復(fù)合材料橋梁開題報告(共29頁)

1、南京(nn jn)理工大學碩士研究生學位論文(lnwn)開題報告姓 名： 胡成鉦 學 號： 112111245 學 科： 土木(tm)工程 所在院系： 理 學 院 指導教師： 范 進、陳彥北 2013年 09月 21 日填一、擬選學位論文的題目名稱FRP復(fù)合材料人行橋橋面板的延性研究二、選題的科學意義和應(yīng)用前景FRP材料以良好的力學性能，近十幾年在工程結(jié)構(gòu)領(lǐng)域，在國內(nèi)外得到了的應(yīng)用，并受到了工程界的廣泛關(guān)注。較之鋼筋混凝土，F(xiàn)RP材料有一下優(yōu)點：（1）質(zhì)輕高強。100t的鋼筋混凝土橋梁，采用鋼鐵橋需要40t，然而采用FRP材料只需5到10t。玻璃纖維增強復(fù)合材料的比強度大概是在1.5左右，相比

2、較而言鋼材的比強度只有0.05。（2）強耐腐蝕性。根據(jù)國內(nèi)外的實驗和研究，輕質(zhì)高強并具有良好耐腐蝕性的纖維增強復(fù)合材料FRP對鋼筋腐蝕引起的耐久性問題提供了一個良好的解決途徑1。（3）建設(shè)周期短。施工時間僅為常規(guī)橋架設(shè)時間的1/10左右。美國New York州某車行橋的改造，采用FRP橋板替換技術(shù)，僅用2天，而常規(guī)方法則預(yù)計需要20天左右。（4）抗震性能好。采用FRP材料可有效減小截面尺寸，并減低結(jié)構(gòu)的慣性力，因而對抗震有利。（5）實現(xiàn)更大跨度。跨海，跨江等遠距離，大規(guī)模的橋梁受到工程界的廣泛青睞。但現(xiàn)有的橋梁最大跨度只能實現(xiàn)8000m，但是采用FRP橋梁可突破萬米以上2。（6）電絕緣性能好。

3、FRP是優(yōu)良的絕緣材料，用來制造絕緣體。高頻下仍能保護良好介電性。微波透過性良好，已廣泛用于雷達天線罩。（7）熱性能良好。FRP熱導率低，室溫下為1.251.67kJ/(mhk)，只有金屬的110011000，是優(yōu)良的絕熱材料。(8)可設(shè)計性好。根據(jù)FRP生產(chǎn)工藝可生產(chǎn)出根據(jù)需求的各種形狀，并可在加工過程添加色漿，使制成成品具有鮮艷的顏色。近年來，纖維增強復(fù)合材料（FRP）的種類和生產(chǎn)手段迅速發(fā)展，產(chǎn)品形式不斷更新，使得FRP材料在橋梁中應(yīng)用形式也更加多樣，如FRP斜拉橋和懸索橋中的索、FRP橋面板、FRP組合梁板、FRP管混凝土柱，F(xiàn)RP網(wǎng)架體現(xiàn)出FRP材料在橋梁工程中應(yīng)用的廣闊前景。三、背

4、景科研項目情況簡介本課題結(jié)合一個合作研究項目開展，株洲時代新材料科技股份有限公司專門成立了FRP復(fù)合材料研發(fā)課題組；與中交一院簽署有FRP橋梁研發(fā)的戰(zhàn)略合作協(xié)議。四、學位論文主要研究內(nèi)容1.對比分析國內(nèi)外FRP復(fù)合材料人行橋橋面板的設(shè)計方法；2.分析不同橋面板幾何特征對整體構(gòu)件的剛度影響；3.分析不同的連接方法對橋面板以及整橋剛度的影響4.根據(jù)國內(nèi)外FRP人行橋梁的設(shè)計規(guī)范，結(jié)合國內(nèi)情況，提出相應(yīng)橋面板的剛度計算公式；5.通過工程實例、數(shù)值模擬以及實驗對FRP人行橋梁橋面板進行分析及對比；五、預(yù)期解決的主要問題1. FRP橋面板剛度的計算理論；2.FRP橋面板和支撐梁以及橋面板構(gòu)件之間的連接對

5、FRP橋梁剛度的影響；3.提出適合國內(nèi)相應(yīng)FRP人行橋梁的剛度設(shè)計方法。六、開題條件學術(shù)條件：該課題的指導老師對土木工程有著豐富的理論和實踐經(jīng)驗，為課題的完成提供了保證。經(jīng)費條件：本項目由合作企業(yè)給予經(jīng)費支持。設(shè)備條件：合作企業(yè)可提供相應(yīng)的實驗儀器和設(shè)備，可保證項目的進行。七、文獻綜述FRP復(fù)合材料人行橋橋面板的延性研究0 引言纖維增強復(fù)合材料(FRP)由增強材料和基體材料組成，高性能纖維為增強材料，合成樹脂為基體材料。纖維具有很高的抗拉強度，是纖維增強復(fù)合材料強度的主要提供者，主要起承受荷載作用；基材有粘結(jié)、傳遞剪力的作用，其物理性質(zhì)可以影響纖維增強復(fù)合材料的物理性質(zhì)3。與其它結(jié)構(gòu)構(gòu)件一樣，

