【正文】 7 致謝 作者特此感謝中國(guó)自然科學(xué)基金會(huì)的通過(guò)， 國(guó)家重點(diǎn)工程 FRP 復(fù)合材料在土木上的應(yīng)用項(xiàng)目（項(xiàng)目號(hào)： 50238030）和香港澳門青年學(xué)者聯(lián)合研究22 基金（項(xiàng)目號(hào)： 50329802）對(duì)本研究的支持。本文討論了多種不同的可能形式，包括使用空間弧形外環(huán)梁，雙網(wǎng)膜形式和多環(huán)梁形式。 ：瓦片形式、輻射形式和多邊形花紋結(jié)構(gòu)。這種新結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)如下： 網(wǎng)膜，環(huán)梁和縱向拉力系統(tǒng)是 FRPWWS 的基本組成體系。因此，這個(gè)建筑結(jié)構(gòu)對(duì)承擔(dān)這些荷載有足夠的強(qiáng)度。在這些荷載下，最大位移增幅 1。 FRPWWS 條的總質(zhì)量估計(jì)為 19440kg。 FRPWWS 結(jié)構(gòu)現(xiàn)在已經(jīng)完工。 網(wǎng)膜上預(yù)施加的預(yù)應(yīng)力等級(jí)不超過(guò) 210Mpa，當(dāng)內(nèi)圈梁下墜后不超過(guò)1000MPa。在有限元分析中考慮了大幅度變形的幾何非線性而忽略了織條間的相互作用。它其實(shí)共有 360 套織條組構(gòu)成，每組擁有三根編織條。表 1 中產(chǎn)品 2 取自這個(gè)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，它具有 2021MPa 的抗拉設(shè)計(jì)值。 5． 2 一個(gè)簡(jiǎn)單的 FRPWWS 結(jié)構(gòu) 圖 14 所示的 FRPWWS 結(jié)構(gòu)是由 ANSYS 2021 軟件的有限元分析法繪出的。這些包括最初的控制拉力或稱為預(yù)拉應(yīng)力 0H ,垂直方向的力 V 或內(nèi)環(huán)梁的初位移 1? 。最終，加上均布荷載 q=，因而 ?? ， kNH ? ，編織條中最大應(yīng)力為 2352Mpa 且作用在外沿連接點(diǎn)處。在第二個(gè)狀態(tài)中，網(wǎng)軸垂直方向 上豎 向力 V=30kN 。 舉例 來(lái)講 ,如圖 13 所示在 FRPWWS 中取一對(duì)編織條 ,其中 L=80m 且材料性能與表一中產(chǎn)品 2 的那些性能相同。則有 ? ?? L VdxxqR 0 )( (7) 編織條的彎曲形狀由下式表示 0)(222 ?? xqdx zdH (8) 如果 q(x)是均布荷載，曲線形狀可以重積分簡(jiǎn)單的算出。在交匯處的反作用力可被分解為水平作用力 2H 和垂直方向反力 R。根據(jù)平衡條件有 2211 VHT ?? （ 3） 如果此時(shí)編織帶應(yīng)變?yōu)?1? ，則 1?EAT1? （ 4） 021201 LLL ????? ?? （ 5） 按照幾何條件有 LHV 11 ?? （ 6） 根據(jù)聯(lián)立這些方程， 111 , ??T 即可求得。作19 用在編 織條的一端固EAH00 ?? （ 1） 編織條初始長(zhǎng)度00 1 ???LL （ 2） 如圖 13（ b）所示的第二個(gè)狀態(tài)中，內(nèi)圈梁上作用有兩個(gè)垂直的力 V 使內(nèi)圈梁下降從而拉伸編織條。 假設(shè)編織帶的橫截面積為 A，彈性摸量為 E，內(nèi)外圈梁繁榮半徑差為 L，F(xiàn)RP 編織條的自重和柔度由于極小而忽略不計(jì)。外環(huán)梁視作一不動(dòng)點(diǎn)而內(nèi)環(huán)梁視做一個(gè)剛體。一個(gè)簡(jiǎn)單的膜中呈 180176。 FRPWWS 還能與其他種類結(jié)構(gòu)綜合使用形成混 合結(jié)構(gòu)體系。如果一個(gè)雙網(wǎng)膜結(jié)構(gòu)也有多個(gè)圈形梁，稱為一個(gè)折疊式網(wǎng)膜結(jié)構(gòu)（如圖 12）。 4． 4 多環(huán)梁型的 FRPWWS 結(jié)構(gòu) 一個(gè)簡(jiǎn)單的 FRPWWS 結(jié)構(gòu)中只有兩個(gè)環(huán)梁。這種類型的雙網(wǎng)膜結(jié)構(gòu)在圖示 10 中所示。后者適用于形成網(wǎng)膜并達(dá)到預(yù)定的應(yīng)力水平，其中有多種不同的方式，包括如前所述的使用預(yù)應(yīng)力筋，用一支撐圓柱撐起或在內(nèi)環(huán)梁上懸一重物，可以制成屋頂可收縮的結(jié)構(gòu)。編織條的預(yù)拉分為兩個(gè)步驟：在錨固的環(huán)形梁之間的平面內(nèi)初始預(yù)加18 拉力和第二階段內(nèi)圈梁相對(duì)于外圈梁的縱向位移產(chǎn)生的預(yù)拉應(yīng)力。