FRP型材節(jié)點(diǎn)連接長期性能及桁架結(jié)構(gòu)分析.pdf

1、纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(FRP)因其輕質(zhì)、高強(qiáng)、耐腐蝕的特點(diǎn)在工程結(jié)構(gòu)得到了廣泛的應(yīng)用。除了結(jié)構(gòu)加固修補(bǔ)中大量采用的FRP片材和筋材外，由FRP拉擠型材作為建筑材料的新建結(jié)構(gòu)的應(yīng)用也日益受到工程界的重視。雖然FRP型材呈現(xiàn)出較為明顯的各向異性，但其在順纖維方向的抗拉強(qiáng)度特別高，并且抗壓強(qiáng)度一般也能夠滿足結(jié)構(gòu)受力要求，非常適合用作僅受軸向荷載的桁架結(jié)構(gòu)中的桿件。由全FRP拉擠型材建造的桁架結(jié)構(gòu)，充分地利用了FRP材料輕質(zhì)、高強(qiáng)的優(yōu)勢，在承載力、

2、剛度滿足使用要求的情況下，大幅度降低了結(jié)構(gòu)自重，從而實(shí)現(xiàn)桁架結(jié)構(gòu)體系的輕量化和高性能化。同時FRP型材還有效解決了傳統(tǒng)鋼材易腐蝕的問題，有效提高了結(jié)構(gòu)的安全性、降低結(jié)構(gòu)了結(jié)構(gòu)的后期維護(hù)成本。當(dāng)FRP型材用于桁架結(jié)構(gòu)時，耐久性能和節(jié)點(diǎn)連接的問題是影響結(jié)構(gòu)長期力學(xué)性能的關(guān)鍵問題。但目前國內(nèi)外針對FRP拉擠型材及其連接節(jié)點(diǎn)長期性能方面的研究還幾乎空白。
　　本文以某實(shí)際建設(shè)的拉擠成型FRP桁架橋?yàn)楣こ瘫尘埃槍RP型材結(jié)構(gòu)復(fù)雜的應(yīng)用環(huán)

3、境和節(jié)點(diǎn)連接問題，對FRP型材本身和連接節(jié)點(diǎn)的長期性能進(jìn)行了理論和試驗(yàn)研究，并采用ANSYS軟件對FRP拉擠桁架橋結(jié)構(gòu)進(jìn)行了數(shù)值分析和對比，主要研究內(nèi)容如下:
　　(1)考慮到FRP型材結(jié)構(gòu)復(fù)雜的應(yīng)用環(huán)境，進(jìn)行了BFRP拉擠型材的靜力和疲勞性能測試以及BFRP拉擠型材在酸雨、鹽霧、紫外線環(huán)境下的耐久性能試驗(yàn)。得到了BFRP型材的S-N曲線及在不同環(huán)境腐蝕下的力學(xué)性能退化曲線，并對腐蝕后的試件進(jìn)行了SEM觀測分析，進(jìn)而揭示了FRP拉

4、擠型材在不同環(huán)境下的腐蝕退化機(jī)理。結(jié)果證明在疲勞荷載作用下，型材的一般破壞規(guī)律為，先在構(gòu)件中部出現(xiàn)裂縫并進(jìn)一步發(fā)展，最終構(gòu)件在疲勞荷載的作用下纖維斷裂而發(fā)生破壞。由于型材的生產(chǎn)中需添加填料，所以一般型材的疲勞性能要低于筋材。對FRP型材耐酸雨腐蝕的試驗(yàn)證明，酸雨對型材的腐蝕主要發(fā)生在纖維與基體的界面位置，BFRP型材有著良好的耐酸雨性能，即使在pH=2/55℃的加速環(huán)境下，經(jīng)歷9個星期的腐蝕，2mm和5mm厚的試件的強(qiáng)度保留率分別高達(dá)8

5、1.5％和89.5％。壽命預(yù)測的結(jié)果表明，服役環(huán)境溫度為30℃時，在酸雨pH=4和pH=2的條件下，服役300年后，5mm厚的構(gòu)件強(qiáng)度保留率可以達(dá)到78.37％和77.28％。對FRP型材耐紫外線和鹽霧的試驗(yàn)證明，紫外線和鹽霧對型材的腐蝕主要是通過侵蝕樹脂造成的，BFRP型材耐紫外線性能和鹽霧性能優(yōu)異，在紫外線+淋雨環(huán)境腐蝕9周之后，2mm厚型材強(qiáng)度僅僅下降了5.91％，而5mm則更小，僅為3.63％。在鹽霧環(huán)境腐蝕9周后，2mm和5m

6、m厚型材強(qiáng)度保留率分別為93.49％和96.04％
　　(2)除了傳統(tǒng)鋼蓋板/鋼螺栓的連接形式，為進(jìn)一步降低節(jié)點(diǎn)重量并提高結(jié)構(gòu)的耐久性能，本文還采用了更加輕質(zhì)的FRP蓋板和FRP螺栓，進(jìn)行了不同連接材料下的螺栓節(jié)點(diǎn)的靜力及疲勞性能試驗(yàn)。靜力性能的試驗(yàn)結(jié)果表明，采用不同材料的蓋板與螺栓組合時，群栓節(jié)點(diǎn)的強(qiáng)度相差不大。疲勞性能試驗(yàn)的結(jié)果表明，當(dāng)采用FRP螺栓時，在同等應(yīng)力水平條件下，節(jié)點(diǎn)疲勞的離散性比采用鋼螺栓時更小，強(qiáng)度也更高;

7、r>　　(3)利用ANSYS對背景工程橋進(jìn)行數(shù)值模擬分析，提出以BFRP型材設(shè)計(jì)制作桁架主體，以價格相對低廉的GFRP制作次要受力結(jié)構(gòu)的混雜設(shè)計(jì)方案，替代原先的全GFRP的設(shè)計(jì)方案，以達(dá)到降低結(jié)構(gòu)撓度的同時控制建造成本的目的。靜力分析的結(jié)果表明，當(dāng)主要受力部位，即兩榀桁架全部或部分采用BFRP型材時，結(jié)構(gòu)的撓度能夠得到有效的控制。對桁架的模態(tài)分析表明，采用BFRP型材時結(jié)構(gòu)的各階自振頻率都能有所提高，比GFRP的桁架橋擁有更好的抗震性能