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《清华大学》 2004年
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新型FRP空心桥面板的设计开发与受力性能研究

冯鹏  
【摘要】:纤维增强复合材料(fiber reinforced polymer,简称FRP)是近年来在土木工程中开始应用的新型结构材料。FRP空心板是一种常用的FRP构件,可用于桥面、墙板和楼面,其中FRP空心桥面板是最具有前景的应用形式之一。本文提出一种新的构造方法,并以此设计制作出一种新型FRP空心桥面板,研究了其静力性能和疲劳性能,研究了其构造增强的机理。论文还对FRP受弯构件的设计理论进行了研究,建议了FRP空心板的设计步骤和方法。 由于FRP具有各向异性、非均匀性等材料特性,在FRP空心桥面板中,各组件间连接和截面的构造形式成为影响其力学性能的主要因素。本文首先通过试验,研究了两种FRP空心板的变形性能和破坏特征,总结了文献中各种FRP空心板的破坏特征。在此基础上,提出了一种新的构造方法——外部纤维缠绕增强(outside filament-wound reinforcement,简称OFR),用以增强FRP空心桥面板中各组件间连接的受力性能。试验研究表明,OFR可明显改善其变形能力和承载力,并使破坏过程变缓。随后,通过对已有FRP桥面板构造的研究和对不同截面构造形式的FRP空心板的有限元分析,设计了一种新型FRP空心桥面板——HD板:由2块拉挤面板、4个缠绕芯管以及OFR构成,并经优化设计,最终研制成定型产品。论文进一步对带有不同厚度和不同角度OFR的HD板进行了静载和疲劳试验,试验研究表明:HD板在汽-超20级荷载下满足变形要求,承载力为设计荷载的4倍以上;经过200万次的疲劳加载,构件刚度的变化小于10%。论文还通过有限元分析,研究了OFR在FRP空心板中的作用,揭示了其局部增强和抑止组件间界面裂纹开展的机理。 根据FRP与传统结构材料受力性能的差异,论文对受弯构件的性能指标和安全储备问题进行了研究。指出结构安全储备包括:变形储备和承载力储备,并提出4个适用于各类材料的受弯构件的性能指标,以统一考虑变形储备和承载力储备,使FRP构件与传统材料构件具有一致的安全储备。最后,基于本文的试验研究和理论分析,构建了FRP空心板设计分析体系,并为其中各步骤建议了相应的分析计算方法。
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