碳纤维拉索疲劳性能试验研究与理论分析
发布时间：2021-01-05 21:25
随着现代桥梁技术的发展,斜拉桥和悬索桥成为了大跨度桥梁的主要结构形式。这两种结构形式都具有跨度大,自重轻的优点;但同时也存在这各自的缺点,比如斜拉桥设计计算复杂,施工技术要求高,连接构造复杂等;悬索桥抗振动能力差,索体服役期间不可更换等。国内外桥梁工程师不断地推动跨度的进一步的增长,使得桥梁工程师们面临着传统钢拉索所带来的问题:（1）传统钢拉索自重大;（2）传统钢拉索使用寿命低;（3）传统钢拉索后期维护成本和施工难度高。基于上述传统钢拉索的问题,一种替代钢材新材料——碳纤维增强复合材料CFRP（Carbon Fiber Reinforced Polymer/Plastic）便能很好地解决上述问题。CFRP具有轻质高强、耐腐蚀、耐疲劳等优良性能,当前该复合材料在土木工程已经得到了大力推广,可以用于既有结构的加固与修复,也可作用于大跨度桥梁中发挥该材料的性能优势,特别是用作斜拉桥的拉索和悬索桥的吊杆。本文采用试验研究与理论分析相结合的方法,对CFRP夹片式拉索的疲劳性能展开了研究,主要研究内容及成果如下:（1）通过解析模型初步设计锚具尺寸,然后基于ABAQUS软件,通过理论分析和有限元模拟...
【文章来源】：东南大学江苏省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：108 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
常见FRP制品
东南大学硕士毕业论文41.2所示。不同种类FRP筋材具有不同的基本力学性能，但都具有很高的拉伸强度，如表1.2和图1.2所示。（a）AFRP筋：Technora（b）CFRP筋：Leadline（c）GFRP筋（d）CFRP绞线：CFCC图1.2不同的FRP筋种类[9,10]表1.2各类FRP筋材与钢筋钢绞线的力学性能对比[11,12]材性CFRP筋AFRP筋GFRP筋BFRP筋普通钢筋钢绞线密度（g/cm3）1.5~1.61.25~1.41.25~2.11.8~2.17.857.85抗拉强度（Mpa）600~37001200~2550480~1600>1000490~7001400~1890屈服强度（Mpa）////280~4201050~1400受拉弹性模量（Gpa）120~58040~12535~65>45210180~200极限延伸率（%）0.5~1.71.9~4.41.2~3.1>1.9>10.0>4.0轴向膨胀系数（10-6/C）0.6~1.0-6.0~-2.08.0~10.09.0~12.011.711.7横向膨胀系数（10-6/C）25302321~2211.711.7应力松弛率（%）1~37~201.84.2~6.4/3.0碳纤维是由有机纤维在惰性气体中经高温碳化而成的，按原丝类型主要分为聚丙烯腈基(PAN基)和沥青基两类。碳纤维于1959年由美国联合碳化物公司首度生产。有机纤维丝的类型、热处理的方法、制造工艺的水平对碳纤维丝的强度和弹性模量的影响很大。碳纤维丝的主要优点是轻质、高强、高弹模、温度膨胀孝耐疲劳、以及在潮湿环境和化学环境下具有优越的耐腐蚀性能。碳纤维丝的强度极高，抗拉强度可达6000MPa，弹性模量通常在300GPa左右，而沥青基碳纤维的弹性模量甚至可达800GPa，所以碳纤维有两种：高抗拉强度纤维(HighTensileStrength)和高弹性模量纤维(HighModulusofElasticity)。CFRP筋在跨度、抗疲劳和抗腐蚀的方面下体现出巨大优势，它被认为是替代钢绞线的一种前景材料[11]。CFRP筋作为一种新型纤维复合材料，许多方面的特性与钢
