【摘 要】
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传统轻钢结构、木结构活动房屋经过七十余年发展已经得到了广泛的应用,但由于材料特性原因,所建活动房屋始终面临着耐腐蚀性差、保温隔热性能低和防火性能差等的问题,在沿海强腐蚀环境及高原寒冷地区其应用受到了极大限制,活动房屋发展对采用新型轻质高强材料有着迫切需求。玄武岩纤维增强复合材料(BFRP)具有轻质、高强、耐腐蚀等的特点,是替代传统金属材料、木材建造装配式轻质活动房的理想材料。FRP结构活动房房屋性
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传统轻钢结构、木结构活动房屋经过七十余年发展已经得到了广泛的应用,但由于材料特性原因,所建活动房屋始终面临着耐腐蚀性差、保温隔热性能低和防火性能差等的问题,在沿海强腐蚀环境及高原寒冷地区其应用受到了极大限制,活动房屋发展对采用新型轻质高强材料有着迫切需求。玄武岩纤维增强复合材料(BFRP)具有轻质、高强、耐腐蚀等的特点,是替代传统金属材料、木材建造装配式轻质活动房的理想材料。FRP结构活动房房屋性能指标主要由复合夹芯保温板外围护结构体系性能所决定,不同特性BFRP板材与保温隔热芯材组合能够制备得到承载力高、耐腐蚀性能好、保温隔热性能优良的外围护结构面板,为解决传统材料结构活动房屋问题提供了新的思路。根据以上研究背景,本文以活动房围护结构BFRP复合夹芯保温板为中心,从其设计制备方法、抗弯力学性能及有限元数值模拟等方面进行了系统性研究。具体内容包括:(1)BFRP复合夹芯板原材料选择与设计制备。引入真空袋辅助成型方法,利用玄武岩纤维短切原丝毡和单向纤维布手工制备BFRP板并对其力学性能进行试验,结果表明以短切原丝毡为主复合单向纤维布制备的FRP板能够满足复合夹芯板力学性能需求而不发生局部剪切破坏;保温隔热芯材选用PU聚氨酯、XPS挤塑聚苯乙烯和岩棉三种,材性试验结果表明不同种类材料力学性能差异很大,材料密度及纤维排布方向对其影响不能忽略;推导复合夹芯结构理论公式,并考虑芯材剪切变形对挠度的贡献,最终优化得到三种不同铺层BFRP面层板用于后续试验。(2)BFRP复合夹芯板抗弯力学性能试验研究。将四种厚度介于30mm~100mm的普通密度聚氨酯芯材及50mm厚高密度聚氨酯芯材、挤塑聚苯乙烯芯材和岩棉与三种不同铺层厚度BFRP板及0.5mm厚镀锌钢板组合,可以粘结制备得到多种不同试验组别的复合夹芯板试件,而后通过三点、四点及六点压弯模拟均布荷载的加载方式分别对其进行抗弯力学性能试验。结果表明:复合夹芯结构构件设计由刚度变形控制,手工制备得到复合夹芯板整体质量控制效果良好,通过增加芯材厚度、密度、改变面层BFRP板铺层和芯材种类均能不同程度的提升复合夹芯板整体承载能力,使其承载力结果满足活动房围护结构设计要求,同时普遍具备远高于钢筋混凝土结构构件的安全储备系数;但芯材剪切变形对整体变形的贡献不可忽略,不同加载方式作用对复合夹芯结构破坏模式和承载力影响很大,实际设计当中应充分考虑荷载作用条件;将岩棉与硬质泡沫材料组合后与FRP板复合能得到非单一芯材复合夹芯板,具有高强承载力的同时兼具保温、隔音功能,应用前景广阔。(3)BFRP复合夹芯结构有限元模拟对比分析。利用ABAQUS蒙皮命令壳单元表示结构面层,之后对其进行有限元简化模拟:应力云图及符号变量图清晰的展现了内部芯材剪切应力的分布特点,与芯材45°剪切破坏模式良好吻合;无论芯材、面板或加载方式改变,有限元承载力结果大多能够良好吻合试验结果,并将偏差控制在20%以内。因此数值分析方法可以良好的模拟BFRP复合夹芯结构,尤其夹芯板由不同芯材组合或承受不规则荷载而无法用理论公式进行计算时,有限元能够提供方便快捷的解决方法,同时其能够为理解复合夹芯结构受力特点从而为优化设计提供灵感和支持。(4)复合夹芯结构理论公式的修正及应用。引入β芯材剪力分配系数(芯层材料承担剪力占总剪力的百分比)来修正复合夹芯结构理论公式,随后用承载力计算公式结果趋近试验及有限元结果,其偏差最大仅为15%左右,整体大多控制在6%以内,总结得到面层、芯层材料组合改变时对应的不同芯材剪力分配系数。结合修正后的理论计算公式,可以推导出不同芯材、面层组合后复合夹芯板承载力挠度选用表,其变化参数多、使用方式简单,便于设计人员直接参考选用。
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