6、FRP橋面板的剛度和承載力是受力分析和設(shè)計的主要目標。在剛度分析中，各向異性的材料彈性常數(shù)、纖維鋪層設(shè)置、構(gòu)件幾何特征和連接剛度(大部分FRP橋面板都由FRP組件組合而成的)是主要的影響參數(shù)4；在承載力分析中，則需要考慮材料破壞、連接破壞和屈曲破壞等多種破壞模式以及它們之間的相互影響。由于FRP材料與傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)材料的力學性能有很大的不同，主要體現(xiàn)為線彈性、各向異性、材料組成復(fù)雜、可設(shè)計性強。FRP結(jié)構(gòu)和FRP組合結(jié)構(gòu)的設(shè)計與傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計方法有很多不同，它的設(shè)計包括材料設(shè)計和結(jié)構(gòu)設(shè)計兩部分，它們相互聯(lián)系緊密，不能采用等代替換傳統(tǒng)材料的方法進行設(shè)計。目前，國際上還沒有公布過針對FRP橋梁結(jié)構(gòu)的設(shè)

7、計規(guī)范。美國土木工程師協(xié)會(ASCE)制定FRP拉擠型材結(jié)構(gòu)的設(shè)計標準。它被用于美國公路與交通局(AASHZTO)制定的FRP結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范中。現(xiàn)將美國的FRP人行橋規(guī)范和國內(nèi)人行橋規(guī)范進行對比 5- 6 ：美國FRP人行橋規(guī)范國內(nèi)人行橋規(guī)范撓度控制構(gòu)件設(shè)計應(yīng)滿足在人行活載作用下，撓度不超過橋梁跨度的1/500。 在人行活載作用下，懸臂梁的撓度不應(yīng)超過該懸臂梁長度的1/500。 由于側(cè)向風荷載引起的水平向的撓度不應(yīng)超過橋梁跨度的 1/500。 天橋上部結(jié)構(gòu)，由人群荷載計算的最大豎向撓度，不應(yīng)超過下列允許值： 梁板式主梁跨中： L/600。 梁板式主梁懸臂端：L1/600。 桁架、拱：L/800。

8、 連接所有主要和次要構(gòu)件的連接應(yīng)使用螺栓連接。連接件應(yīng)充分設(shè)計并符合力和荷載的傳遞機制，以減輕可能的失效模式。應(yīng)使用經(jīng)過運營機構(gòu)批準的鍍鋅或不銹鋼螺栓。非結(jié)構(gòu)構(gòu)件可以是栓接或螺釘連接。暫無雖然較多的FRP實橋已經(jīng)在北美和歐洲各地得到了應(yīng)用，但作為今后的發(fā)展，以下幾個方面還值得進一步研究：(1) FRP高強度的優(yōu)勢并未得到充分的利用，現(xiàn)有大量文獻均指出FRP結(jié)構(gòu)在運營中實際材料應(yīng)力僅僅不到其極限值的2030%。因此如何在正常設(shè)計的基礎(chǔ)上通過使用創(chuàng)新的幾何尺寸和優(yōu)化的纖維方向來提高剛度，進而充分利用其強度就變得非常重要。(2) FRP在長期持續(xù)荷載(蠕變，溫、濕度變化，應(yīng)力松馳等)作用下的耐久性能

9、尚需實驗驗證，雖然目前對這個方面的研究文獻也有出現(xiàn)，但基本都是通過加速試驗來研究的。原因是FRP材料應(yīng)用到土木工程中最多也就30年，但通常橋梁工程壽命一般要求70年左右，因此無法積累到實際的第一手資料7。(3) 面板與主梁連接系統(tǒng)的設(shè)計也是十分關(guān)鍵的問題，目前主要還是參考已有傳統(tǒng)材料橋梁的連接方式，以機械連接結(jié)合膠結(jié)連接為主。設(shè)計中也較少考慮連接裝置所提供的組合抗彎或抗剪作用，結(jié)果偏于保守。今后的發(fā)展應(yīng)是正確考慮連接系統(tǒng)的作用并設(shè)計出更合理的適應(yīng)此類新系統(tǒng)的通用連接裝置。本課題采用從材料、構(gòu)件再到結(jié)構(gòu)循循漸進的方式進行研究（1）和（3）問題。1 從材料方面研究構(gòu)件的剛度纖維增強復(fù)合材料由增強材

10、料和基體材料組成，高性能纖維為增強材料，合成樹脂為基體材料。纖維具有很高的抗拉強度，是纖維增強復(fù)合材料強度的主要提供者，主要起承受荷載作用，分有機纖維和無機纖維兩種，有機纖維主要包括芳綸纖維、混雜纖維；無機纖維主要品種有玻璃纖維、石英玻璃纖維、硼纖維、碳纖維、陶瓷纖維、金屬纖維等?；挠姓辰Y(jié)、傳遞剪力的作用，其物理性質(zhì)可以影響纖維增強復(fù)合材料的物理性質(zhì)。纖維增強復(fù)合材料中常用的基材包括不飽和聚酷樹脂、乙烯基醋樹脂、環(huán)氧樹脂、聚酞胺樹脂等。目前，工程中采用的纖維增強復(fù)合材料主要有玻璃纖維增強復(fù)合材料、碳纖維增強復(fù)合材料、芳綸纖維增強復(fù)合材料8 。纖維增強復(fù)合材料中的纖維種類、纖維含量以及纖維的鋪

