng)說明的是：以上實施例僅用以說明本實用新型的技術(shù)方案，而非對其限制；盡管參照前述實施例對本實用新型進行了詳細的說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當理解：其依然可以對前述各實施例所記載的技術(shù)方案進行修改，或者對其中部分技術(shù)特征進行等同替換，但這些修改或者替換，并不使相應(yīng)技術(shù)方案的本質(zhì)脫離本實用新型各實施例技術(shù)方案的精神和范圍。