FRP-混凝土板桁组合梁桥节点连接失效机理与设计方法研究

摘要

FRP-混凝土板桁组合梁桥是一种能有效发挥拉挤型材力学特点的桥梁结构体系，顺应了中国桥梁工程发展高性能新型桥梁体系的趋势。欲推广该组合结构体系在工程中的应用，需科学认识其节点连接失效机理并准确预测其承载能力。本文围绕FRP拉挤型材节点连接静载失效机理的关键科学问题，通过理论解析和数值模拟等方法，研究了FRP拉挤型材多尺度弹性常数计算方法、FRP桁架螺栓节点的渐进损伤失效机理及承载力预测方法，并提出FRP-混凝土板桁组合梁桥设计流程及方法。本文的主要研究内容包括： （1）FRP材料多尺度力学性能理论及数值分析 研究了单层板弹性常数细观力学理论，提出修正混合法的三维补充公式，建立了代表体积单元（RVE）细观数值模型，并编制弹性常数计算程序。分析比对了修正混合法模型、均匀化理论及代表体积单元数值模型的对弹性常数的预测精度，提出了单层板弹性常数计算方法的优化建议。建立了基于经典层合板理论的复合材料层合板三维等效工程常数计算方法并编制Matlab计算程序，计算结果与试验值吻合较好。建立了不同尺度的复合材料层合板模型并比较其精度，根据各模型的特点对其应用范围提出相应的建议。 （2）FRP螺栓连接渐进损伤失效及承载能力分析 提出了以等效层合应力分析模型、Hashin-Rotem失效准则、Matzenmiller刚度退化模型和螺栓节点失效评价方法为基础的FRP螺栓连接渐进损伤分析流程。建立了FRP单栓连接渐进损伤数值模型，结果表明双剪试件的荷载位移曲线与试验结果基本吻合，失效荷载误差为4.75%；对比分析了剪切形式对试件性能的影响，并分析了单剪试件的误差产生原因。研究了FRP各层孔边应力分布的特点及FRP各层的损伤起始、损伤扩展以及极限失效的全过程。基于渐进损伤数值模型的承载能力预测功能，进行了几何参数对连接强度的影响分析，提出了FRP螺栓连接的几何优化设计建议。 （3）FRP-混凝土板桁组合梁桥节点受力性能分析 提出了开口型材夹持节点连接构造并对其连接区域按照几何参数优化设计建议进行螺栓排布设计。建立了开口型材夹持节点等效层合模型，预测了节点连接结构的损伤起始荷载及失效荷载，作为FRP-混凝土板桁组合梁桥型材节点的设计依据。分析了腹杆竖直节点及腹杆倾斜节点在拉伸和压缩荷载下的刚度退化规律。研究了各铺层损伤趋势与其对应的“纤维-螺栓挤压角度”相关联的特征。结合FRP-混凝土界面螺栓连接的推出试验结果，提出了基于单个螺栓承载力的FRP-混凝土界面螺栓连接抗剪设计方法。 （4）FRP-混凝土板桁组合梁桥设计方法 基于FRP拉挤型材多尺度力学性能计算方法、FRP桁架开口型材夹持连接数值模型及FRP-混凝土界面螺栓剪力连接设计方法，提出了FRP-混凝土板桁组合梁桥的设计要点与设计流程。进行了FRP-混凝土板桁组合梁桥的设计，设计内容包括板桁组合截面、桁架立面设计、桁架螺栓节点设计及FRP-混凝土界面连接的设计。建立了FRP-混凝土板桁组合梁桥数值模型，对其挠度、桥面板应力、桁架螺栓节点连接承载力、界面抗剪承载力等进行验算，其结果符合现行规范的设计要求。

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