11、陳方向的不同決定了其層合板的力學性質(zhì)，其中生產(chǎn)工藝的不同決定了該纖維增強材料所含的纖維百分率。下面以E-glass為纖維材料，熱塑樹脂為基體材料組成的玻璃纖維材料為例分析其剛度。表1 各種生產(chǎn)工藝下的纖維含量生產(chǎn)工藝Mat stripsFabric stripsUD strips噴射纖維10%20%手糊10%20%25%40%40%50%真空輔助樹脂傳遞塑模20%30%40%50%50%60%纖維纏繞50%70%拉擠成型20%30%40%55%50%70%表2 不同鋪陳方向下的條板剛度纖維的鋪陳方向E1(GPa)E2(GPa)G12(GPa)單軸向布（UD strips）（纖維含量取為50%）

12、37.711.33.5垂直向布（Fabric strips）（纖維含量取為50%）24.524.53.5垂直向布（Fabric strips）（纖維含量取為30%）15.515.52.3各向同性（Mat strips）（纖維含量取為50%）12.212.24.6表3 不同纖維含量下的條板剛度纖維的含量（UD strips）E1(GPa)E2(GPa)G12(GPa)40%30.88.92.850%37.711.33.560%44.614.64.52 橋面板的幾何特征對其剛度的影響同時，與其它的結(jié)構(gòu)材料一樣，F(xiàn)RP材料也有一些缺點。首先，F(xiàn)RP材料的彈性模量低。構(gòu)件的變形成為全FRP橋面板的主要

13、控制因素。FRP橋面板必須通過增大構(gòu)件幾何尺寸來獲得幾何剛度，從而提高整個構(gòu)件的剛度，材料的用量勢必增大。由于FRP材料和構(gòu)件具有很強的可設(shè)計性，并且可采用的工藝多種多樣，因此可根據(jù)實際加工能力和應(yīng)用要求，設(shè)計出具有不同特點的FR橋面板，并通過試驗獲得其性能特征。在構(gòu)造形式確定的情況下，采用優(yōu)化軟件或程序結(jié)合有限元軟件和簡化分析方法對FRP橋面板的形狀、尺寸、鋪層等進行優(yōu)化其性能特征。在構(gòu)造形式確定的情況下，采用優(yōu)化軟件或程序結(jié)合有限元軟件和簡化分析方法對FRP橋面板的形狀、尺寸、鋪層等進行優(yōu)化9。橋面板主要分為拉擠成型組成橋面板以及蜂窩夾層組成橋面板。2.1拉擠成型組成橋面板對于FRP拉擠成

14、型橋面板的研究包括理論分析、實驗以及實際使用情況下的性能分析，重點集中在截面形式的選取、橋面板的前股東以及剛度分析、橋面板的疲勞性能等方面。研究者在以下方面取得了比較一致的意見10。.拉擠成型橋面板組成單元空腔的較優(yōu)形狀為三角形、矩形；.FRP材料比強度高。但模量相對較低，構(gòu)件當度成為FRP橋面板設(shè)計的主要控制因素；3由于拉擠FRP橋面板壁一般均相對較薄,在橋面板受輪壓作用下的局部撓度控制成為橋面板設(shè)計中的一個重要問題,因此組成單元空腔尺寸不宜太大；. 從實驗室進行疲勞荷載的情況來看,FRP橋面板的疲勞性能良好,疲勞試驗后沒有明顯的剛度及強度損失；. 板單元內(nèi)部和梁板單元之間的連接系統(tǒng)也是一個

15、重要問題,目前主要有三種,即栓接、銷接或膠結(jié)劑粘結(jié)。拉擠成型組成橋面板型式有：a) Superdeck系統(tǒng)；b)DuraSpan系統(tǒng)；c)EZ Span系統(tǒng)；d)Strongwell系統(tǒng)；e) Asset系統(tǒng)；f) ACCS系統(tǒng) 。2.1.1 Superdeck系統(tǒng)11-12此類系統(tǒng)又叫六邊形或H型橋面板，它是由西弗利亞大學（WUV）和美國陸軍建筑工程研究室（USACERL）聯(lián)合開發(fā)和測試的。這種新的型材既可被用作單個的梁單元也可組裝起來產(chǎn)生正交異性的橋面板。 圖1 Superdeck系統(tǒng)截面西弗利亞大學（WUV）對這種截面所進行的靜力和疲勞測試結(jié)果表明豎向剛度2,000,000次疲勞加載后無