东南大学硕士毕业论文6仍是高强钢绞线，CFRP拉索采用241根5mm直径的CFRP筋群锚拉索，采用套筒粘结型锚具进行锚固。主梁和索塔为钢筋混凝土结构。美国的I-5/Gilman桥[14]是一座137.2米长的斜拉桥，由57.9米高的A型框架塔架支撑，采用FRP复合材料设计并制造。整座桥梁为双平面扇形斜拉桥，桥塔为偏心A型，也只用了6根CFRP拉索和6根AFRP拉索取代了该桥中部分传统钢索。上部结构总宽度18.3m，结构深度约1.45m。桥梁结构可容纳两条3.7米长的机动车道、两条自行车道、两条1.52米长的人行道和两条公共服务隧道。I-5/Gilman斜拉桥的总体概念如图1.4所示。2005年，中国第一座CFRP斜拉桥建成位于江苏大学主校区，由东南大学吕志涛团队主持研究设计[15]。人行天桥为一塔双索面，全长48.4米（主跨30米，侧跨18.4米），桥墩、桥塔、主梁整浇。斜拉索由CFRP筋组成，主梁和塔桥塔由钢筋混凝土结构组成。混凝土等级为C40，混凝土抗压强度为26.8MPa，抗拉强度为2.4MPa。桥面宽6.8m，包括5m宽的人行道。每跨设置4对CFRP拉索，CFRP拉索采用套筒粘结型锚具进行锚固，如图1.5所示。（a）Stork桥全景图（b）Stork桥侧视图图1.3瑞士Stork桥（a）I-5/Gilman桥的效果图b）I-5/Gilman桥的侧视图图1.4美国I-5/Gilman桥
【参考文献】：
期刊论文
[1]GFRP筋混凝土梁受弯性能试验[J]. 王洋,董恒磊,王震宇. 哈尔滨工业大学学报. 2018(12)
[2]基于实测和CA模型的大跨桥梁车辆荷载模拟[J]. 武隽,杨飞,韩万水. 铁道科学与工程学报. 2014(04)
[3]CFRP拉索试验桥锚具的有限元分析[J]. 刘荣桂,许飞. 工业建筑. 2009(12)
[4]复合材料层压板剩余刚度-剩余强度关联模型[J]. 廉伟,姚卫星. 复合材料学报. 2008(05)
[5]CFRP预应力筋夹片式锚具的试验研究[J]. 蒋田勇,方志. 土木工程学报. 2008(02)
[6]CFRP粘结型锚具的受力性能分析[J]. 梅葵花. 桥梁建设. 2007(03)
[7]国内首座CFRP索斜拉桥的研究[J]. 吕志涛,梅葵花. 土木工程学报. 2007(01)
[8]CFRP筋的疲劳性能[J]. 张新越,欧进萍. 材料研究学报. 2006(06)
[9]高性能材料FRP应用与结构工程创新[J]. 吕志涛. 建筑科学与工程学报. 2005(01)
[10]关于锚具效率系数计算式中的探讨[J]. 杨宗放. 建筑技术. 1998(12)
硕士论文
[1]大吨位FRP拉索整体锚固体系优化设计及性能评价[D]. 宋进辉.东南大学 2017
[2]预应力碳纤维筋锚具组装件疲劳性能试验研究[D]. 张晓亚.东南大学 2015
[3]CFRP索斜拉桥的静动力性能研究[D]. 许飞.江苏大学 2009
[4]碳纤维预应力筋及拉索锚固系统抗疲劳性能的试验研究[D]. 孙志刚.湖南大学 2005
本文编号：2959326
【文章来源】：东南大学江苏省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：108 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
常见FRP制品
东南大学硕士毕业论文41.2所示。不同种类FRP筋材具有不同的基本力学性能，但都具有很高的拉伸强度，如表1.2和图1.2所示。（a）AFRP筋：Technora（b）CFRP筋：Leadline（c）GFRP筋（d）CFRP绞线：CFCC图1.2不同的FRP筋种类[9,10]表1.2各类FRP筋材与钢筋钢绞线的力学性能对比[11,12]材性CFRP筋AFRP筋GFRP筋BFRP筋普通钢筋钢绞线密度（g/cm3）1.5~1.61.25~1.41.25~2.11.8~2.17.857.85抗拉强度（Mpa）600~37001200~2550480~1600>1000490~7001400~1890屈服强度（Mpa）////280~4201050~1400受拉弹性模量（Gpa）120~58040~12535~65>45210180~200极限延伸率（%）0.5~1.71.9~4.41.2~3.1>1.9>10.0>4.0轴向膨胀系数（10-6/C）0.6~1.0-6.0~-2.08.0~10.09.0~12.011.711.7横向膨胀系数（10-6/C）25302321~2211.711.7应力松弛率（%）1~37~201.84.2~6.4/3.0碳纤维是由有机纤维在惰性气体中经高温碳化而成的，按原丝类型主要分为聚丙烯腈基(PAN基)和沥青基两类。