FRP型材节点连接长期性能及桁架结构分析

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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。
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