16、明顯退化，疲勞周數(shù)和靜力撓度無明顯相關(guān)關(guān)系且對橋面的極限強度幾乎無影響。疲勞加載前后的極限破壞荷載都大大超過了AASHTO規(guī)范的HS20（71.1KN）和HS25(88.9KN)活載。即使是HS25活載，該系統(tǒng)的極限強度安全系數(shù)也超過了6，且靜力撓度滿足了L/500的撓度需求。 2.1.2 DuraSpan系統(tǒng)11-13DuraSpan系統(tǒng)是由總部在北卡羅來那州的Raleigh的Martin Marietta 復(fù)合材料公司于1992年開發(fā)并由Creative拉擠公司生產(chǎn)的。目前有兩種Duraspan系統(tǒng)，均可承受AASHTO HS25活載。其具體尺寸為：表4 DuraSpan系統(tǒng)尺寸高度重量允

17、許梁跨Duraspan5005英寸（127cm）62KN/m1.52mDuraspan7667.66英寸91 KN/m3.05 m圖2 DuraSpan系統(tǒng)構(gòu)件美國加州大學圣地亞哥分校的學者對該產(chǎn)品進行了疲勞測試、靜力剛度測試、振動測試和靜載破壞測試。除此之外，特拉華大學(University of Delaware)也對此種橋面及其由此組成的上部結(jié)構(gòu)進行了廣泛的測試。測試包括有以下五個方面： a 層狀試件的拉壓測試； b 橋面接頭的靜力、疲勞和耐久性測試； c 橋面和縱梁連接的靜力和疲勞測試； d 鋪裝層的耐久性測試； e 橋面本身的靜力和疲勞測試等。 圖3 DuraSpan系統(tǒng)的實驗測試2

18、.1.3 EZ Span系統(tǒng)14-15EZ Span系統(tǒng)是ARC（Atlantic Research Corp.）和佐治亞理工學院（Georgia Institute of Technology）1999年開發(fā)的一種GFRP橋面板。9英寸厚的面板由手糊的上下兩層面板和拉擠成型的三角形構(gòu)架芯管膠結(jié)組成。每個等邊三角形構(gòu)架芯管邊長約8英寸，用ARC生產(chǎn)的浸潤聚乙烯樹脂的三向編織無堿玻璃纖維拉擠而成，該編織纖維貫穿整個厚度范圍，可提供優(yōu)異的耐久性能，如將其切開成平面織物片時寬約28英寸。而面板則由浸潤聚乙烯樹脂的編結(jié)無堿玻璃纖維手糊而成。 圖4 EZ Span系統(tǒng)截面2.1.4 Strongwell

19、系統(tǒng)16-17從1998年春天開始，Virginia Tech和Strongwell公司開發(fā)和測試了Strongwell系統(tǒng)。此類GFRP橋面板也是完全采用拉擠型材粘貼而成的。所不同的是，它由GFRP拉擠方管和平板粘結(jié)組成。整個系統(tǒng)的厚度可因方管的尺寸變化而變化，范圍從120.7mm變化203.3mm ，自重為 (90117Kg/m2)，見下圖。圖5 Strongwell系統(tǒng)截面圖6 Strongwell系統(tǒng)Virginia Tech 對此類面板作了大量的荷載測試以驗證其可行性。測試的橋面板為3跨1.2米（交通方向），寬4.2米，厚120毫米，由拉擠方管和上下面板組成。方管用環(huán)氧樹脂膠結(jié)并用間

20、距0.3米，穿過管壁的玻璃纖維桿連接起來，而管和板間也用環(huán)氧樹脂膠結(jié)。全板支承在1.2米間距的4根W1640的鋼梁上，加載板為0.30.5米并放在氯丁橡膠上。測試包括強度測試，剛度測試和強度測試完成后的疲勞測試三個方面，其截面形式和測試設(shè)置見下圖。圖7 Strongwell系統(tǒng)2.1.5 Asset系統(tǒng)18-19Asset系統(tǒng)截面是由Mouchel(英國)，F(xiàn)iberline(丹麥)，KTH(瑞典)，IETCC(西班牙)，Skanska(瑞典)，HIM (荷蘭)和Oxfordshire County Council(英國)等七個單位組成的合作體共同研發(fā)的。Asset系統(tǒng)截面是基于英國BS540

21、0規(guī)范中HA和HB類荷載取2米的跨度和40噸的荷載來設(shè)計的。另外，截面的高度和尺寸均要滿足適于拉擠成型的方便及與現(xiàn)存橋梁具有相容性。最終采用的截面高度為225毫米，寬度包括搭接接頭為521毫米，并采用無堿玻璃纖維浸異酞聚合樹脂拉擠成型，如下圖。圖8 Asset系統(tǒng)實驗測試對Asset系統(tǒng)進行的實驗包括小比例和大比例的測試。在瑞典KTH進行的小比例測試提供了各種層狀纖維敷設(shè)方式的力學屬性。測試出來的性質(zhì)包括了拉、壓及剪切的強度及模量。同時，還對完全浸潤的GFRP復(fù)合材料板進行了小比例的耐久性測試。大比例的測試則在西班牙的IETCC進行，其測試項目包括靜力彎曲和剪切、疲勞（10,000,000次）