由于網(wǎng)膜由許多的單個(gè)線條組成，它在保證有良好的力學(xué)性能的前提下使曲面的成型具有很大的靈活性。如果 FRP 網(wǎng)的外層錨固在這樣一個(gè)環(huán)梁上，編織條能在空間形成一個(gè)光滑曲面，如圖 9 所示的那樣。在實(shí)踐中，一個(gè) FRPWWS 結(jié)構(gòu)可能會(huì)兼有這三種類型的綜合運(yùn)用。 圖 7 和圖 8 分別顯示了這兩種類型的一些例子。圖 6 所示的是瓦片模式，其有明顯的分界線尤如鋪好的瓷磚一樣。最初在織網(wǎng)中有多種形式可供選擇，這將會(huì)導(dǎo)致不同的力學(xué)性能。根據(jù)力的分解原理，在垂直于網(wǎng)膜方向上的一小點(diǎn)力在平面內(nèi)沿織條可以形成一個(gè)很大的力使網(wǎng)帶可以受拉，最終使網(wǎng)面有足夠的剛性來(lái)承擔(dān)荷載。當(dāng)撤去內(nèi)17 環(huán)梁的臨時(shí)支撐時(shí)內(nèi)環(huán)梁因自重向網(wǎng)面平面外方向下墜，如果必要的話還能在此基礎(chǔ)上再加額外的荷載。編織帶應(yīng)遵循指定的編織方案來(lái)進(jìn)行編織，這通常由結(jié)構(gòu)工程師和建筑設(shè)計(jì)師共同確定。爾后， FRP 編織成的網(wǎng)膜通過(guò)鉸接點(diǎn)與環(huán)行梁連接起來(lái)并通過(guò)施加一些初始應(yīng)力使其形成一個(gè)扁平的形狀。一般情況下，外環(huán)梁受壓力而內(nèi)環(huán)梁受拉力（再編織網(wǎng)膜的過(guò)程中）。 3 簡(jiǎn)易 FRPWWS 的施工 照?qǐng)D 4 所介紹的五個(gè)步驟，可以完成一個(gè)最簡(jiǎn)易的 FRPWWS 結(jié)構(gòu)。在交叉點(diǎn)處，當(dāng)完全成型后可用附著粘合使 FRP 條全部互交或不進(jìn)行粘合使其 相互之間可以可以自由滑動(dòng)。相交如圖 3（ b）所示，還有圖 3（ c）所示的四條織帶的 45176。但大部分情況下，編織條在交叉點(diǎn)處的數(shù)量和互相之間的角度，才是衡量織網(wǎng)樣式的主要標(biāo)準(zhǔn)；每?jī)筛棊б?90176。最簡(jiǎn)易的編織方法之一就是一根帶子與經(jīng)過(guò)的垂直的其他帶子上下交錯(cuò)，來(lái)制造一個(gè)像織物一樣的網(wǎng)面。作為對(duì)比同 等強(qiáng)度的 300m 鋼纜自重已經(jīng)超過(guò)500kg 了。 編織條材料由于密度小而易被彎曲和盤繞。碳纖維 FRP 是近年來(lái)被廣泛應(yīng)用于高強(qiáng)度混凝土結(jié)構(gòu)16 的新型材料，它通常由擠壓制造，含纖維比例達(dá)到 65%。 2 簡(jiǎn)單 FRPWWS 的布局 一個(gè)簡(jiǎn)易的 FRP 織網(wǎng)結(jié)構(gòu)包括一張 FRP 編織網(wǎng)、用于錨固的外環(huán)梁和內(nèi)環(huán)梁還有一個(gè)用于張緊的額外重力荷載或一組被施加預(yù)應(yīng)力的筋，如圖一所示。提出了一個(gè)用于網(wǎng)中單一 FRP 條的力學(xué)模型。織網(wǎng)的平面被大致的歸為三類。然而， FRPWWS 結(jié)構(gòu)有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)：（ 1） FRP 材料自重低且縱向上優(yōu)越的材料性能被有效利用，而橫向上的弱點(diǎn) 卻沒(méi)有暴露出來(lái)，因此在超大跨度的結(jié)構(gòu)中 FRP 系統(tǒng)是理想的；（ 2） FRP 編條的交匯處會(huì)產(chǎn)生巨大的阻尼，從而加強(qiáng)結(jié)構(gòu)抗風(fēng)抗震能力；（ 3）有規(guī)則的織網(wǎng)造型會(huì)使表面比較美觀；（ 4）耐腐蝕并且由于自重小安裝和維護(hù)成本低。 因此，受拉的 FRP 網(wǎng)形成了一個(gè)帶有兩個(gè)圈梁的大跨屋面，該 FRP 網(wǎng)的集合剛度能抵抗各種荷載。為保證進(jìn)行“編織”時(shí) FRP 材料條的平直，首先要對(duì) FRP 編織條施加一定程度的預(yù)應(yīng)力。這個(gè)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的外沿錨固在外圈梁上，結(jié)構(gòu)的中心處還有一個(gè)較小的內(nèi)圈梁用于錨固織帶。這種新的結(jié)構(gòu)形式旨在試圖在一個(gè)大跨度的屋頂中有效利用 FRP 材料的性能。 Maeda et al.(2021)就設(shè)想了用 FRP 材料建造跨度 5000 米的懸索橋。