论文总字数：59873字

摘 要

纤维增强复合材料（Fiber Reinforced Polymer/Plastic，简称 FRP）也称纤维增强塑料，是一种新型的材料，与传统的钢材以及合金等金属材料相比，复合材料能够同时达到轻质、高强、刚度高等特点。GFRP桁架桥即采用GFRP作为建筑材料的桁架桥结构。采用GFRP材料有利于减轻桥梁结构的自重，提高工业化程度，提高耐腐蚀性以及抗疲劳性能。

淮河出海航道高良涧船闸扩容工程闸区工作桥是一座全部采用玻璃纤维增强复合材料（GFRP）拉挤型材的桁架桥，跨度为36.0m，桥宽为4.0m。以该桥为背景，对拉挤型材结构体系进行力学性能分析。研究GFRP桁架桥的静力和动力特性。本论文的分析工作主要包括了以下几个方面：

1.复合材料细观力学分析的相关理论

复合材料的细观力学主要是研究复合材料单层的微观结构和宏观性能两者之间的关系。细观力学和宏观力学相辅相成，细观力学是不同材料之间组合可以产生不同宏观力学性能的理论基础。采用不同的细观力学模型计算弹性常数，为GFRP桁架桥的静力分析、动力分析和参数分析打下基础。

2．GFRP桁架桥的静力分析

按照单元数据、边界条件数据、荷载数据、截面特性、材料特性等信息，建立GFRP桁架桥的实体板壳有限元模型。计算基本组合荷载作用下GFRP桁架桥跨中竖向最大挠度，并验算在人群荷载作用下GFRP桁架桥跨中竖向最大挠度是否满足规范的要求，计算GFRP桁架桥各构件的应力，并进行GFRP桁架桥的屈曲分析。

3．GFRP桁架桥的动力分析

对GFRP桁架桥进行模态分析，计算GFRP桁架桥的前4阶自振频率。

4．GFRP桁架桥的参数分析

改变GFRP桁架桥的高跨比，宽跨比以及GFRP桁架桥布层的铺设角度，对GFRP桁架桥进行参数分析，计算GFRP桁架桥的第一阶频率、第一阶竖弯频率、GFRP整桥在基本组合下的最大竖向挠度以及GFRP桁架桥在基本组合下各构件的最大应力。

5．GFRP桁架桥的结构优化

将GFRP桁架桥的上下弦杆的材料替换为玄武岩纤维，与原GFRP桁架桥进行比较，比较整桥在基本组合下的最大的跨中竖向挠度以及各构件的最大应力；将GFRP桁架桥的材料全部替换为玄武岩纤维，与原GFRP桁架桥进行比较，比较整桥在基本组合下的最大的跨中竖向挠度以及各构件的最大应力。

关键词：桁架桥；GFRP；有限元分析；玄武岩纤维；参数分析

Abstract

Fiber Reinforced Composites also calls the fiber Reinforced plastics, is a new type of material. Compared with the traditional metal materials including steel and alloy, the composite material can reach light, high strength, high stiffness at the same time. GFRP truss bridge is used as the building material of truss bridge structure. We can use GFRP materials to reduce the weight of the bridge structure and improve the degree of industrialization and the corrosion resistance and fatigue resistance performance.

The truss bridge in Gaoliang ship lock across huaihe river is made of glass fiber reinforced polymer (GFRP), the span of the truss bridge is 36.0 m, width of the truss bridge is 4.0 m. We can use this truss bridge to analysis the system structure of pultrusion profiles mechanical performance. We can also use this to analysis the static and dynamic characteristics of GFRP truss bridge. In this paper, the research work mainly revolves the following aspects:

1. The mesoscopic mechanics analysis model of composite materials

Mesoscopic mechanics of composite materials is a study of the macroscopic properties and composition of the single layer composite material properties and the quantitative relationship between the mesoscopic structure mechanics method. Mesoscopic mechanics is an aide to a macro mechanics analysis, it reveals the different material combinations that can have different internal mechanism of macro performance. The elastic constants are calculated by using a different mesoscopic mechanics model to finish GFRP truss bridge static analysis, dynamic analysis and parameter analysis.

2. The static analysis of GFRP truss bridge

According to the data, boundary condition data, load unit, section, material properties, the plate and shell finite element model of GFRP truss bridge entity is established. We can calculate the basic composition of GFRP truss bridge stiffness, check the strength of the GFRP truss bridge components and the buckling analysis of GFRP truss bridge.

3. The dynamic analysis of GFRP truss bridge

Modal analysis can be carried out on the GFRP truss bridge, calculation in the first 10 order natural frequency of vibration of GFRP truss bridge.