22、、蠕變，沖擊等。通過以上測試表明Asset截面的實際結(jié)構(gòu)行為與設(shè)計一致，撓跨比小于1/300且靜力破壞模式主要是支承附近的腹板底部的剪切破壞。 2.1.6 ACCS系統(tǒng)20-21ACCS（Advanced Composites Construction System）系統(tǒng)又叫COMPOSOLITETM系統(tǒng),是一種先進的復(fù)合材料建筑板，可用作主要承載構(gòu)件。其模塊化的建筑系統(tǒng)由一些用拉擠法生產(chǎn)的互鎖FRP構(gòu)件所組成。圖9 ACCS系統(tǒng) 其主要受力構(gòu)件是有開口肋的面板，公稱尺寸為76.2mm厚609.6mm寬，此面板可以用三向連接器，450連接器，栓釘（toggle）或掛鉤(hanger)等五種互鎖

23、的拉擠FRP構(gòu)件連接起來2.2蜂窩夾層組合橋面板蜂窩夾層組合橋面板主要有美國的KSCI(Kansas Structural Composites, Inc.)系統(tǒng)、Hardcore系統(tǒng)和加拿大的纖維纏繞三角管系統(tǒng)等。2.2.1 Hardcore系統(tǒng)22 特拉華的Hardcore公司制造的Hardcore橋面系統(tǒng)由上下表層的蒙皮加上中間的多重纏繞加勁腹板所構(gòu)成。制造方法是真空輔助樹脂浸漬模塑成型工藝 (Seeman Composite Resin Infusion Molding Process(SCRIMP)。圖10 Hardcore橋面系統(tǒng)這種橋面的主要特點有：重量輕，低恒載從而增大活載承受

24、能力，無需更換下部結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)就可更換和擴寬橋面，易于運輸制造和安裝，設(shè)計荷載可達HS25，撓度標準達到L/800，2,000,000次疲勞測試能力優(yōu)異，耐久性良好，具高的抗腐蝕性，不受惡劣天氣影響，不透水，無破碎、生銹及腐爛的缺點，而且全年均可施工。Hardcore 系統(tǒng)所采用的FRP材料為縫制的無堿玻璃纖維織物加乙烯基樹脂，玻璃纖維織物被認為在平面內(nèi)各向同性，其主要力學性能如表 : 表5 Hardcore 系統(tǒng)采用的FRP材料的力學性質(zhì)2.2.2 KSCI系統(tǒng)23Kansas結(jié)構(gòu)復(fù)合材料公司生產(chǎn)的KSCI系統(tǒng)屬于蜂窩夾層組合結(jié)構(gòu)，制造方法是采用多向鋪陳的GFRP夾心板接觸低壓成型法生產(chǎn)成型。

25、此組合結(jié)構(gòu)由厚2.29毫米（0.09英寸）的波紋形片材加平面片材組成單胞尺寸50.8101.6毫米的蜂心，蜂心單元均是由聚脂薄膜接觸模壓形成。而表面板的制作是首先將玻璃纖維織物放在鋼模中，注入樹脂直至達到所需厚度，再將蜂心濕放入面板中，施加真空以壓緊并凝固。圖11 FRP夾芯板2.2.3 纖維纏繞三角管系統(tǒng)24-25 纖維纏繞三角管系統(tǒng)是由加拿大Manitoba大學和ISISCanada合作研制的。制造工藝是先用纖維纏繞技術(shù)生成200mm高的三角形芯管，然后在各管角處共放入12根GFRP筋填滿并與拉擠的上下面板粘結(jié)，最后用塑料袋密封并浸注樹脂而成。由于參照了成型前另一改進試件優(yōu)異的2106次疲

26、勞性能，此系統(tǒng)只做了靜力極限強度測試。在荷載HS25下?lián)隙葹?.32mm(L/700)，而破壞荷載為780kN，其強度安全系數(shù)達到了8.8，相應(yīng)跨中極限撓度為43.94mm(L/68)。至破壞前系統(tǒng)一直為線彈性行為，破壞模式為加載點下三角形管間的粘結(jié)脫落。 Hardcore和KSCI兩種蜂窩夾層組合橋面系統(tǒng)的共同優(yōu)點在于板厚變化幅度較大，既可僅用作橋面放置在縱梁上又能以自支承的方式取代橋面和縱梁而形成獨立的上部結(jié)構(gòu)，因此橋面的最大跨徑可以達到10m以上，而且較易在垂直車行的方向上產(chǎn)生橫坡。另外，在板單元的生產(chǎn)過程中，還可以將鋼栓插入到板單元中以形成聯(lián)接單元。由于板厚可以較大，相應(yīng)撓跨比也超過了

27、1/1000，從而較好的滿足了剛度設(shè)計要求。纖維纏繞三角管系統(tǒng)厚度與拉擠系統(tǒng)近似，性能也基本相同。與拉擠橋面類似，三種蜂窩夾層組合橋面系統(tǒng)的強度優(yōu)勢均未得到充分的利用。2.2.4 張銦等效模型的剛度計算公式26張銦博士對FRP夾芯板進行等效簡化以及對比分析，確定了其采用等效方法的可行性。最后張銦博士以正弦夾心板的材料參數(shù)與幾何參數(shù)作為變量，推出了等效模型的剛度計算公式，如下：ExIyy=B1B2B3B4B5B6B7（ExIyy）HEyIxx=C1C2C3C4C5C6C7（EyIxx）HGxyAs=D1D2D3（GxyAs）E為了驗證所得的模量計算公式的有效性，張銦博士將FRP夾芯板的實際形狀模

