纤维增强复合材料轴心受力构件的理论与试验研究

摘要

空间结构正朝着大跨度方向发展，这对材料提出了更高的要求。将轻质高强耐腐蚀的复合材料用于索穹顶结构中可有效增大结构跨度，由于各向异性的复合材料与钢结构的性能有很大差异，因此对于索穹顶中复合材料构件的研究具有十分重要的意义。本文以新型索穹顶结构为研究背景，以索穹顶中的压杆为研究对象，采用试验研究、数值模拟和理论分析相结合的方法，对纤维增强复合材料的轴心受力性能进行了研究。
　　本研究主要内容包括：⑴通过材性试验测得了拉挤型玻璃纤维复合材料的基本力学性能参数。对GFRP板进行轴向拉伸试验，得到拉伸承载力、抗拉强度和弹性模量等力学参数。通过有限元软件ABAQUS进一步研究了试件两端的加强片宽度和厚度、加强片与GFRP板宽度比等因素对GFRP板拉伸承载力的影响。⑵对GFRP中长杆进行轴心受压稳定性试验研究，得到了稳定承载力和破坏模式。采用ABAQUS有限元软件，选用二维Hashin准则并引入初始缺陷，建立GFRP轴压杆的有限元模型。通过与试验结果的对比，证明了所建模型的正确性。对所建模型进行数值分析，得到了GFRP杆的稳定承载力与长细比和径厚比的关系曲线。⑶对GFRP中长杆和长杆的轴压稳定性进行理论分析。采用有限元软件ABAQUS对三种简单边界条件和有侧移弹性支承条件下，不同长细比、径厚比和壁厚的拉挤型GFRP轴压杆进行屈曲分析，发现减小长细比、增大径厚比、增加壁厚，均可以提高屈曲荷载值;通过修正欧拉公式得到了拉挤型GFRP杆的屈曲荷载理论计算公式。对轴压中长杆和长杆施加初始缺陷进行极限承载力分析，通过修正的Perry公式，建立了拉挤型GFRP中长杆和长杆的稳定承载力理论计算公式。