纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(FRP)格構(gòu)柱基本性能研究.pdf

1、格構(gòu)式鋼結(jié)構(gòu)憑借其較高的結(jié)構(gòu)效率（較低的重量-強(qiáng)度比）、制作簡(jiǎn)單以及施工方便快捷等優(yōu)勢(shì)廣泛應(yīng)用于土木工程領(lǐng)域。隨著自然環(huán)境的不斷惡化以及結(jié)構(gòu)使用年限的增加，格構(gòu)式鋼結(jié)構(gòu)中鋼材的腐蝕問(wèn)題不斷凸顯出來(lái)，對(duì)格構(gòu)式鋼結(jié)構(gòu)后期維護(hù)提出了更高的要求。纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(Fiber-Reinforced Polymer，簡(jiǎn)稱FRP)型材具有輕質(zhì)高強(qiáng)、耐腐蝕性好、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)、施工便捷等一系列優(yōu)點(diǎn)，近二十余年來(lái)被廣泛應(yīng)用于各類新建結(jié)構(gòu)以及結(jié)構(gòu)的加固與補(bǔ)強(qiáng)中

2、。FRP型材是一種可用于制作格構(gòu)式結(jié)構(gòu)的理想用材，但目前鮮有關(guān)于FRP型材應(yīng)用于格構(gòu)式結(jié)構(gòu)中的報(bào)道。FRP結(jié)構(gòu)發(fā)展緩慢主要是由以下兩個(gè)原因所導(dǎo)致:(1) FRP型材是各向異性材料且其剪切強(qiáng)度較低，使得在格構(gòu)式結(jié)構(gòu)中使用FRP型材時(shí)，其節(jié)點(diǎn)較難處理。常會(huì)形成“強(qiáng)構(gòu)件，弱節(jié)點(diǎn)”，與設(shè)計(jì)中所強(qiáng)調(diào)的“強(qiáng)節(jié)點(diǎn)、弱構(gòu)件”相悖。如此便不能發(fā)揮FRP型材的輕質(zhì)高強(qiáng)的優(yōu)勢(shì);(2)目前FRP型材用于新建結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法以及性能評(píng)價(jià)體系尚未建立。因此，目前亟需

3、開(kāi)發(fā)出性能優(yōu)異的FRP節(jié)點(diǎn)并建立FRP結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法，保證FRP結(jié)構(gòu)的安全可靠并促進(jìn)其快速發(fā)展。
　　本文首先從材料層次入手，通過(guò)材料性能試驗(yàn)對(duì)三種類型的FRP型材（玻璃纖維/不飽和樹(shù)脂、玻璃纖維/乙烯基樹(shù)脂和玄武巖纖維/乙烯基樹(shù)脂）的基本力學(xué)性能（拉伸性能、壓縮性能、彎曲性能和剪切性能）以及破壞模式進(jìn)行全面的對(duì)比分析，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果選擇了BFRP（玄武巖纖維/乙烯基樹(shù)脂）型材作為制作全FRP格構(gòu)柱的主要結(jié)構(gòu)用材。
　　在節(jié)點(diǎn)

4、的研究中，提出了八種新型全FRP節(jié)點(diǎn)，并通過(guò)節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)對(duì)這幾種新型FRP節(jié)點(diǎn)的基本力學(xué)性能做了初步分析。隨后，在前期研究的基礎(chǔ)上針對(duì)全FRP格構(gòu)柱弦桿與腹桿的單面搭接節(jié)點(diǎn)以及采用FRP桿件修復(fù)鋼格構(gòu)柱的鋼-FRP節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了細(xì)致的試驗(yàn)研究，并對(duì)于全FRP格構(gòu)柱中弦桿與腹桿的節(jié)點(diǎn)以及FRP桿件修復(fù)鋼格構(gòu)柱中的鋼-FRP節(jié)點(diǎn)給出了相關(guān)使用建議。
　　在構(gòu)件層次，基于國(guó)內(nèi)外大量相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)目前用于FRP軸心受壓桿件整體屈曲、局部屈曲以及

5、整體屈曲與局部屈曲相互作用失效時(shí)臨界力的計(jì)算公式進(jìn)行了對(duì)比分析，重點(diǎn)考察了相關(guān)計(jì)算公式的精度，并給出了相關(guān)公式的使用建議。最后，通過(guò)對(duì)大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，給出了FRP軸心受壓構(gòu)件整體屈曲失效時(shí)基于考慮剪切變形的歐拉公式的修正公式。同時(shí)也給出了FRP軸壓構(gòu)件的柱子曲線和考慮初始缺陷包含穩(wěn)定系數(shù)的適合于工程設(shè)計(jì)人員使用的計(jì)算公式。在對(duì)FRP型材修復(fù)格構(gòu)式鋼結(jié)構(gòu)的研究中，通過(guò)分別采用FRP型材和角鋼對(duì)足尺四肢角鋼格構(gòu)柱進(jìn)行修復(fù)的對(duì)比試驗(yàn)，研究

6、了FRP桿件修復(fù)格構(gòu)柱的效果，以及螺栓節(jié)點(diǎn)滑移對(duì)結(jié)構(gòu)性能的影響，并通過(guò)數(shù)值模擬對(duì)格構(gòu)式結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)滑移模型進(jìn)行了研究，提出了適用于有節(jié)點(diǎn)滑移效應(yīng)的格構(gòu)式結(jié)構(gòu)的有限元模型。
　　在對(duì)全FRP格構(gòu)柱的研究中，通過(guò)軸心受壓FRP格構(gòu)柱試驗(yàn)，考察了FRP格構(gòu)柱的極限承載力、荷載-位移關(guān)系、以及相關(guān)位置的荷載-應(yīng)變曲線的變化，并將試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值計(jì)算結(jié)果以及相同結(jié)構(gòu)形式的鋼格構(gòu)柱的數(shù)值計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，分析了FRP格構(gòu)柱優(yōu)勢(shì)與不足。在FRP格構(gòu)

7、柱軸壓試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，對(duì)軸壓比為0.2的FRP格構(gòu)柱進(jìn)行了試驗(yàn)研究，考察了結(jié)構(gòu)在水平荷載作用下的結(jié)構(gòu)性能并與相同結(jié)構(gòu)形式的鋼格構(gòu)柱進(jìn)行了對(duì)比。隨后，通過(guò)對(duì)全FRP格構(gòu)柱的低周水平反復(fù)荷載試驗(yàn)，重點(diǎn)考察了全FRP格構(gòu)柱在低周反復(fù)荷載作用下的破壞模式、應(yīng)變分布、強(qiáng)度及剛度退化、耗能能力以及格構(gòu)柱殘余側(cè)移率等，全面研究了FRP格構(gòu)柱的抗震性能。
　　在設(shè)計(jì)方法方面，在目前對(duì)鋼格構(gòu)柱的研究基礎(chǔ)上，全面比較不同學(xué)者提出的針對(duì)鋼格構(gòu)柱設(shè)計(jì)的相關(guān)