考虑界面滑移和剪切变形影响的GFRP-混凝土组合梁变形分析

发布时间：2020-03-24 09:25

【摘要】：新材料和组合结构的研究与应用是桥梁工程发展的重要方向。FRP是一种轻质高强、耐久性好的高性能材料,与混凝土构成的组合梁在中小跨径桥梁中具有竞争力。由于FRP型材的刚度较小,使变形成为控制结构设计的关键,本文通过变形试验、理论分析和数值分析对GFRP-混凝土组合梁的变形计算方法和参数影响展开研究。完成的主要工作如下:1.开展变形试验研究,探究了不同参数对组合梁破坏模式与变形特性的影响。研究表明,组合梁主要有混凝土压碎破坏、GFRP脆性破坏和整体延性破坏三种破坏模式;组合梁中存在界面滑移效应。混凝土强度较低时,组合梁在加载前期处于弹性状态,在加载后期变形呈明显的非线性增长;混凝土强度提高到C40及以上时,组合梁的荷载-变形曲线近似为直线。2.基于静力法和铁木辛柯梁理论,本文推导了考虑界面滑移和剪切变形影响的GFRP-混凝土组合梁变形计算公式。将解析解与试验结果对比,验证了本文公式的准确性。分析表明,两种因素对组合梁变形的影响随跨高比增大而减小,且剪切变形的影响更大。3.采用ANSYS软件建立GFRP-混凝土组合梁的有限元模型,对比试验结果验证了考虑界面滑移建模方式的准确性。应用该模型对影响界面滑移和剪切变形的连接件参数与GFRP几何参数进行了分析;在参数分析的基础上,考虑竖向分离效应的影响修正了组合梁的变形计算公式。同时建立精细化模型,对螺栓连接处的局部变形和应力分布进行了分析。4.结合实际工程,将本文提出的变形计算方法与数值建模方式应用于全GFRP桥和GFRP-混凝土组合梁桥的变形分析,证实了公式的实用性。同时开展了人群荷载试验,结果表明全GFRP桥在静载和冲击作用下具有优良的结构性能。本文对GFRP-混凝土组合梁进行了变形分析,推导了实用的变形计算公式,建立了能用于参数影响分析的数值模型,为GFRP桥梁的设计计算和工程应用提供有益借鉴。
【图文】：

型材,应变关系,应力

Ｆｉｇ．邋１邋－邋１邋Ｆｉｂｅｒ邋ｐｌａｃｅｍｅｎｔ邋ｏｆ邋ＦＲＰ邋ｐｒｏｆｉｌｅ逡逑国内外许多试验研宄表明，不同类型的ＦＲＰ材料及构件的应力－应变关系接近逡逑理想的线弹性模型［１８］，如图１－２所示，在纤维长度方向不存在屈服强度，只有极逡逑限强度，，当纤维应力超过其抗拉强度则认为纤维断裂。逡逑—逡逑／Ｔ＊邋ｆｉｂｒｅｓ逡逑＂－ｊｉ逡逑ｊ逦ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ逡逑／邋、：逡逑Ｊ邋／逦ｍａｔｒｉｘ逡逑＾ｍａｖ．ｎｉ逡逑￡＊ａ？ｃ，ｃ逡逑图１－２邋ＦＲＰ型材的应力？应变关系逡逑Ｆｉｇ．卜邋２邋Ｓｔｒｅｓｓ－ｓｔｒａｉｎ邋ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ邋ｏｆ邋ＦＲＰ邋ｐｒｏｆｉｌｅ逡逑早期的ＦＲＰ型材主要采用手糊等工艺制作，质量稳定性较差，力学性能离散逡逑性较大。近年来，ＦＲＰ材料的制作工艺有了很大的改进，拉挤、真空灌注等工业逡逑化成型工艺不断发展成熟，可以生产出性能更稳定、尺寸更大以及形状更多样的逡逑构件。这种高性能结构型材具有工业化和标准化特点，适合大规模生产，推动了逡逑复合材料产业的发展。逡逑１．２．２邋ＦＲＰ－混凝土组合梁的界面连接研究逡逑３逡逑

（１）国外ＦＲＰ桥梁逡逑１９９７年，瑞士邋Ｐｏｎｔｒｅｓｉｎａ河上建成了一座两跨２５ｍ长、宽１．５ｍ的ＦＲＰ连续逡逑桁架桥（图１－邋４邋ａ），分别采用螺栓连接和胶栓混合连接，在春季和夏季作为景观桥逡逑使用，在冬季被吊装至其他场地存放，至今已经反复使用了邋２０余年。逡逑２００２年在澳大利亚建成了一座跨度为的ＦＲＰ－混凝土组合梁桥，静载和疲逡逑劳试验以及现场实测的结果都表明这种结构具有很好的承载能力［５３］。２００４年西班逡逑牙建成了第一座ＣＦＲＰ－混凝土组合梁桥（图１－４邋ｂ），邋ＦＲＰ为箱形截面，在腹板内填逡逑充混凝土［４］。逦逡逑－Ｉ逡逑（ａ）邋Ｐｏｎｔｅｒｅｓｉｎａ邋桥逦（ｂ）邋Ａｕｔｏｖｉａ邋ｄｅｌ邋Ｃａｎｔｄｂｒｉｃｏ邋桥逡逑图１－４国外ＦＲＰ桥梁逡逑Ｆｉｇ．卜邋４邋Ｏｖｅｒｓｅａｓ邋ＦＲＰ邋ｂｒｉｄｇｅ逡逑２０１１年，在日本广岛县的Ｋｕｒｅ市建成了一座简支ＨＦＲＰ人行桥（图１－５），用逡逑以替换己经腐蚀严重的钢桥，桥梁总长为１２米，有效桥面宽度为０．７５米［２７］。人行逡逑桥由两根ＨＦＲＰ工字梁和格栅桥面板组成，ＨＦＲＰ由ＧＦＲＰ和ＣＦＲＰ混合制成，一逡逑方面弥补ＧＦＲＰ型材刚度较小的不足，一方面降低桥梁造价。逡逑图］－５邋ＨＦＲＰ人行桥逡逑Ｆｉｇ．ｌ－邋５邋ＨＦＲＰ邋ｐｅｄｅｓｔｒｉａｎ邋ｂｒｉｄｇｅ逡逑９逡逑
【学位授予单位】：北京交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TU398.9

【参考文献】