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原文传递 FRP-UHPC板桁组合梁桥结构体系及节点连接性能研究

论文题名：	FRP-UHPC板桁组合梁桥结构体系及节点连接性能研究
关键词：	FRP-UHPC板桁组合梁桥;FRP拉挤型材;节点连接;失效机理;超高性能混凝土
摘要：	纤维增强复合材料（FiberReinforcedPolymer,FRP）的超高比强度、超强耐久性和优异的可设计性使其较好地满足了现代桥梁工程对轻质、高强、耐久的需求，国内外既有研究表明拉挤成型工艺是最为经济也最适合于桥梁工程规模化生产的成型方法。目前拉挤成型FRP已在国内外桥梁工程中得到较广泛应用，采用FRP拉挤型材作为桥梁主承力构件成为热门研究方向之一。其用于桥梁工程目前存在两大技术瓶颈：（1）腹板纵向抗剪强度极低。由于纤维铺层的以单向纤维为主，同时FRP材料的剪切强度、层间拉伸强度和层间剪切强度相对较小，拉挤成型FRP易发生纵向剪切破坏。（2）FRP拉挤型材断面尺寸小，现有拉挤工艺无法实现适合桥梁的超大截面FRP型材的生产，加之FRP弹模低，梁式结构难以突破刚度限制，FRP材料强度利用率低。　　基于对FRP型材桥梁所存在技术问题的认知，本课题提出“FRP型材桁架-UHPC板组合梁”这一新型板桁组合结构形式，旨在从结构形式设计上规避FRP腹板易受剪破坏和整梁刚度过低的问题。FRP型材-混凝土板桁组合梁是通过带界面剪力键的FRP上弦杆或特殊节点与混凝土桥面板相结合形成的新型结构体系，合理的节点连接技术是该结构体系得以实现的核心问题。本项目结合FRP型材-UHPC板桁组合梁结构体系及节点连接性能试验及精细化数值模拟，围绕FRP型材连接失效机理、新型大承载FRP拉挤型材桁架节点连接技术及其设计方法、FRP-UHPC板桁界面连接性能和FRP-UHPC板桁组合梁桥受力特性等方面展开了系统研究。　　（1）FRP拉挤型材跨尺度力学特性与理论分析方法　　结合材性试验及数值仿真手段，从基本材料组分、单层板及层合板等不同层面开展了FRP拉挤型材宏/细观力学特性研究，建立了FRP拉挤型材代表体积单元（RVE）细观数值模型，基于组分材性成功预测单层板力学特性，并对比分析了RVE数值模拟方法与其他细观理论分析模型对于各工程弹性常数预测精度；建立了考虑Hashin损伤判据的FRP拉挤型材渐进失效数值模型，直观揭示了复合材料拉挤型材的渐进损伤机理。　　（2）新型FRP拉挤型材桁架节点静力性能研究　　提出了新型FRP拉挤型材桁架U型钢套连接节点，并通过13组FRP拉挤型材桁架节点静力性能试验研究了节点构造、型材厚度、螺栓直径、预紧力矩、钢套长度、钢套（板）厚度和胶层设置等结构参数对桁架节点承载能力、节点刚度、变形能力和破坏模式等力学性能的影响。建立了FRP拉挤型材桁架节点静力加载精细化数值模型，利用考虑Hashin损伤判据的渐进失效分析方法揭示U型钢套连接桁架节点杆件失效机理及其损伤演化规律。　　（3）新型FRP拉挤型材桁架节点设计计算方法　　基于FRP型材杆件强度、节点板强度和钢板屈曲性能等不同角度对新型FRP拉挤型材桁架节点性能进行深入分析，进而建立了考虑材料强度、关键几何参数及抗屈曲性能的节点设计方法，并提出详尽的新型FRP拉挤型材桁架节点设计流程。　　（4）FRP-UHPC板桁组合结构桥面板力学性能试验与评价指标分析　　针对UHPC桥面板，完成9组受弯性能试验及8组受剪性能试验，研究了配筋率、养护机制、剪跨比、骨料粒径等参数对UHPC桥面板抗弯/剪承载能力、失效模式、结构延性、刚度退化等裂后性能的影响；提出考虑纤维抗拉贡献的UHPC桥面板抗弯/剪承载能力计算方法并于现行评价指标进行对比分析。　　（5）FRP-UHPC板桁组合梁桥界面连接性能试验研究　　通过11组新型FRP-UHPC板桁组合界面剪力连接性能推出试验，研究了螺栓排布方式、胶层设置、穿孔板厚度、连接螺栓直径、U型钢套尺寸及穿孔钢筋数量等参数对于FRP-UHPC板桁组合界面连接的抗剪承载能力、抗剪刚度、破坏模式、变形能力等方面的影响。通过UHPC板-钢套筒PBL连接界面及FRP型材-钢套筒螺栓连接界面受力特性分析，揭示界面抗剪全过程静力失效机理，并提出基于不同破坏模式的界面抗剪承载能力计算方法。　　（6）FRP-UHPC板桁组合梁桥受力性能试验与结构体系研究　　提出了新型FRP-UHPC板桁组合结构体系并给出其合理的空间结构连接方式，开展了板桁组合试验梁及桁架单元梁三点弯曲试验，系统分析板桁组合梁受弯整体结构响应；建立了FRP-UHPC板桁组合试验梁精细化有限元模型，利用参数分析方法研究了桁架高度、型材厚度、桥面板宽度及厚度等不同结构参数及跨中单点、四点弯曲及均布荷载等不同工况对板桁组合结构损伤演化、破坏模式及承载能力的影响；提出FRP-UHPC板桁组合梁桥材料-结构一体化设计流程，为其工程应用提供系统化设计方法。
作者：	冯宇
专业：	土木工程;桥梁与隧道工程
导师：	王景全
授予学位：	博士
授予学位单位：	东南大学
学位年度：	2021