GFRP拉挤型材拼合工字型截面梁受力性能研究

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玻璃纤维增强复合材料(GFRP)拉挤型材具有轻质高强、良好的耐腐蚀性、良好的可设计性以及优秀的弹性性能等优点,在桥梁工程中具有较好的应用前景。限于拉挤型材的生产工艺与能力,现有GFRP拉挤型材工字型截面梁产品的高度有限,应用于桥梁结构时无法满足相关规范对桥梁刚度的要求。本文受国家重点研发计划项目(2017YFC0703005)资助,针对这一问题,采用拼合截面方法,将两根拉挤型材T型梁沿竖向拼合为一根工字型截面梁,对GFRP拉挤型材拼合工字型截面梁的受力性能进行研究。主要研究内容及结论如下:
  (1)进行了5根GFRP拉挤型材工字梁的试验研究,分析了试件破坏模式、荷载位移曲线、梁跨中截面应变分布、弯剪段剪应变分布以及翼缘应变分布等结果。结果表明:剪跨比较小时,GFRP拉挤型材工字梁发生剪切破坏以及局部压缩破坏,分别为在腹板出现纵向裂纹及加载点附近翼缘被压坏;剪跨比较大时,GFRP拉挤型材工字梁出现弯曲破坏,在加载点处翼缘横向断裂,并往下贯通到腹板;对于GFRP拉挤型材工字梁可以近似采用平截面假定进行计算;GFRP拉挤型材工字梁的剪应变分布基本符合材料力学理论,腹板中心轴处剪应变大,两端逐渐减小,在对该类梁进行计算时可以粗略忽视翼缘对抗剪的贡献。
  (2)进行了6根GFRP拉挤型材拼合工字型截面梁的试验研究,分析了试件破坏模式、荷载位移曲线、梁跨中截面应变分布、弯剪段剪应变分布以及翼缘应变分布等结果。结果表明:剪跨比较小时,截面较小的梁发生剪切破坏以及局部压缩破坏,分别表现为腹板出现纵向裂纹或加载点附近翼缘横向断裂;GFRP拉挤型材拼合工字型截面梁的正应变沿竖向满足平截面假定,剪应变分布基本符合材料力学理论,即腹板中心轴处剪应变大,往梁高方向逐渐减小;在合理的螺栓间距范围内,较小的螺栓间距以及在腹板截面涂结构胶能提高梁的刚度与承载能力。
  (3)采用有限元方法分析了剪跨比、螺栓间距与腹板界面是否胶结等参数对GFRP拉挤型材工字型截面梁受力性能的影响。结果表明:非拼合截面梁通常发生剪切破坏,在翼缘与腹板交接处以及腹板中部出现纵向裂纹;小尺寸GFRP拉挤型材拼合工字型截面梁在剪跨比较小的情况下易发生基体压缩与拉伸失效,最终在腹板、翼缘与腹板交接处以及腹板开孔附近出现纵向裂纹;大截面GFRP拉挤型材拼合工字型截面梁更容易发生弯曲破坏,在加载点及支座附近的翼缘横向断裂,裂纹贯通至腹板。剪跨比对非拼合截面梁受力性能的影响较GFRP拉挤型材拼合工字型截面梁大;螺栓间距对GFRP拉挤型材拼合工字型截面梁的整体性能影响较大,这与梁的刚度与承载力直接相关,但螺栓间距与梁的承载力及刚度之间的关系并不是线性规律,每一类梁都有自己最优的螺栓间距;对同种类型的GFRP拉挤型材拼合工字型截面梁,在剪跨比较小的情况下,腹板界面胶结能大大增加梁的承载力及刚度,在剪跨比较大的情况下,由于梁的主要受力状态为受弯,所以界面胶结只能增加梁的刚度,对承载力影响不大。
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