1 引言
FRP具有高強(qiáng)、輕質(zhì)、耐腐蝕的優(yōu)點(diǎn)，是建造大跨度結(jié)構(gòu)的理想材料。從上個(gè)世紀(jì)70年代開始，就有研究人員開始嘗試用FRP建造大跨度的橋梁，并進(jìn)行了一些工程嘗試[1]。林同炎公司的直布羅陀海峽大橋設(shè)計(jì)方案中就有采用CFRP的構(gòu)想[2]，日本也有學(xué)者設(shè)想用FRP，建造跨度達(dá)5000m的懸索橋梁[3]。在建筑結(jié)構(gòu)中，也有采用FRP建成的網(wǎng)架[4]、折板[5]和殼體[1]等空間結(jié)構(gòu)的工程實(shí)例，跨度達(dá)到幾十米，例如上海東方明珠電視塔的首層大堂的60m跨FRP雙曲屋蓋。但FRP與鋼材、混凝土等材料的受力性能不同，通常為各向異性，順纖維方向的強(qiáng)度和彈性模量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于橫纖維方向，并且受拉優(yōu)于受壓，因此這些建筑結(jié)構(gòu)形式并不適合于FRP材料的特點(diǎn)，不能使FRP材料得到充分的利用。
FRP編織網(wǎng)結(jié)構(gòu)則是針對(duì)FRP材料特點(diǎn)提出的一種大跨度屋面結(jié)構(gòu)體系：用高強(qiáng)度FRP板條按照一定規(guī)律在平面內(nèi)相互交叉布置，同時(shí)在交點(diǎn)處上下交錯(cuò)形成編織網(wǎng)；編織網(wǎng)的邊緣錨固在內(nèi)外環(huán)梁上，通過對(duì)板條施加初始預(yù)應(yīng)力，形成一個(gè)預(yù)張緊的編織網(wǎng)平面；再利用內(nèi)環(huán)自重或預(yù)應(yīng)力等方法整體張拉編織網(wǎng)，使板條達(dá)到預(yù)定的拉力后固定，網(wǎng)面因張緊而具有剛度，從而可以承受各種使用荷載。圖l為一個(gè)簡(jiǎn)單FRP編織網(wǎng)結(jié)構(gòu)縮比實(shí)體模型和實(shí)際結(jié)構(gòu)的計(jì)算模型，實(shí)際的結(jié)構(gòu)中板條排布比實(shí)體模型中的要密。
編織網(wǎng)結(jié)構(gòu)與現(xiàn)有的懸索結(jié)構(gòu)、索網(wǎng)結(jié)構(gòu)和張拉膜結(jié)構(gòu)在受力原理上類似，都是通過張拉使柔性構(gòu)件（索、膜和板條）具有幾何剛度，從而可承受荷載。但由于編織網(wǎng)結(jié)構(gòu)采用了新型結(jié)構(gòu)材料（FRP板條）和新型的構(gòu)建方法（編織），因此具其獨(dú)特的構(gòu)造特征。FRP編織網(wǎng)結(jié)構(gòu)具有以下優(yōu)勢(shì)：（1)FRP編織網(wǎng)自重小，理論上可實(shí)現(xiàn)比現(xiàn)有各種結(jié)構(gòu)形式更大的跨度；(2) CFRP板條的重量輕、施工簡(jiǎn)單，對(duì)溫度不敏感；(3)張拉結(jié)構(gòu)能充分利用FRP材料的抗拉能力，使其高強(qiáng)輕質(zhì)的優(yōu)點(diǎn)得到發(fā)揮，降低了其各向異性、層間強(qiáng)度低、剪切強(qiáng)度低等不足的影響；（4）CFRP板條的耐久性好，維護(hù)方便；（5) FRP板條的編織排布具有規(guī)律性，視覺上有很強(qiáng)的幾何效果，可以獲得獨(dú)特的建筑外觀效果。
2 FRP編織網(wǎng)結(jié)構(gòu)的組成
2.1 FRP板條
最簡(jiǎn)單的FRP編織網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，由單層的FRP編織網(wǎng)、內(nèi)外錨固環(huán)和面外張拉裝置3個(gè)部分組成。其中FRP板條是編織網(wǎng)結(jié)構(gòu)的主要構(gòu)件，一般采用CFRP，也可采用碳纖維與其它高性能纖維混雜的FRP板條。CFRP板條是由碳纖維與樹脂基體經(jīng)過拉擠或?qū)訅?a href="http:///tech/" target="_blank">工藝生產(chǎn)，纖維體積含量在60%以上，縱向彈性模量一般在160MPa以上，縱向抗拉強(qiáng)度在2400MPa以上，縱向線膨脹系數(shù)約為0.2 x 10-6常見的FRP板條產(chǎn)品的厚度為1 - 2mm,可以按一定的半徑彎曲，這種板條在結(jié)構(gòu)加固中已經(jīng)得到了較多的應(yīng)用[1]。FRP板條的斷面形狀、尺寸甚至力學(xué)性能都可以根據(jù)工程的需要進(jìn)行設(shè)計(jì)，并可在樹脂摻人色漿形成永久的色彩，獲得一定的建筑效果。采用拉擠工藝連續(xù)生產(chǎn)FRP板條，可得到任意長(zhǎng)度，避免了接長(zhǎng)。