由于他具有一些良好的性能，如抗腐蝕，重量輕，強(qiáng)度高，抗疲勞性好以及維修費(fèi)用低，它被認(rèn)為是在新世紀(jì)建造大跨度結(jié)構(gòu)的理想建材，但是它在某些方面的機(jī)械性能與那些傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)材料還是有明顯的區(qū)別，譬如它的各項(xiàng)異性現(xiàn)象。文中介紹了一個(gè)簡(jiǎn)單的力學(xué)模型用于單個(gè)的 FRP 條力學(xué)變形，也給出了一個(gè)實(shí)例結(jié)構(gòu)的有限元分析的過(guò)程。由于 FRP 材料的具有較高的材料 重量比，這種全新的結(jié)構(gòu)形式為一些大跨度的空間建設(shè)提供了一種具有吸引力的選擇方案，該跨度長(zhǎng)于用常規(guī)結(jié)構(gòu)材料建筑的跨度。在一個(gè) FRPWWS結(jié)構(gòu)中，高強(qiáng)度的 FRP 材料條像中國(guó)竹席中的竹片一樣被編織在一起形成一個(gè)平面網(wǎng)，這個(gè)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的外圍錨固在一個(gè)圈形的梁上，結(jié)構(gòu)的中心處還有一個(gè)用于錨固織網(wǎng)的內(nèi)圈梁。 shown in Fig. 3(b), and four strips at 45176。 and (4) the corrosion resistance of FRP and the ease of installation because of its lightweight translate into low maintenance costs. In this paper, the basic layout and construction procedure for a simple FRPWWS system is presented in detail. The weaving patterns in plane are summarized into three types. Some spatial FRPWWS forms for practical applications are also proposed. A simple mechanical model for individual FRP strips in the web is presented. Results from the finite element analysis of a simple FRPWWS are also described. 2 LAYOUT OF A SIMPLE FRPWWS A simple FRP woven web structure is posed of a FRP woven web, an outer ring beam and an inner ring beam for anchorage, and an additional weight or a set of prestressed tendons, as shown in Figure 1. The web is woven with FRP strips, and CFRP strips or other highperformance hybrid FRP strips are suggested. CFRP strips, which have 4 been widely used to strengthen concrete structures in recent years, are manufactured by pultrusion in general, with a fiber volume ratio of about 65%. The properties of two representative products made in China and Switzerland respectively are listed in Table 1. The strips can be curved and circumvoluted due to their small thickness. A typical CFRP strip with properties similar to those shown in Table 1 is able to resist a tensile force of 400kN or more, while the weight of a 300m long strip is less than 70kg. In parison, the self weight of a 300m long high strength steel cable which can resist the same load is more than 500kg. The strips are arranged into a plane surface of a suitable pattern by some predef