FRP型材節(jié)點連接長期性能及桁架結構分析.pdf

1、纖維增強復合材料(FRP)因其輕質、高強、耐腐蝕的特點在工程結構得到了廣泛的應用。除了結構加固修補中大量采用的FRP片材和筋材外，由FRP拉擠型材作為建筑材料的新建結構的應用也日益受到工程界的重視。雖然FRP型材呈現(xiàn)出較為明顯的各向異性，但其在順纖維方向的抗拉強度特別高，并且抗壓強度一般也能夠滿足結構受力要求，非常適合用作僅受軸向荷載的桁架結構中的桿件。由全FRP拉擠型材建造的桁架結構，充分地利用了FRP材料輕質、高強的優(yōu)勢，在承載力、

2、剛度滿足使用要求的情況下，大幅度降低了結構自重，從而實現(xiàn)桁架結構體系的輕量化和高性能化。同時FRP型材還有效解決了傳統(tǒng)鋼材易腐蝕的問題，有效提高了結構的安全性、降低結構了結構的后期維護成本。當FRP型材用于桁架結構時，耐久性能和節(jié)點連接的問題是影響結構長期力學性能的關鍵問題。但目前國內外針對FRP拉擠型材及其連接節(jié)點長期性能方面的研究還幾乎空白。
　　本文以某實際建設的拉擠成型FRP桁架橋為工程背景，針對FRP型材結構復雜的應用環(huán)

3、境和節(jié)點連接問題，對FRP型材本身和連接節(jié)點的長期性能進行了理論和試驗研究，并采用ANSYS軟件對FRP拉擠桁架橋結構進行了數(shù)值分析和對比，主要研究內容如下:
　　(1)考慮到FRP型材結構復雜的應用環(huán)境，進行了BFRP拉擠型材的靜力和疲勞性能測試以及BFRP拉擠型材在酸雨、鹽霧、紫外線環(huán)境下的耐久性能試驗。得到了BFRP型材的S-N曲線及在不同環(huán)境腐蝕下的力學性能退化曲線，并對腐蝕后的試件進行了SEM觀測分析，進而揭示了FRP拉

4、擠型材在不同環(huán)境下的腐蝕退化機理。結果證明在疲勞荷載作用下，型材的一般破壞規(guī)律為，先在構件中部出現(xiàn)裂縫并進一步發(fā)展，最終構件在疲勞荷載的作用下纖維斷裂而發(fā)生破壞。由于型材的生產(chǎn)中需添加填料，所以一般型材的疲勞性能要低于筋材。對FRP型材耐酸雨腐蝕的試驗證明，酸雨對型材的腐蝕主要發(fā)生在纖維與基體的界面位置，BFRP型材有著良好的耐酸雨性能，即使在pH=2/55℃的加速環(huán)境下，經(jīng)歷9個星期的腐蝕，2mm和5mm厚的試件的強度保留率分別高達8

5、1.5％和89.5％。壽命預測的結果表明，服役環(huán)境溫度為30℃時，在酸雨pH=4和pH=2的條件下，服役300年后，5mm厚的構件強度保留率可以達到78.37％和77.28％。對FRP型材耐紫外線和鹽霧的試驗證明，紫外線和鹽霧對型材的腐蝕主要是通過侵蝕樹脂造成的，BFRP型材耐紫外線性能和鹽霧性能優(yōu)異，在紫外線+淋雨環(huán)境腐蝕9周之后，2mm厚型材強度僅僅下降了5.91％，而5mm則更小，僅為3.63％。在鹽霧環(huán)境腐蝕9周后，2mm和5m

6、m厚型材強度保留率分別為93.49％和96.04％
　　(2)除了傳統(tǒng)鋼蓋板/鋼螺栓的連接形式，為進一步降低節(jié)點重量并提高結構的耐久性能，本文還采用了更加輕質的FRP蓋板和FRP螺栓，進行了不同連接材料下的螺栓節(jié)點的靜力及疲勞性能試驗。靜力性能的試驗結果表明，采用不同材料的蓋板與螺栓組合時，群栓節(jié)點的強度相差不大。疲勞性能試驗的結果表明，當采用FRP螺栓時，在同等應力水平條件下，節(jié)點疲勞的離散性比采用鋼螺栓時更小，強度也更高;

7、r>　　(3)利用ANSYS對背景工程橋進行數(shù)值模擬分析，提出以BFRP型材設計制作桁架主體，以價格相對低廉的GFRP制作次要受力結構的混雜設計方案，替代原先的全GFRP的設計方案，以達到降低結構撓度的同時控制建造成本的目的。靜力分析的結果表明，當主要受力部位，即兩榀桁架全部或部分采用BFRP型材時，結構的撓度能夠得到有效的控制。對桁架的模態(tài)分析表明，采用BFRP型材時結構的各階自振頻率都能有所提高，比GFRP的桁架橋擁有更好的抗震性能