28、型的有限元結(jié)果同采用模量計算公式所得等效模型的有限元結(jié)果進行對比。由公式計算出的等效模型模量和兩種模型變量結(jié)果的對比分別入下圖。表6 等效模型的計算剛度ExIyy248.502kN/m2EyIxx200.319 kN/m2GxyAs2.564 kN/m2Ex7161.837MpaEy5773.115 MpaGxy184.752 Mpa1點2點3點4點5點夾心形狀有限元模型010.68120.49827.37630.521等效有限元模型010.96021.02127.99830.942變形誤差（%）1.4392.4391.3632.4151.399表7 沿板長方向（mm）分析對比由表 2-7 的

29、對比可以看出，兩種模型所得計算結(jié)果非常接近，平均誤差僅為2%左右，由此可認為采用本文所得出的等效剛度計算公式滿足工程精度要求，可用來計算 FRP 正弦波形夾心橋面板等效模型的模量參數(shù)。根據(jù)張銦博士的結(jié)論：說明橋梁的動力響應(yīng)與橋面板厚有關(guān)，實際上本質(zhì)是與橋面板的截面剛度有關(guān)。目前在 FRP 橋面板橋梁的設(shè)計中，撓度是起控制作用的因素，這里，其設(shè)想可考慮 FRP 橋面板的動力響應(yīng)對其進行設(shè)計構(gòu)造，這是一種既實用又經(jīng)濟的分析方法，將是一種新的研究思路。2.3橋面板設(shè)計分析方法與設(shè)計理論由于FRP材料為各向異性材料，而FRP橋面板通常為復(fù)雜的板組體系，實際承受的荷載工況也較多，采用理論方法很難直接獲得

30、它們的全部性能。因此，針對確定構(gòu)造形式的FRP橋面板，進行適當?shù)暮喕?，是建立FRP橋面板簡化計算分析的主要方法，這也是目前研究的主要內(nèi)容之一。同時，由于FRP構(gòu)件主要為線彈性，破壞類型呈脆性，通常情況下為變形控制設(shè)計，與鋼筋混凝土構(gòu)件和鋼構(gòu)件的性能有很大的不同，因此基于它們的結(jié)構(gòu)設(shè)計理論和方法對FRP構(gòu)件不再適用，需要對現(xiàn)有結(jié)構(gòu)設(shè)計理論進行修正，建立適應(yīng)FRP材料的設(shè)計理論及方法，同時使新材料構(gòu)件與傳統(tǒng)材料構(gòu)件有相同的安全儲備。2.3.1橋面板的破壞準則強度準則是根據(jù)試驗結(jié)果或一系列假設(shè)得到的FRP材料破壞所遵循的規(guī)律，它只是材料失效的判據(jù)，而不能反映FRP層合板或構(gòu)件中的破壞機理和破壞過程。

31、目前有多個強度準則可分析FRP板的破壞，如：最大應(yīng)力準則，最大應(yīng)變準則，Tsai-Hill準則，Hoffman準則以及Tsai-Wu準則，并給出了各強度準則對應(yīng)的強度比R的計算方法。常用的有最大應(yīng)力強度準則和Hoffman準則。在結(jié)構(gòu)設(shè)計中，強度準則可以用于估算FRP層合板中各鋪層發(fā)生破壞時的荷載。這些破壞準則大多與試驗結(jié)果都挺吻合，其中Tsai-Wu準則更為接近27。2.3.2橋面板的設(shè)計計算方法2.3.2.1 等代設(shè)計法28層合板等代設(shè)計法是一種比較老的方法，一般是指在荷載和使用環(huán)境不變的條件下，用相同形狀的復(fù)合材料層合板來代替其他材料，并采用材料的設(shè)計方法來進行強度和剛度的設(shè)計。由于復(fù)合

32、材料比強度、比剛度高，所以代替其他材料一般可減輕質(zhì)量。但這種方法是有局限性的，對于非承力構(gòu)件是可行的，而對于主承力構(gòu)件則不行。一般來說，按等代設(shè)計方法設(shè)計的構(gòu)件，需要進行強度和剛度的驗算，以確保安全可靠。2.3.2.2 主應(yīng)力設(shè)計法主應(yīng)力設(shè)計法是在結(jié)構(gòu)承受單一荷載(即結(jié)構(gòu)受載情況不變)的情況下，使層合板材料主應(yīng)力與主應(yīng)力方向一致的層合板設(shè)計方法。3 構(gòu)件之間的連接對整橋剛度的影響3.1 引言FRP的連接問題最早出現(xiàn)于航空航天領(lǐng)域，據(jù)統(tǒng)計，在航空航天領(lǐng)域復(fù)合材料的破壞中 70%發(fā)生在連接部位，連接部位的對復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的整體性有重要影響2930。在土木工程中復(fù)合材料的應(yīng)用也遇到了同樣的問題，但是土

