FRP型材节点连接长期性能及桁架结构分析

摘要

纤维增强复合材料(FRP)因其轻质、高强、耐腐蚀的特点在工程结构得到了广泛的应用。除了结构加固修补中大量采用的FRP片材和筋材外，由FRP拉挤型材作为建筑材料的新建结构的应用也日益受到工程界的重视。虽然FRP型材呈现出较为明显的各向异性，但其在顺纤维方向的抗拉强度特别高，并且抗压强度一般也能够满足结构受力要求，非常适合用作仅受轴向荷载的桁架结构中的杆件。由全FRP拉挤型材建造的桁架结构，充分地利用了FRP材料轻质、高强的优势，在承载力、刚度满足使用要求的情况下，大幅度降低了结构自重，从而实现桁架结构体系的轻量化和高性能化。同时FRP型材还有效解决了传统钢材易腐蚀的问题，有效提高了结构的安全性、降低结构了结构的后期维护成本。当FRP型材用于桁架结构时，耐久性能和节点连接的问题是影响结构长期力学性能的关键问题。但目前国内外针对FRP拉挤型材及其连接节点长期性能方面的研究还几乎空白。
　　本文以某实际建设的拉挤成型FRP桁架桥为工程背景，针对FRP型材结构复杂的应用环境和节点连接问题，对FRP型材本身和连接节点的长期性能进行了理论和试验研究，并采用ANSYS软件对FRP拉挤桁架桥结构进行了数值分析和对比，主要研究内容如下:
　　(1)考虑到FRP型材结构复杂的应用环境，进行了BFRP拉挤型材的静力和疲劳性能测试以及BFRP拉挤型材在酸雨、盐雾、紫外线环境下的耐久性能试验。得到了BFRP型材的S-N曲线及在不同环境腐蚀下的力学性能退化曲线，并对腐蚀后的试件进行了SEM观测分析，进而揭示了FRP拉挤型材在不同环境下的腐蚀退化机理。结果证明在疲劳荷载作用下，型材的一般破坏规律为，先在构件中部出现裂缝并进一步发展，最终构件在疲劳荷载的作用下纤维断裂而发生破坏。由于型材的生产中需添加填料，所以一般型材的疲劳性能要低于筋材。对FRP型材耐酸雨腐蚀的试验证明，酸雨对型材的腐蚀主要发生在纤维与基体的界面位置，BFRP型材有着良好的耐酸雨性能，即使在pH=2/55℃的加速环境下，经历9个星期的腐蚀，2mm和5mm厚的试件的强度保留率分别高达81.5％和89.5％。寿命预测的结果表明，服役环境温度为30℃时，在酸雨pH=4和pH=2的条件下，服役300年后，5mm厚的构件强度保留率可以达到78.37％和77.28％。对FRP型材耐紫外线和盐雾的试验证明，紫外线和盐雾对型材的腐蚀主要是通过侵蚀树脂造成的，BFRP型材耐紫外线性能和盐雾性能优异，在紫外线+淋雨环境腐蚀9周之后，2mm厚型材强度仅仅下降了5.91％，而5mm则更小，仅为3.63％。在盐雾环境腐蚀9周后，2mm和5mm厚型材强度保留率分别为93.49％和96.04％
　　(2)除了传统钢盖板/钢螺栓的连接形式，为进一步降低节点重量并提高结构的耐久性能，本文还采用了更加轻质的FRP盖板和FRP螺栓，进行了不同连接材料下的螺栓节点的静力及疲劳性能试验。静力性能的试验结果表明，采用不同材料的盖板与螺栓组合时，群栓节点的强度相差不大。疲劳性能试验的结果表明，当采用FRP螺栓时，在同等应力水平条件下，节点疲劳的离散性比采用钢螺栓时更小，强度也更高;
　　(3)利用ANSYS对背景工程桥进行数值模拟分析，提出以BFRP型材设计制作桁架主体，以价格相对低廉的GFRP制作次要受力结构的混杂设计方案，替代原先的全GFRP的设计方案，以达到降低结构挠度的同时控制建造成本的目的。静力分析的结果表明，当主要受力部位，即两榀桁架全部或部分采用BFRP型材时，结构的挠度能够得到有效的控制。对桁架的模态分析表明，采用BFRP型材时结构的各阶自振频率都能有所提高，比GFRP的桁架桥拥有更好的抗震性能;同时也表明，无论采用何种FRP型材，结构振型模态都不会发生改变，前2阶模态都以横向变形为主，因此结构对横向地震作用更为敏感。并且，结构在动力荷载作用下，由于结构上弦杆比下弦杆的刚度要小，结构发生较大变形的位置都集中在桁架上部，因而在FRP桁架桥设计中，结构上弦杆需要着重考虑。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景及目的

1．2 国内外研究现状

1．2．1 复合材料长期性能研究现状

1．2．2 复合材料节点连接技术的研究现状

1．3 本文研究的主要内容

第二章 BFRP拉挤型材长期性能研究

2．1 引言

2．2 BFRP拉挤型材的疲劳性能试验研究

2．2．1 BFRP拉挤型材拉伸强度试验

2．2．2 BFRP拉挤型材疲劳性能试验结果与分析

2．3 BFRP拉挤型材的耐酸雨性能试验研究

2．3．1 BFRP拉挤型材耐酸雨腐蚀性能试验方案

2．3．2 BFRP拉挤型材耐酸雨腐蚀性能试验

2．3．3 BFRP拉挤型材耐酸雨腐蚀性能试验结果分析

2．3．4 FRP型材耐酸雨腐蚀性能寿命预测

2．4 BFRP拉挤型材的耐紫外线性能试验研究

2．4．1 耐紫外线试验设计研究

2．4．2 BFRP拉挤型材耐紫外线性能试验结果分析

2．5 BFRP拉挤型材的耐盐雾腐蚀性能试验研究

2．5．1 耐盐雾腐蚀试验设计研究

2．5．2 BFRP拉挤型材耐紫外线性能试验结果分析

2．6 本章小结

第三章 BFRP型材连接节点性能研究

3．1 引言

3．2 BFRP型材结点连接试验方案

3．2．1 试验方案研究

3．2．2 构件制作

3．2．2 构件设置

3．3 BFRP型材结点连接试验结果对比与分析

3．3．1 静力性能结果对比与分析

3．3．2 疲劳性能结果对比与分析

3．5 本章小结

第四章 FRP拉挤型材桁架结构数值分析

4．1 引言

4．2 背景桥介绍

4．3 静力性能分析及设计优化

4．3．1 桁架桥整体有限元模型

4．3．2 设计优化及结果对比

4．4．3 模态分析对比

4．4 本章小结

第五章 全文结论与展望

5．1 本文主要研究结论

5．2 有待进一步研究的内容

参考文献

致谢

读硕士期间发表的学术论文