FRP型材节点连接长期性能及桁架结构分析

发布时间：2017-03-23 14:08

  本文关键词：FRP型材节点连接长期性能及桁架结构分析，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：纤维增强复合材料(FRP)因其轻质、高强、耐腐蚀的特点在工程结构得到了广泛的应用。除了结构加固修补中大量采用的FRP片材和筋材外,由FRP拉挤型材作为建筑材料的新建结构的应用也日益受到工程界的重视。虽然FRP型材呈现出较为明显的各向异性,但其在顺纤维方向的抗拉强度特别高,并且抗压强度一般也能够满足结构受力要求,非常适合用作仅受轴向荷载的桁架结构中的杆件。由全FRP拉挤型材建造的桁架结构,充分地利用了FRP材料轻质、高强的优势,在承载力、刚度满足使用要求的情况下,大幅度降低了结构自重,从而实现桁架结构体系的轻量化和高性能化。同时FRP型材还有效解决了传统钢材易腐蚀的问题,有效提高了结构的安全性、降低结构了结构的后期维护成本。当FRP型材用于桁架结构时,耐久性能和节点连接的问题是影响结构长期力学性能的关键问题。但目前国内外针对FRP拉挤型材及其连接节点长期性能方面的研究还几乎空白。本文以某实际建设的拉挤成型FRP桁架桥为工程背景,针对FRP型材结构复杂的应用环境和节点连接问题,对FRP型材本身和连接节点的长期性能进行了理论和试验研究,并采用ANSYS软件对FRP拉挤桁架桥结构进行了数值分析和对比,主要研究内容如下：(1)考虑到FRP型材结构复杂的应用环境,进行了BFRP拉挤型材的静力和疲劳性能测试以及BFRP拉挤型材在酸雨、盐雾、紫外线环境下的耐久性能试验。得到了BFRP型材的S-N曲线及在不同环境腐蚀下的力学性能退化曲线,并对腐蚀后的试件进行了SEM观测分析,进而揭示了FRP拉挤型材在不同环境下的腐蚀退化机理。结果证明在疲劳荷载作用下,型材的一般破坏规律为,先在构件中部出现裂缝并进一步发展,最终构件在疲劳荷载的作用下纤维断裂而发生破坏。由于型材的生产中需添加填料,所以一般型材的疲劳性能要低于筋材。对FRP型材耐酸雨腐蚀的试验证明,酸雨对型材的腐蚀主要发生在纤维与基体的界面位置,BFRP型材有着良好的耐酸雨性能,即使在pH=2/55℃的加速环境下,经历9个星期的腐蚀,2mm和5mm厚的试件的强度保留率分别高达81.5%和89.5%。寿命预测的结果表明,服役环境温度为30℃时,在酸雨pH=4和pH=2的条件下,服役300年后,5mm厚的构件强度保留率可以达到78.37%和77.28%。对FRP型材耐紫外线和盐雾的试验证明,紫外线和盐雾对型材的腐蚀主要是通过侵蚀树脂造成的,BFRP型材耐紫外线性能和盐雾性能优异,在紫外线+淋雨环境腐蚀9周之后,2mm厚型材强度仅仅下降了5.91%,而5mm则更小,仅为3.63%。在盐雾环境腐蚀9周后,2mm和5mm厚型材强度保留率分别为93.49%和96.04%(2)除了传统钢盖板／钢螺栓的连接形式,为进一步降低节点重量并提高结构的耐久性能,本文还采用了更加轻质的FRP盖板和FRP螺栓,进行了不同连接材料下的螺栓节点的静力及疲劳性能试验。静力性能的试验结果表明,采用不同材料的盖板与螺栓组合时,群栓节点的强度相差不大。疲劳性能试验的结果表明,当采用FRP螺栓时,在同等应力水平条件下,节点疲劳的离散性比采用钢螺栓时更小,强度也更高；(3)利用ANSYS对背景工程桥进行数值模拟分析,提出以BFRP型材设计制作桁架主体,以价格相对低廉的GFRP制作次要受力结构的混杂设计方案,替代原先的全GFRP的设计方案,以达到降低结构挠度的同时控制建造成本的目的。静力分析的结果表明,当主要受力部位,即两榀桁架全部或部分采用BFRP型材时,结构的挠度能够得到有效的控制。对桁架的模态分析表明,采用BFRP型材时结构的各阶自振频率都能有所提高,比GFRP的桁架桥拥有更好的抗震性能；同时也表明,无论采用何种FRP型材,结构振型模态都不会发生改变,前2阶模态都以横向变形为主,因此结构对横向地震作用更为敏感。并且,结构在动力荷载作用下,由于结构上弦杆比下弦杆的刚度要小,结构发生较大变形的位置都集中在桁架上部,因而在FRP桁架桥设计中,结构上弦杆需要着重考虑。
【关键词】：桁架结构 FRP拉挤型材长期性能 FRP结点设计 FRP结点疲劳性能 FRP桁架结构分析
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：U441
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-12
• 第一章 绪论12-24
• 1.1 研究背景及目的12-14
• 1.2 国内外研究现状14-22
• 1.2.1 复合材料长期性能研究现状14-15
• 1.2.2 复合材料节点连接技术的研究现状15-22
• 1.3 本文研究的主要内容22-24
• 第二章 BFRP拉挤型材长期性能研究24-66
• 2.1 引言24
• 2.2 BFRP拉挤型材的疲劳性能试验研究24-34
• 2.2.1 BFRP拉挤型材拉伸强度试验25-28
• 2.2.2 BFRP拉挤型材疲劳性能试验结果与分析28-34
• 2.3 BFRP拉挤型材的耐酸雨性能试验研究34-53
• 2.3.1 BFRP拉挤型材耐酸雨腐蚀性能试验方案35-36
• 2.3.2 BFRP拉挤型材耐酸雨腐蚀性能试验36-37
• 2.3.3 BFRP拉挤型材耐酸雨腐蚀性能试验结果分析37-46
• 2.3.4 FRP型材耐酸雨腐蚀性能寿命预测46-53
• 2.4 BFRP拉挤型材的耐紫外线性能试验研究53-59
• 2.4.1 耐紫外线试验设计研究53-54
• 2.4.2 BFRP拉挤型材耐紫外线性能试验结果分析54-59
• 2.5 BFRP拉挤型材的耐盐雾腐蚀性能试验研究59-64
• 2.5.1 耐盐雾腐蚀试验设计研究59-60
• 2.5.2 BFRP拉挤型材耐紫外线性能试验结果分析60-64
• 2.6 本章小结64-66
• 第三章 BFRP型材连接节点性能研究66-81
• 3.1 引言66
• 3.2 BFRP型材结点连接试验方案66-70
• 3.2.1 试验方案研究67-68
• 3.2.2 构件制作68-69
• 3.2.3 构件设置69-70
• 3.3 BFRP型材结点连接试验结果对比与分析70-80
• 3.3.1 静力性能结果对比与分析70-77
• 3.3.2 疲劳性能结果对比与分析77-80
• 3.5 本章小结80-81
• 第四章 FRP拉挤型材桁架结构数值分析81-90
• 4.1 引言81
• 4.2 背景桥介绍81-82
• 4.3 静力性能分析及设计优化82-88
• 4.3.1 桁架桥整体有限元模型82-83
• 4.3.2 设计优化及结果对比83-86
• 4.3.3 模态分析对比86-88
• 4.4 本章小结88-90
• 第五章 全文结论与展望90-94
• 5.1 本文主要研究结论90-91
• 5.2 有待进一步研究的内容91-94
• 参考文献94-98
• 致谢98-99
• 读硕士期间发表的学术论文99

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