33、木工程中所用的主要為拉擠成型復(fù)合材料，為了將FRP型材作為主要承力構(gòu)件，F(xiàn)RP型材之間的連接不可避免，連接部位一般為整個結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)，由于材料的特殊性質(zhì)，其連接方式與傳統(tǒng)的工程材料有很大的區(qū)別。如果能解決FRP型材的連接問題，F(xiàn)RP型材將作為主要承力構(gòu)件更加廣泛的應(yīng)用于工程結(jié)構(gòu)領(lǐng)域。連接連接是復(fù)合材料中比較難處理的問題之一。FRP橋面板體系中的連接可分為3個層次：(1) FRP橋面板組件間的連接，如AMP板中組件間的連接，CSC板中的芯管與芯管、芯管與面板的連接，夾心板中面板與核芯的連接等，常用的連接方式有粘結(jié)、螺栓或鉚釘連接、榫接等；(2) FRP橋面板間的連接，將空心板連接構(gòu)成整體，常用

34、的連接方式有粘結(jié)、機械連接件、榫接和夾件加固等；(3) FRP橋面板與支承梁的連接，可采用多種方式固定，包括栓釘、剪力環(huán)、螺栓連接、拉筋、鉚釘、機械夾固和粘結(jié)等31-33。組件間的連接對FRP構(gòu)件的極限承載力有較大影響?，F(xiàn)有的試驗研究結(jié)果表明，組件間的連接破壞往往導致構(gòu)件承載力過早喪失。而FRP空心板間的連接以及板與支承梁的連接決定了FRP橋面板的邊界條件，并對其受力時的有效寬度、支座剛度以及與梁的組合作用有較大影響。由于在連接處有較大的集中應(yīng)力，并且局部受力情況復(fù)雜，對FRP橋面體系性能的影響大，因此FRP橋面板中的連接成為研究中的一個重要問題。3.2 螺栓連接的設(shè)計研究概況 一個單螺栓的雙

35、搭接連接，它的破壞方式主要有四種：銷承壓破壞、拉伸破壞、剪切破壞和劈裂破壞。單純從應(yīng)力角度上來說的話，我們希望螺栓的破壞為銷承壓破壞。Matthias Oppe等人提出了螺栓連接的極限承載力的確定方法34，并建議在受力方向上的螺栓個數(shù)不要超過5個，垂直于受力方向的螺栓不要超過2個。Francesco Ascione介紹了一種FRP多栓連接中應(yīng)力在每個螺栓上分配比例的測量方法35。他推薦了一種壓力傳感器，將這種壓力傳感器放在栓孔壁和螺栓的界面，這樣就可以測出多栓連接中應(yīng)力應(yīng)變在每個栓孔的分配比例，還可測出在螺栓和FRP板界面的屈服應(yīng)力，并且試驗結(jié)果和有限元模擬結(jié)果吻合很好。針對FRP型材局部承壓

36、屈服強度及剪切強度較低等特點，P.P. Camanho 等提出了在復(fù)合材料板中粘貼金屬薄片的方法36。這種方法僅將連接部位的部分CFRP層逐步替換為強度較高的鈦合金薄片，鈦合金與復(fù)合材料之間為膠結(jié)，而其它CFRP層沒有被打斷，從純CFRP區(qū)域經(jīng)過過度區(qū)域直至CFRP與鈦合金的混合區(qū)域。這種方法提高了CFRP板的栓孔承壓強度，減少了纖維鋪層和環(huán)境對連接的機械性能的影響。3.3 膠結(jié)連接的設(shè)計研究概況 復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中膠接與機械連接相比，粘結(jié)區(qū)域比較大，應(yīng)力分布均勻，因此連接效率較高。影響粘結(jié)的因素有粘結(jié)表面條件、粘結(jié)層厚度、端部倒角、纖維鋪層、環(huán)境條件等因素。 Kwang-Soo Kim等人對FR

37、P單搭接粘結(jié)破壞的過程、強度以及破壞的模式進行了研究37，通過試驗發(fā)現(xiàn)由于破壞模式中出現(xiàn)了剝離破壞，所以復(fù)合材料膠結(jié)連接的失效強度與粘結(jié)劑的強度并不成正比，作者還發(fā)現(xiàn)隨著試件表面粗糙程度的降低和粘結(jié)層厚度的降低，結(jié)點的承載力逐漸上升。因此適當調(diào)節(jié)粘結(jié)的控制因素可以很好的提高連接效率。Thomas Keller對膠結(jié)連接面的應(yīng)力應(yīng)變分布進行了試驗研究38，從研究中發(fā)現(xiàn)，在沿受力方向上，膠結(jié)部位兩端的應(yīng)力較大而中間的應(yīng)力較小，F(xiàn)RP構(gòu)件的應(yīng)變則從膠結(jié)的起始端向另一端逐漸增大。3.4 膠栓混接的設(shè)計研究概況在膠栓混接方面的研究較少，但是從少量的試驗研究結(jié)果及其與單一螺栓連接或膠接的對比來看，膠栓混接