4. The parameter analysis of GFRP truss bridge

By Changing the depth-span ratio of GFRP truss bridge, wide-span ratio of GFRP truss bridge and the cloth layer laying angle, we can analysis the parameter of GFRP truss bridge and calculate the first order frequency, the first order vertical bending frequency, the vertical deflection of the GFRP bridge under the basic combination and the maximum stress in GFRP truss bridge under the basic combination.

5. The structure optimization of GFRP truss bridge

By changing the material of top and bottom chord of GFRP truss bridge with basalt fiber, we can compare the BFRP truss bridge and the original GFRP truss bridge, then compare the first order frequency, the first order vertical bending frequency, the vertical deflection of the GFRP bridge under the basic combination and the maximum stress in GFRP truss bridge under the basic combination; then by changing the whole material of GFRP truss bridge with basalt fiber, we can compare the BFRP truss bridge and the original GFRP truss bridge, then compare the first order frequency, the first order vertical bending frequency, the vertical deflection of the GFRP bridge under the basic combination and the maximum stress in GFRP truss bridge under the basic combination.

Key words: truss bridge; GFRP; The finite element analysis; Basalt fiber; Parameter analysis

目 录

摘 要 I

Abstract III

第一章 绪论 1

1.1 研究背景 1

1.2 研究目的 2

1.3 本文内容 3

第二章 FRP材料及其在土木工程中的应用 5

2.1 引言 5

2.2 FRP材料及制备工艺 5

2.2.1 FRP材料 5

2.2.2 FRP材料的特点 11

2.2.3 FRP材料的制备工艺 12

2.3 FRP力学分析基础 14

2.3.1 层合板模型 14

2.3.2 各向异性弹性体 14

2.3.3 复合材料细观力学模型 16

2.4 FRP在结构工程中的应用 20

2.4.1 FRP 材料应用概述 20

2.4.2 国外的FRP桥梁案例 21

2.4.3 国内的FRP桥梁案例 26

第三章 GFRP桁架桥有限元分析 28

3.1 概述 28

3.2 有限元模型 28

3.2.1 单元类型 28

3.2.2 材料参数 30

3.2.3 几何模型 32

3.2.4 模态分析 34

3.2.5 应力分析 37

3.2.6 挠度分析 44

3.2.7 屈曲分析 46

第四章 GFRP桁架桥参数分析 47

4.1 引言 47

4.2 高跨比影响 48

4.3 宽跨比的影响 59

第五章 纤维铺设角度分析 70

5.1 引言 70

5.2 单层板相关理论 70

5.2.1 单向纤维单层板 70

5.2.2 纤维非单向布置的单层板 71

5.3 单层板弹性常数计算 73

5.3.1 的情况分析 73

5.3.2 的情况分析 74

5.3.3 的情况分析 75

5.3.4 的情况分析 76

5.4 改变纤维铺设角度对桁架桥力学性能的影响 77

5.4.1 挠度分析 77

5.4.2 应力分析 78

第六章 GFRP桁架桥与钢桁架桥、BFRP桁架桥的对比 85

6.1 引言 85

6.2 GFRP桁架桥与钢桁架桥的力学性能对比 85

6.2.1 钢桁架桥概述 85

6.2.2 钢桁架桥的挠度分析 87

6.2.3钢桁架桥的应力分析 88

6.3 GFRP桁架桥与BFRP桁架桥的力学性能对比 92

6.3.1 BFRP桁架桥概述 92

6.2.2 BFRP桁架桥挠度分析 94

6.2.3 BFRP桁架桥应力分析 95

第七章 结论 101

参考文献 103

致谢 106

附录A GFRP主要性能材料参数 107

第一章 绪论

1.1 研究背景

近年来，在土木结构中，混凝土结构和钢结构的腐蚀、劣化问题日益严重，其中以钢材锈蚀最为常见^[1][2]，这不仅影响结构的正常使用和寿命，增加其维修费用，还造成大量的安全和事故隐患。对于桥梁结构，尤其在于北方寒冷地区，冬天所洒的融雪用盐是导致钢筋混凝土结构腐蚀的最主要原因^[3~5]。

现阶段，我国的钢筋混凝土桥梁存在着比较严重的耐久性问题。2001年，我国的相关部门对我国目前存在的钢筋混凝土桥梁进行了检测，结果表明我国有超过3000处的混凝土梁存在着耐久性的问题，其中的钢筋锈蚀的问题非常严重^[6]。这种情况在各地区都普遍存在。2003年，美国国家桥梁的相关部门对美国的592000座桥梁进行了统计，结果表明，将近27%的桥梁存在着结构承载能力不足或者耐久性的问题，美国每年用于桥梁检查维修的费用达到了106亿美元^[7]。

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