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原文传递基于道路抢修的纤维增强复合材料支撑结构整体稳定性研究

论文题名：	基于道路抢修的纤维增强复合材料支撑结构整体稳定性研究
关键词：	道路抢修;纤维增强复合材料;支撑结构;整体稳定性
摘要：	纤维增强复合材料（FRP）是以纤维和树脂基体复合而成的一种新型材料，与传统的钢材和混凝土材料相比，FRP具有质量轻、强度高、绝缘性好、耐久性好、可设计性强等突出优点，近年来已成为土木工程领域的研究热点，已经在桥梁、工程加固、空间网架等领域中得到了较为广泛的应用。采用FRP材料制成杆件代替传统钢材制作新型支撑结构，可以解决传统钢支撑结构重量大、安装效率低、运输不便等问题，因此FRP支撑结构有望在抢修抢建等领域得到大量应用。　　本文以工程中常见的玻璃纤维增强复合材料（GFRP）支撑结构为研究对象，对GFRP支撑结构的整体稳定性进行了系统的研究。首先，对GFRP支撑结构扣件连接节点的力学性能进行了深入分析，得到了不同大小的扣件拧紧力矩下GFRP支撑结构扣件连接节点的转动刚度大小；进而通过有限元分析和整体稳定性试验研究了GFRP支撑结构的整体稳定性问题；为了在工程中便于计算GFRP支撑结构的稳定承载力大小，建立了GFRP支撑结构整体稳定承载力的计算流程和计算公式；最后，对GFRP支撑结构与钢支撑结构的造价进行对比，并提出基于山区道路抢修的GFRP支撑结构施工安全控制措施。主要研究内容如下：　　（1）为了探究不同大小拧紧力矩下的GFRP扣件连接节点的转动刚度大小，设计了四组不同大小拧紧力矩下的节点转动刚度试验，分别为20N·m，30N·m，40N·m，50N·m。通过节点转动刚度实验，得到GFRP扣件连接节点的荷载-位移曲线，进而通过数据分析得到GFRP扣件连接节点处的弯矩-转角曲线，通过拟合得到不同拧紧力矩下的节点转动刚度大小，并确定了GFRP扣件连接节点为半刚性节点。结果发现，提高扣件节点拧紧力矩，节点转动刚度也随之增大。利用有限元软件ANSYS建立相应的数值模型，模拟结果与试验结果吻合较好，最后，利用有限元软件ANSYS对扣件拧紧力矩的大小如何影响节点转动刚度进行了机理分析，对不同扣件材料、不同复合材料类型对节点转动刚度的影响进行了参数化分析。　　（2）在得到的GFRP支撑结构扣件节点转动刚度的基础上，基于有限元分析软件ANSYS建立了一种考虑节点半刚性和初始缺陷的GFRP支撑结构整体稳定承载力计算方法，得到了GFRP支撑结构的稳定承载力大小，并探究了其失稳模式。然后，通过GFRP支撑结构稳定性原型试验，将有限元分析结果与试验结果进行对比分析，验证了有限元模型的正确性。同时为了弥补试验条件的局限性，对多组不同搭设参数（如立杆间距、步距、剪刀撑、立杆伸出高度、节点转动刚度）的GFRP支撑结构与同等参数下的钢支撑结构进行对比分析，对二者的稳定承载力变化有更进一步的认识。　　（3）在钢支撑结构稳定承载力计算理论以及GFRP支撑结构整体稳定性有限元参数化分析的基础上，结合GFRP支撑结构扣件节点转动刚度这个关键参数，推导了GFRP支撑结构单杆的计算长度系数，再基于复合材料轴心受压的圆管截面构件的整体稳定极限承载力计算公式计算了GFRP支撑结构整体稳定承载力。具体为将GFRP支撑结构从三维结构简化为多点约束的单杆模型，得到关于GFRP支撑结构单杆模型的计算长度系数，最后通过复合材料轴心受压的圆管截面构件的整体稳定极限承载力计算公式得到GFRP支撑结构单杆稳定承载力的大小，进而得到结构整体稳定承载力大小。将三点转动约束单杆计算理论下的计算长度系数和四点转动约束单杆计算理论下的计算长度系数分别代入复合材料轴心受压的圆管截面构件的整体稳定极限承载力计算公式，结果表明，在三点转动约束的单杆计算理论下得到的GFRP单杆稳定承载力是最接近试验数值的，而在四点转动约束的单杆计算理论下得到的GFRP结构稳定承载力是更偏于安全的。　　（4）进行GFRP支撑结构的可行性研究，对相同搭设参数下的GFRP支撑结构与钢管支撑结构经济性进行对比发现，其在造价及运输效率方面优势明显，经济性方面略高于钢管支撑结构，对于在应急抢险等范围领域内具有一定可行性。此外，对基于山区道路灾害抢修抢建的GFRP支撑结构施工方法进行了研究，总结了在山区自然环境中搭设GFRP支撑结构的注意事项和搭设要求。
作者：	钱清锋
专业：	交通运输工程
导师：	王威娜
授予学位：	硕士
授予学位单位：	重庆交通大学
学位年度：	2022