表1為國(guó)內(nèi)外2個(gè)廠商分別提供的兩種CFRP板條產(chǎn)品的性能參數(shù)。根據(jù)表中數(shù)據(jù)計(jì)算可得：?jiǎn)胃?/font>CFRP板條的平均抗拉能力可以達(dá)400kN以上，300m長(zhǎng)的單根CFRP板條的重量還不到80kg；具有同樣的抗拉能力的300m長(zhǎng)的高強(qiáng)度鋼索（強(qiáng)度1860）的重量則為5OOkg以上。用有限元軟件進(jìn)行非線性分析，如果分別將它們兩端固定后自由下垂，僅在自重作用下鋼索的最大變形就達(dá)到5.3m，端部錨固力為35.5kN；而CFRP板條的最大變形為3.0m,端部錨固力僅為9.7kN。
2.2 編織網(wǎng)
將FRP板條按照一定的規(guī)律在平面內(nèi)相互交叉布置，同時(shí)在交點(diǎn)處上下交錯(cuò)就形成了編織網(wǎng)。實(shí)際的FRP編織網(wǎng)，不僅可以按照90°交角兩兩相交，還可以按照一定的規(guī)律以任意角度交錯(cuò)編織，而且在一點(diǎn)上可以多條FRP板條相交，例如：3根互成60°的相交，4根互成45°的相交。對(duì)于交角為θ的兩根板條，它們?cè)诮稽c(diǎn)處的接觸面積為
（1）
其中Ws為板條的寬度。
在交點(diǎn)上，FRP板條之間可以通過卡具或粘接完全固接；也可以不固定而利用FRP板條張緊相互擠壓形成摩擦力，其作用是：在靜載下為靜摩擦，使FRP網(wǎng)形成整體；在動(dòng)載下滑動(dòng)，板條間相互摩擦耗能，增加結(jié)構(gòu)阻尼，減小結(jié)構(gòu)的振動(dòng)響應(yīng)。也可以在交點(diǎn)處安裝特制的阻尼器，增大整體結(jié)構(gòu)的阻尼。但在交點(diǎn)處，由于FRP板條相互接觸，有彎曲和局部剪切，會(huì)導(dǎo)致其有效強(qiáng)度略有降低。
2.3 端部錨固
編織好的FRP板條兩端分別錨固在內(nèi)外環(huán)梁上，并施加一定的初始預(yù)應(yīng)力。FRP板條通過夾具錨固在環(huán)梁上，夾具與環(huán)梁之間為鉸接，使FRP板條僅受軸拉。外環(huán)一般可以用混凝土制成，主要受壓力；內(nèi)環(huán)可以用鋼結(jié)構(gòu)，主要受拉；錨具是實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)整體張拉的關(guān)鍵部件。目前針對(duì)加固混凝土結(jié)構(gòu)已經(jīng)有很多能預(yù)應(yīng)力CFRP板條的錨固方法和措施[6-8]，可為編織網(wǎng)FRP板條的端部錨固提供參考。圖2為本文建議的一種錨具的模型圖。它由不銹鋼板板制成，從而與CFRP具有同樣的耐腐蝕能力。通過螺栓夾緊CFRP板，并進(jìn)行粘接。CFRP板與鋼板之間加人短纖維的氈層，從而提高界面枯結(jié)性能。
3 FRP編織網(wǎng)結(jié)構(gòu)的原理
FRP編織網(wǎng)結(jié)構(gòu)的核心概念是使用高強(qiáng)輕質(zhì)的FRP板條，通過上下交錯(cuò)編織形成整體，再通過合適的預(yù)應(yīng)力張拉方式使FRP編織網(wǎng)張緊形成足夠剛度，使其能夠承受荷載。因此，合理的板條編織方式以及合適的張拉力施加方法是FRP編織網(wǎng)結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵。
