纖維增強復(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-強度比）、制作簡單以及施工方便快捷等優(yōu)勢廣泛應(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)中鋼材的腐蝕問題不斷凸顯出來，對格構(gòu)式鋼結(jié)構(gòu)后期維護提出了更高的要求。纖維增強復(fù)合材料(Fiber-Reinforced Polymer，簡稱FRP)型材具有輕質(zhì)高強、耐腐蝕性好、可設(shè)計性強、施工便捷等一系列優(yōu)點，近二十余年來被廣泛應(yīng)用于各類新建結(jié)構(gòu)以及結(jié)構(gòu)的加固與補強中

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)中的報道。FRP結(jié)構(gòu)發(fā)展緩慢主要是由以下兩個原因所導(dǎo)致:(1) FRP型材是各向異性材料且其剪切強度較低，使得在格構(gòu)式結(jié)構(gòu)中使用FRP型材時，其節(jié)點較難處理。常會形成“強構(gòu)件，弱節(jié)點”，與設(shè)計中所強調(diào)的“強節(jié)點、弱構(gòu)件”相悖。如此便不能發(fā)揮FRP型材的輕質(zhì)高強的優(yōu)勢;(2)目前FRP型材用于新建結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法以及性能評價體系尚未建立。因此，目前亟需

3、開發(fā)出性能優(yōu)異的FRP節(jié)點并建立FRP結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法，保證FRP結(jié)構(gòu)的安全可靠并促進其快速發(fā)展。
　　本文首先從材料層次入手，通過材料性能試驗對三種類型的FRP型材（玻璃纖維/不飽和樹脂、玻璃纖維/乙烯基樹脂和玄武巖纖維/乙烯基樹脂）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）以及破壞模式進行全面的對比分析，根據(jù)試驗結(jié)果選擇了BFRP（玄武巖纖維/乙烯基樹脂）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

4、的研究中，提出了八種新型全FRP節(jié)點，并通過節(jié)點試驗對這幾種新型FRP節(jié)點的基本力學(xué)性能做了初步分析。隨后，在前期研究的基礎(chǔ)上針對全FRP格構(gòu)柱弦桿與腹桿的單面搭接節(jié)點以及采用FRP桿件修復(fù)鋼格構(gòu)柱的鋼-FRP節(jié)點進行了細(xì)致的試驗研究，并對于全FRP格構(gòu)柱中弦桿與腹桿的節(jié)點以及FRP桿件修復(fù)鋼格構(gòu)柱中的鋼-FRP節(jié)點給出了相關(guān)使用建議。
　　在構(gòu)件層次，基于國內(nèi)外大量相關(guān)試驗數(shù)據(jù)，對目前用于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臨界力的計算公式進行了對比分析，重點考察了相關(guān)計算公式的精度，并給出了相關(guān)公式的使用建議。最后，通過對大量試驗數(shù)據(jù)的分析，給出了FRP軸心受壓構(gòu)件整體屈曲失效時基于考慮剪切變形的歐拉公式的修正公式。同時也給出了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)計人員使用的計算公式。在對FRP型材修復(fù)格構(gòu)式鋼結(jié)構(gòu)的研究中，通過分別采用FRP型材和角鋼對足尺四肢角鋼格構(gòu)柱進行修復(fù)的對比試驗，研究

6、了FRP桿件修復(fù)格構(gòu)柱的效果，以及螺栓節(jié)點滑移對結(jié)構(gòu)性能的影響，并通過數(shù)值模擬對格構(gòu)式結(jié)構(gòu)的節(jié)點滑移模型進行了研究，提出了適用于有節(jié)點滑移效應(yīng)的格構(gòu)式結(jié)構(gòu)的有限元模型。
　　在對全FRP格構(gòu)柱的研究中，通過軸心受壓FRP格構(gòu)柱試驗，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，并將試驗結(jié)果與數(shù)值計算結(jié)果以及相同結(jié)構(gòu)形式的鋼格構(gòu)柱的數(shù)值計算結(jié)果進行對比，分析了FRP格構(gòu)柱優(yōu)勢與不足。在FRP格構(gòu)

7、柱軸壓試驗的基礎(chǔ)上，對軸壓比為0.2的FRP格構(gòu)柱進行了試驗研究，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)柱進行了對比。隨后，通過對全FRP格構(gòu)柱的低周水平反復(fù)荷載試驗，重點考察了全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)計方法方面，在目前對鋼格構(gòu)柱的研究基礎(chǔ)上，全面比較不同學(xué)者提出的針對鋼格構(gòu)柱設(shè)計的相關(guān)