索穹頂結構是由拉索和壓桿組成的張拉整體、剛柔組合的大跨空間結構。碳纖維復合材料（CFRP）具有輕質、高強、耐腐蝕、可設計性能良好等優點。將CFRP材料應用于索穹頂結構中的關鍵構件（索和壓桿），可充分發揮材料和結構兩者優勢，形成更加節能環保、高強耐久的新結構。本課題針對新型碳纖維索穹頂結構展開系統研究，具體如下： （1）提出考慮結構自重、預期荷載等的預應力分布求解方法，基于所提組矩陣理論進行了結構找力分析，基于動力松弛法進行了索穹頂結構找形分析。 （2）基于CFRP索桿特點和節點設計要求，提出了四種新型節點，進行了新型節點設計研究。 （3）通過對粘結式錨具進行拉伸和低周疲勞試驗，得出各類長度錨具的錨固性能和影響因素；綜合夾片式和粘結式CFRP索錨具特點，提出和設計了一種新型的內嵌鋼珠式CFRP索錨具，通過試驗驗證了其優越的可靠性能。 （4）通過對CFRP壓桿不同彈性約束下的受力性能進行理論推導、數值分析和實驗研究，確定新型壓桿各類失效模式和影響參數；提出了彈性約束CFRP桿（管）受壓承載力理論公式和臨界長細比。 （5）通過構型研究，提出各組成單元拓撲關系、CFRP索穹頂結構節點和錨具設計方法、施工和張拉成形方案等。通過兩次靜力試驗和數值分析等掌握了新結構的靜力性能和失效模式。 （6）分析了初始預應力、矢跨比、構件截面面積以及荷載作用形式對結構性能的影響； （7）自行設計了振動臺試驗模型、優化其施工及張拉成形方案和配重方案、索穹頂的自振特性和結構響應測量方案，完成了CFRP索穹頂結構的地震模擬振動臺試驗，含8種類型地震波共39個工況。試驗結果與數值模擬符合較好，表明兩者均合理可靠。 （8）研究對比了普通波和強震波、普通波和近場波、普通波和長持時波、近場波和長持時波多種情況下CFRP索穹頂結構的動力響應，并通過CFRP索穹頂結構抗震性能評價證明其擁有很好的抗震性能，提出了抗震設計建議，新結構可推廣應用于強震區。 （9）探討了新結構抗風性能并提出了設計建議。 （10）提出一種將形態分析和結構優化設計相結合的優化設計新思想，考慮預期荷載對結構幾何形態的影響，能夠保證優化設計結果滿足結構優化和形態的雙重要求； （11）結合本課題研究成果和實踐經驗，提出索穹頂結構設計流程和建議，包括形態和荷載分析、優化設計、抗震抗風、節點設計、錨具設計、構件設計和施工等。 2100433B

綠色節能和高效耐久是土木工程發展方向。本項目提出一種高性能碳纖維索穹頂空間結構。該體系能充分發揮碳纖維增強復合材料（CFRP）輕質高強特性，克服普通大跨空間結構材料用量大和耐久性差的缺點，契合可持續發展基本國策。擬通過理論分析、數值仿真和實驗及測試相結合的技術路線，對這一新材料索穹頂結構體系的受力行為和設計理論展開研究。通過確定CFRP 脊索、環索及壓桿的構型和拓撲關系，優化各單元構造尺寸，探索CFRP 筋材張拉錨固體系，研究碳纖維索穹頂體系的構建關鍵技術；對彈性約束CFRP 壓桿的失效模式進行研究，建立針對期望破壞模式的承載力公式；研制匹配CFRP筋和壓桿受力特性的新型連接節點，探究其構造和設計理論；通過整體模型實驗，研究比較新結構的靜動力行為，評價其總體性能，驗證前述研究成果；提出碳纖維索穹頂結構滿足形態要求的結構優化設計理論。該項目是針對新材料結構體系的應用基礎研究。

中心現有研發人員26人，其中研究員和高工以上的高級技術人員15人。具有博士和碩士學位的17人，本科5人，其中，專門從事炭纖維研制和工程化3 人，化學纖維專業的有3人。

中心的主要發展方向：通過高性能炭纖維研發、中試工程化、炭纖維結構與性能表征、炭纖維應用研究平臺，搭建滾動式發展的高性能炭纖維中試工程化項目（HTCF-1、T700、M40、T800、M40J等），實現軍工戰略材料的國產化，為炭纖維產業化和規模效益發展打好基礎。

中心的主要任務：

（1）進行HTCF-1炭纖維關鍵技術研發、中試工程化；

（2）高性能PAN基炭纖維結構與性能表征；

（3）炭纖維復合材料成型新工藝及應用研究；

（4）更高性能（T700、M40、T800等）PAN基炭纖維技術研發；

（5）高性能PAN基炭纖維結構與性能表征開放性實驗室；

（6）高性能炭纖維工程技術和管理高層人才培養。2100433B