FRP網(wǎng)編織形成平面，通過內(nèi)環(huán)自重和懸掛配重或用網(wǎng)面外預(yù)應(yīng)力拉索給網(wǎng)面一個(gè)垂直向外的力，使網(wǎng)面張緊具有剛度。由于網(wǎng)面原來處于基本水平狀態(tài)，根據(jù)力的分解（如圖3所示），較小的垂直力P就能使網(wǎng)面內(nèi)具有較大的張緊力T,從而使整個(gè)FRP編織網(wǎng)張緊。網(wǎng)面張緊力大小可由內(nèi)環(huán)配重及網(wǎng)面外預(yù)應(yīng)力索張拉控制。此外，錨固前各FRP板條的需進(jìn)行預(yù)張拉。目的是通過各板條的預(yù)張緊使網(wǎng)面的初始狀態(tài)平整，且在施加面外張拉前就具有一定的幾何剛度，間接控制最終的最大變形；還能調(diào)整編織網(wǎng)內(nèi)各板條最終的張拉力的大小，使它們受力均衡。
4 受力分析
FRP編織網(wǎng)結(jié)構(gòu)有三個(gè)基本受力狀態(tài)：預(yù)張完成狀態(tài)、體系張拉成形狀態(tài)和承受荷載狀態(tài)。預(yù)張完成狀態(tài)是在編織錨固前對(duì)各板條進(jìn)行面內(nèi)的預(yù)張拉，使編織網(wǎng)平整，同時(shí)也保證最終張拉成形時(shí)各板條受力均勻，并減少總的面外變形。體系張拉成型狀態(tài)是指通過施加面外力使FRP編織網(wǎng)張緊，使編織網(wǎng)具有足夠的剛度。此時(shí)的張拉力和板條的應(yīng)力水平是整個(gè)編織網(wǎng)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵問題。張拉成型后，FRP編織網(wǎng)結(jié)構(gòu)還要承受屋面自重荷載、雪荷載等靜荷載以及風(fēng)荷載、地震荷載等動(dòng)力荷載。在各種荷載組合下，應(yīng)保證結(jié)構(gòu)中FRP板條的應(yīng)力和結(jié)構(gòu)的變形均在允許范圍內(nèi)。
如果忽略板條間的相互作用，編織網(wǎng)中的每條FRP板條主要受拉力作用。在簡(jiǎn)單編織網(wǎng)中一對(duì)成180度的板條可簡(jiǎn)化為端部分別固定在外環(huán)梁和內(nèi)環(huán)梁的兩個(gè)板條，如圖4所示。外環(huán)梁可認(rèn)為是一固定點(diǎn)，而內(nèi)環(huán)梁則可視為一個(gè)剛體。設(shè)板條截面積為A，彈性模量為E，內(nèi)外環(huán)梁半徑差為L,FRP板條的自重和彎曲剛度較小，可忽略。在圖4(a)的狀態(tài)下，板條端部作用一水平初始預(yù)張力H。 則有
（2）
其中板條應(yīng)變?yōu)?font face="??">ε。，板條初始長(zhǎng)度為Lo。
圖4（b）所示的第二狀態(tài)，內(nèi)環(huán)梁上作用兩垂直荷載V,使內(nèi)環(huán)梁下移、板條受拉。板條張力為T1，T1的水平分量為H1，內(nèi)環(huán)梁的位移為△。根據(jù)平衡條件，有：
（3）
此時(shí)板條應(yīng)變?yōu)?font face="??">ε1，則：
（4）
由幾何條件有：
（5）
綜合以上方程，可解出T1，△1，ε1。
圖4(c)所示的狀態(tài)下，板條需承受關(guān)于內(nèi)環(huán)梁中心對(duì)稱的荷載q(X)固定端的反力可以分解為水平向的H2和豎直向的R，則豎直反力：
（6）
坐標(biāo)X處的點(diǎn)相對(duì)于固定端的變形定義為Z(X)，內(nèi)環(huán)梁的總位移為△2。結(jié)構(gòu)的變形滿足索方程：
（7）
若q(X)為均布荷載，可得變形曲線為：
（8）
則有： 
（9）
由變形協(xié)調(diào)，這個(gè)狀態(tài)相對(duì)上個(gè)狀態(tài)板條的總長(zhǎng)度改變?yōu)椋?/span>
（10）
但由應(yīng)變得出伸長(zhǎng)量為
（11）
聯(lián)立方程可解出H2和△2。此時(shí)FRP板條中的最大應(yīng)力為
（12）
通常FRP板條的自重相對(duì)于結(jié)構(gòu)上的荷載較小，而一般結(jié)構(gòu)上的均布荷載傳遞到板條上就不再是均布力了，例如圓形平面的結(jié)構(gòu)其板條上荷載近似為梯形分布，可表示為
（13）
q1最外端的荷載值，q2為最內(nèi)端的荷載值，這時(shí)式(8)變?yōu)?/font>
（14）
垂直反力為
（15）