碳纤维于1959年由美国联合碳化物公司首度生产。有机纤维丝的类型、热处理的方法、制造工艺的水平对碳纤维丝的强度和弹性模量的影响很大。碳纤维丝的主要优点是轻质、高强、高弹模、温度膨胀孝耐疲劳、以及在潮湿环境和化学环境下具有优越的耐腐蚀性能。碳纤维丝的强度极高，抗拉强度可达6000MPa，弹性模量通常在300GPa左右，而沥青基碳纤维的弹性模量甚至可达800GPa，所以碳纤维有两种：高抗拉强度纤维(HighTensileStrength)和高弹性模量纤维(HighModulusofElasticity)。CFRP筋在跨度、抗疲劳和抗腐蚀的方面下体现出巨大优势，它被认为是替代钢绞线的一种前景材料[11]。CFRP筋作为一种新型纤维复合材料，许多方面的特性与钢
东南大学硕士毕业论文6仍是高强钢绞线，CFRP拉索采用241根5mm直径的CFRP筋群锚拉索，采用套筒粘结型锚具进行锚固。主梁和索塔为钢筋混凝土结构。美国的I-5/Gilman桥[14]是一座137.2米长的斜拉桥，由57.9米高的A型框架塔架支撑，采用FRP复合材料设计并制造。整座桥梁为双平面扇形斜拉桥，桥塔为偏心A型，也只用了6根CFRP拉索和6根AFRP拉索取代了该桥中部分传统钢索。上部结构总宽度18.3m，结构深度约1.45m。桥梁结构可容纳两条3.7米长的机动车道、两条自行车道、两条1.52米长的人行道和两条公共服务隧道。I-5/Gilman斜拉桥的总体概念如图1.4所示。2005年，中国第一座CFRP斜拉桥建成位于江苏大学主校区，由东南大学吕志涛团队主持研究设计[15]。人行天桥为一塔双索面，全长48.4米（主跨30米，侧跨18.4米），桥墩、桥塔、主梁整浇。斜拉索由CFRP筋组成，主梁和塔桥塔由钢筋混凝土结构组成。混凝土等级为C40，混凝土抗压强度为26.8MPa，抗拉强度为2.4MPa。桥面宽6.8m，包括5m宽的人行道。每跨设置4对CFRP拉索，CFRP拉索采用套筒粘结型锚具进行锚固，如图1.5所示。（a）Stork桥全景图（b）Stork桥侧视图图1.3瑞士Stork桥（a）I-5/Gilman桥的效果图b）I-5/Gilman桥的侧视图图1.4美国I-5/Gilman桥
【参考文献】：
期刊论文
[1]GFRP筋混凝土梁受弯性能试验[J]. 王洋,董恒磊,王震宇. 哈尔滨工业大学学报. 2018(12)
[2]基于实测和CA模型的大跨桥梁车辆荷载模拟[J]. 武隽,杨飞,韩万水. 铁道科学与工程学报. 2014(04)
[3]CFRP拉索试验桥锚具的有限元分析[J]. 刘荣桂,许飞. 工业建筑. 2009(12)
[4]复合材料层压板剩余刚度-剩余强度关联模型[J]. 廉伟,姚卫星. 复合材料学报. 2008(05)
[5]CFRP预应力筋夹片式锚具的试验研究[J]. 蒋田勇,方志. 土木工程学报. 2008(02)
[6]CFRP粘结型锚具的受力性能分析[J]. 梅葵花. 桥梁建设. 2007(03)
[7]国内首座CFRP索斜拉桥的研究[J]. 吕志涛,梅葵花. 土木工程学报. 2007(01)
[8]CFRP筋的疲劳性能[J]. 张新越,欧进萍. 材料研究学报. 2006(06)
[9]高性能材料FRP应用与结构工程创新[J]. 吕志涛. 建筑科学与工程学报. 2005(01)
[10]关于锚具效率系数计算式中的探讨[J]. 杨宗放. 建筑技术. 1998(12)
硕士论文
[1]大吨位FRP拉索整体锚固体系优化设计及性能评价[D]. 宋进辉.东南大学 2017
[2]预应力碳纤维筋锚具组装件疲劳性能试验研究[D]. 张晓亚.东南大学 2015
[3]CFRP索斜拉桥的静动力性能研究[D]. 许飞.江苏大学 2009
[4]碳纤维预应力筋及拉索锚固系统抗疲劳性能的试验研究[D]. 孙志刚.湖南大学 2005
本文编号：2959326
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