任意径向集中力下GFRP圆弧拱的稳定性研究

发布时间：2020-05-29 18:08

【摘要】：玻璃纤维增强复合材料(Glass Fiber-reinforced Polymer,简称GFRP)以其质轻高强、耐腐蚀强和可设计性高等优越的性能,应用日益显著。在过去的几十年来,国内外已经建成多座GFRP拱桥,但对于其稳定性研究却很少见。本文首次开展了任意径向集中力作用下的GFRP圆弧拱的试验研究,具体研究内容如下:首次设计了拱结构任意径向加载的试验装置,对不同矢跨比和铺层方式的GFRP圆弧拱进行多点径向加载试验,并使用有限元软件进行模拟分析。(1)GFRP材性试验。根据规范对0°、90°和45°铺角的GFRP板试件分别进行了拉伸试验和剪切试验,测得了对应的弹性模量和泊松比等基本力学参数,为GFRP圆弧拱加载试验以及有限元数值模拟提供基本的力学参数。(2)自主研发了拱任意径向自动加载试验系统。该系统主要由电动滑轨、夹具组合和固定支座组成。该加载系统能实现拱的任意径向位置全自动加载,可调节加载位置、速度和加载步长,实时采集拱的荷载位移曲线,自动跟踪拱失稳过程的平衡路径,捕捉其失稳上、下极值点;系统稳定、可靠和高效。(3)任意径向集中力下GFRP圆弧拱的稳定性试验研究。获得了矢跨比1/8~1/3的GFRP圆弧拱在加载位置η分为0、0.1、0.2、0.25以及0.3的平衡路径,以及失稳上极值点和下极值点,揭示了矢跨比和加载位置对GFRP圆弧拱的稳定性影响规律;探讨了斜角度铺层(0°、15°、30°、45°、60°、75°)、三向角度铺层([0 45 90]s、[0 9045]s、[45 0 90]s、[90 0 45]s、[45 90 0]s)对GFRP圆弧拱的稳定性的影响。(4)任意径向集中力下GFRP圆弧拱的稳定性数值分析。基于材性试验参数,采用有限元软件ANSYS18.0建立了各试验工况对应的GFRP有限元数值分析模型,获得了荷载-位移曲线的数值结果,并与试验结果进行了比对分析,发现二者非常吻合,验证了试验数据的可靠性以及有限元模型的正确性,进一步分析了加载位置、矢跨比、斜角度铺层和三向角度铺层对GFRP圆弧稳定性的影响。
【图文】：

赵州桥

万县长江大桥

拱结构随着科技的更新迭代，建造技术日渐成熟，又凭借着其承载能力高、跨越能力大、外形美观等优势，在国内外桥梁工程、水利工程、机械工程和航天工程等领域都得到了日益广泛的应用[1]。我国拱桥的历史在世界上是最悠来久远的，早在公元前 282 年就有石拱桥的文字记载。在公元前 605 年，匠师李春建造了世界上第一座空腹式石拱桥——赵州桥（图 1-1），该桥在 1991 年被美国土木工程学会选为国际土木工程里程碑。随着科学技术的发展，，建筑结构不再局限于就地取材的石料了，混凝土与钢筋相继面世并被广泛应用到建筑结构上，拱桥的建设规模也随之越来越大。我国在近代时期陆续建造了世界最大跨径的钢筋混凝土拱桥——跨径 420 米的万县长江大桥（图 1-2），世界最大跨径的钢管混凝土拱桥——跨径 460 米的巫山长江大桥（图 1-3），世界上最大跨径的钢拱桥——跨径 550 米的上海卢浦大桥（图 1-4）等，成为了拱桥施工技术处于世界领先水平的国家。
【学位授予单位】：广州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TB33;U441

【参考文献】