這樣聯(lián)立方程，同樣可求得各階段的變形和內(nèi)力。
5 算例分析
如圖1所示的單層編織網(wǎng)結(jié)構(gòu)，如跨度L＝80m，采用表1中產(chǎn)品2板條。根據(jù)上面的公式進(jìn)行計(jì)算。在初張拉階段，板條按控制應(yīng)力為500MPa施加預(yù)應(yīng)力，這時(shí)ε。=0.0024，Lo＝79.81m; Ho＝84kN;在張拉成型階段，施加一個(gè)面外力V＝30kN,內(nèi)環(huán)梁向下平動(dòng)，計(jì)算可得△1＝7.14m,ε1＝0.0064，H1＝225.3kN,板條中應(yīng)力為1344MPa;最后，在板條上施加均布荷載q＝0.5kN/m，計(jì)算可得△2＝10.27m, H2＝389.5kN,板條中最大應(yīng)力為2352MPa。
可以看出，單層編織網(wǎng)結(jié)構(gòu)的張拉成型以及受荷時(shí)發(fā)生的變形較大，分析可知，改變初始預(yù)張拉Ho，豎直張力V可以達(dá)到控制結(jié)構(gòu)最最終變形的目的。如采用雙層FRP編織網(wǎng)結(jié)構(gòu)及折頂FRP編織網(wǎng)結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)的剛度要比單層結(jié)構(gòu)的剛度要大，可以減少變形量。
6 結(jié)語
FRP編織網(wǎng)結(jié)構(gòu)是一種適合FRP材料的結(jié)構(gòu)形式，它能充分發(fā)揮出FRP材料的優(yōu)勢(shì)同時(shí)避免其劣勢(shì)。FRP材料輕質(zhì)高強(qiáng)，但FRP板條只有縱向受拉的強(qiáng)度高，而抗剪、抗壓以及橫向的抗拉強(qiáng)度均較低，因此只有使FRP板條盡可能單向受拉才能充分發(fā)揮優(yōu)勢(shì)。在編織網(wǎng)中，各板條主要受到就是單向的拉力，FRP板條特點(diǎn)得到了充分的發(fā)揮。
FRP編織網(wǎng)結(jié)構(gòu)具有很強(qiáng)的可設(shè)計(jì)性。首先，板條的力學(xué)性能可以進(jìn)行設(shè)計(jì)，可以采用不同種類的纖維和鋪層方式，對(duì)板條的強(qiáng)度、模量及延伸率在一定范圍內(nèi)的調(diào)整；其次，FRP板條在布置方式上有很大的設(shè)計(jì)空間，可以根據(jù)實(shí)際建筑物的形狀和受力特點(diǎn)，在受力較大的部位可以多布置板條，受力小的部位可以少布置板條；另外，FRP編織網(wǎng)交點(diǎn)處的處理可以根據(jù)設(shè)計(jì)要求選擇不同的方案，達(dá)到預(yù)期的效果。
從材料角度上看，FRP材料，尤其是CFRP，具有耐腐蝕的優(yōu)點(diǎn)。目前許多大跨度斜拉橋的橋索腐蝕問題嚴(yán)重，很多學(xué)者都在研究用CFRP索替換鋼索[1]。對(duì)于大跨度建筑結(jié)構(gòu)同樣存在鋼材腐蝕的問題。在FRP編織網(wǎng)結(jié)構(gòu)中，FRP板條可以很好的抵御化學(xué)侵蝕，從而減少維護(hù)費(fèi)用。另外，CFRP材料在受力方向上的線膨脹系數(shù)小，不會(huì)在超大跨結(jié)構(gòu)中因?yàn)闇囟茸兓a(chǎn)生較大的變形差，也不會(huì)因?yàn)闇夭疃斐奢^大內(nèi)應(yīng)力。
本文提出的FRP編織網(wǎng)結(jié)構(gòu)的基本組成包括:FRP編織網(wǎng)、內(nèi)外錨固環(huán)和面外張拉裝置3個(gè)部分；通過分析有三個(gè)主要受力狀態(tài)為：編織預(yù)張完成狀態(tài)、張拉成形狀態(tài)和受待狀態(tài)，并對(duì)單層細(xì)織網(wǎng)進(jìn)行簡(jiǎn)化得到了受力分析模型，通過算例分析可知，FRP編制網(wǎng)可以實(shí)現(xiàn)。
FRP編織網(wǎng)結(jié)構(gòu)是一種適合于超大跨度的建筑屋面結(jié)構(gòu)體系，但距離實(shí)際應(yīng)用還需要從分析理論到設(shè)計(jì)方法以及施工技術(shù)進(jìn)行更為深入的研究和探討。
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