38、具有非常好的力學性能。Nguyen Duc Hai等人做了關(guān)于 CFRP/GFRP混合的復(fù)合材料板的連接試驗，提出了一種對拉擠成型復(fù)合材料構(gòu)件非常有效的連接方法39。通過對僅用螺栓連接、膠栓混接和帶V型槽面的膠栓混接等試件的雙搭接試驗研究發(fā)現(xiàn)，粘結(jié)劑、V型槽和螺栓的混合使用能夠顯著提高結(jié)點的剛度。Jin-Hwe Kweon等人通過對碳纖維板與鋁板膠栓混接的雙搭接試驗發(fā)現(xiàn)，當機械連接強度高于膠結(jié)面強度時，能夠?qū)崿F(xiàn)較高的連接強度，但是當機械連接強度低于膠結(jié)面的強度時，機械連接對混合連接強度的貢獻極小，其最終連接強度和僅膠結(jié)的情況相當40。T. Sadowski等研究了一種膠結(jié)和鉚釘混合的連接方式4

39、1，通過試驗和ABAQUS的有限元模擬來研究這種混合連接方式的破壞過程和每個部分的應(yīng)力分布。與單一的膠結(jié)或鉚接相比，混合連接能夠使結(jié)點的剛度、強度以及耗能能力都有較大的提高，具有較高的可靠性和耐久性。八、學位論文工作進度安排1.2013年10月12月，查閱國內(nèi)外相關(guān)文獻以及國外標準，對課題所研究內(nèi)容的國內(nèi)外情況應(yīng)有較為清晰的了解。2. 2013年1月2月，學習相關(guān)軟件MIDAS。3.2013年3月4月，對國外FRP橋梁的設(shè)計方法應(yīng)有較深入的掌握。4. 2013年5月8月，提出適合國內(nèi)情況的設(shè)計方法，并根據(jù)數(shù)值分析以及實驗數(shù)據(jù)，進行相應(yīng)的分析、對比。5. 2013年9月10月，總結(jié)并歸納FRP復(fù)

40、合材料構(gòu)件及整橋的設(shè)計和分析方法。碩士生簽名： 年 月 日九、指導老師意見 指導教師簽名： 年 月 日查閱(chyu)主要文獻資料目錄清單序號作 者題 目刊物名稱期（卷）號年份起止頁碼1Clark J L.Alternative material for the reinforcement and prestressing of concreteBlackie Academic and Profession19932張元凱肖汝誠.FRP材料在大跨度橋梁結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用展望公路交通科技(4)200459-623薛偉辰康清梁纖維塑料筋在混凝土結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用工業(yè)建筑29（2）199919-21.4梅葵花徐

41、進FRP簡介及其在橋梁工程中的應(yīng)用綜述中外公路30(4)2010247-2505AASHTO. Design Of FRP Bridge6CJJ69-95 城市人行天橋與人行地道技術(shù)規(guī)范北京19967余啟明FRP筋呋喃樹脂混凝土蠕變性能研究碩士20068葵花 徐進簡介及其在橋梁工程中的應(yīng)用綜述中外公路0420109黃立勇.常用橋面板設(shè)計研究武漢理工大學碩士論文200710付翰香 薛元德 李文曉拉擠成型FRP橋面板的研究玻璃鋼200311PaulA.Howdyshell JonathanC TrovillionDevelopmentand DemonstrationofAdvancedDesig

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49、 for21stCentury Bridge StructureDevelopmentsinShortand MediunSpan BridgeEngineering200117-2426張銦夾心橋面板橋梁靜動態(tài)響應(yīng)的數(shù)值分析華中科技大學博士論文200627沃丁柱李順林王興業(yè)復(fù)合材料大全化學工業(yè)出版社2000474-526.28黃志雄張聯(lián)盟復(fù)合材料產(chǎn)品設(shè)計武漢理工大學出版社200229馬毓趙啟林江克斌樹脂基復(fù)合材料連接技術(shù)研究現(xiàn)狀及在橋梁工程中的應(yīng)用和發(fā)展玻璃鋼/復(fù)合材料2201078-8230王丹勇層合板接頭損傷失效與疲勞壽命研究南京航空航天大學博士學位論文200631趙啟林江克斌樹脂基復(fù)合

50、材料連接技術(shù)研究現(xiàn)狀以及在橋梁工程中的應(yīng)用和發(fā)展玻璃鋼/復(fù)合材料2201032王花娟楊杰劉小建復(fù)合材料機械連接強度影響因素的研究進展材料導報03200733鞠蘇曾竟成碳纖維增強復(fù)合材料結(jié)構(gòu)進展研究高科技纖維材料與應(yīng)用03200634Matthias OppeJan Knippers.A consistent design concept for bolted connections instandardizedGFRP-profilesTsinghua University Press02010107-1135Francesco AscioneA preliminary numerical a

51、nd experimental investigation on the shear stress distribution on multi-row bolted FRP jointsMechanics Research Communications37201016416836P.P.Camanho,A.Fink A. Obst S. PimentaHybrid titaniumCFRP laminates for high-performancebolted jointsComposites： Part A4020091826183737Kwang-Soo Kim Jae-Seok Yoo

52、 Yeong-Moo YiChun-Gon KimFailure mode and strength of uni-directional composite single lap bonded joints with different bonding methodsComposite Structures72200647748538Thomas KellerJulia de CastroMartin SchollmayerAdhesively Bonded and Translucent GlassFiber Reinforced Polymer Sandwich GirdersJournal of Composites for Construction2004461-47039