GFRP-混凝土组合桥面板仿真模拟及疲劳试验研究

摘要

纤维增强复合材料（FiberReinforced Polymer，FRP）具有轻质、高强、耐久性好和抗疲劳等优点，在土木工程领域得到广泛应用。桥面板是结构的直接受力构件且易受环境侵蚀，利用GFRP作为桥面板或者进行结构加固改造已成为研究热点。GFRP-混凝土组合桥面结构是由GFRP和混凝土通过有效的界面处理手段连接而形成的新型组合结构，这种结构可以提高桥梁的耐久性，通过合理的设计可以兼顾经济性和承载能力，因此在桥梁领域的应用前景广阔。 为保证GFRP-混凝土组合桥面板的安全性，本文对GFRP-混凝土组合桥面板的静力和疲劳性能进行了研究，探讨了组合板的力学性能。主要研究工作包括四个部分： （1）组合桥面板的抗弯试验研究。首先，在课题组前期工作基础上，选取1片GFRP-混凝土组合板和1片钢筋混凝土板进行四点弯曲静力加载试验；然后，选取1片GFRP-混凝土组合板进行四点弯曲疲劳加载试验，研究了GFRP-混凝土组合桥面板的静力和疲劳力学性能。试验结果表明：选取的GFRP-混凝土组合桥面板与钢筋混凝土板的极限承载力和破坏模式基本相同，GFRP-混凝土组合桥面板的抗疲劳性能良好。 （2）GFRP-混凝土组合桥面板静力有限元分析。采用通用有限元分析软件ANSYS对GFRP-混凝土组合板的受力性能进行了有限元模拟分析，计算值与试验值吻合良好。在此基础上进行了参数分析，研究了界面抗剪性能、GFRP弹性模量、混凝土板厚度和混凝土强度对组合板受力性能的影响。 （3）GFRP-混凝土组合桥面板疲劳数值模拟。选取相应的本构模型和失效准则，采用有限元模型和分层法理论模型对GFRP-混凝土组合板的疲劳性能进行模拟。计算值与试验值吻合良好，能对构件的挠度和应变等进行有效预测。在此基础上进行了相同混凝土强度的试件静力和疲劳试验对比，发现疲劳后的试件承载力降低了9.1%。 （4）GFRP-混凝土-钢组合梁桥桥面板工程应用分析。采用ANSYS对某工程实桥建立了单位宽度局部有限元模型，研究了桥面板的横向受力性能。结果发现：组合桥面板界面上的计算应力小于试验板试验值，该桥桥面板能有效抵抗由车辆荷载引起的横向受拉疲劳问题；GFRP板包裹住底部混凝土，阻止裂缝与外界接触，有效提高了桥梁的耐久性。

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