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标题

GFRP桁架式桥梁结构连接性能分析

范文

何琦陈孜伟

摘要：桁架式结构是能充分发挥GFRP材料性能优势的结构，因此在复合材料应用中应给桁架式结构予以充分重视。与金属材料相比，GFRP（玻璃纤维复合材料）能够同时拥有质轻、比强度和比刚度高、耐腐蚀以及材料的可设计性等突出优点，被大量应用于桥梁工程领域。胶-栓混合连接是目前最有效的GFRP结构连接方式，但目前这方面的相关理论研究还不成熟，对影响其连接性能的因素及影响效果的认识还不明朗。本文采用有限元模拟的方法，分析了螺栓个数和端距对结构连接性能的影响，希望本文的分析结果能对GFRP桥梁设计和GFRP加固既有桥梁等工程提供帮助。

关键词：GFRP;桁架式桥梁;连接;ANSYS

中图分类号：U443 ? ? ? ? ? ?文献标识码：A ? ? ? ? ? ?文章编号：1006—7973（2019）06-0113-02

1前言

GFRP材料的优势在于轴向受力状态良好，抗剪性能差，桁架式桥梁结构能将桥梁的复杂受力状态转化成轴向受力状态，因此桁架式桥梁充分发挥GFRP材料性能优势的结构，在复合材料应用中应对桁架式桥梁结构予以充分重视。

胶-栓混合连接是将胶接连接和螺栓连接组合在一起的一种连接方式。以双面搭接为例，混合连接的方法是，在搭接板的搭接面上涂抹胶层（比如环氧树脂），同时采用螺栓对搭接板进行紧固。混合连接具有非常好的力学性能，充分发挥了胶接和螺栓连接这两种连接方法的优点，是今后复合材料连接的主流，具有非常好的应用前景。

本文将采用ANSYS有限元模拟的方法，分析了螺栓个数和端距对GFRP桥梁结构连接性能的影响。

2工程簡介

为推广复合材料桥梁的发展及复合材料在桥梁工程领域的应用，我单位受业主委托，拟在重庆新建一座1x30m桁架式GFRP人行天桥。

GFRP结构连接问题是本桥的关键问题，也是难点所在，连接的强度、刚度问题直接决定桁架式GFRP桥梁的成败。本文的研究内容是正是针对此情况，从细部出发研究构件的连接问题，对其影响因素进行对比分析。

在单纯的钢板螺栓连接中，螺栓个数对螺栓连接强度的影响很大，同样在胶接连接中，端距对连接性能的影响也非常明显，但在钢板和GFRP板的胶-栓混合连接中，由于胶层的作用和GFRP材料属性的各项异性等特点，导致接头处受力非常复杂，所以螺栓个数和端距对胶-栓混合连接强度的影响有待进一步研究。本文分别给出两种模型尺寸图，如图1～2所示，左端固定，右端施加水平拉力。模型尺寸设计参见《钢结构设计规范》。

3有限元模拟

3.1材料参数（如表1）

3.2有限元模型

本文采用ANSYS有限元分析软件。建立“钢板—胶层/螺栓—GFRP—胶层/螺栓—钢板”模型，如图1所示。螺栓与螺栓孔表面的接触问题采用接触对定义其接触。

4结果分析

4.1螺栓数量的影响（如表2）

连接强度方面：3个螺栓>2个螺栓>1个螺栓。螺栓数量的增加有利于提高胶-栓混合连接的强度，但提高的幅度不大。

连接刚度方面：在胶层未产生塑性区之前，螺栓数量对连接刚度几乎没有影响;当胶层产生塑性区之后，螺栓数量越多连接刚度越高;螺栓数量与刚度不成正比关系，当单排螺栓数量超过3个之后，螺栓数量对连接刚度的影响可忽略不计。

4.2端距的影响（如表3）

连接强度方面：端距对胶-栓混合连接的强度无明显影响。连接刚度方面：在胶层产生塑性区之前，螺栓承担的荷载可忽略不计，由于胶层的厚度和尺寸均未发生变化，所以此时端距对胶-栓混合连接的刚度没有影响。当胶层产生塑性区后，塑性区逐步扩展到螺栓孔附近，螺栓承担的荷载越来越大且起到限制变形的作用，对刚度的贡献越来越显著。端距越小，螺栓越早参与受力且承担的荷载也越大，所以连接接头的刚度也就越大。

延性方面：端距越大，延性越好。由强度分析和刚度分析可得此结论。

5结束语

（1）桁架式结构是能充分发挥GFRP材料性能优势的结构，因此在复合材料应用中应该桁架式结构予以充分重视。

（2）连接问题是桁架式GFRP桥梁的核心问题，在此类桥梁的设计中，应提高对构件连接强度的重视程度。

（3）增加螺栓个数有助于提高桥梁构件胶-栓混合连接强度，但提升效果较微，且单排螺栓数量不宜超过3个。

（4）在胶层未产生塑性区之前，螺栓数量对胶-栓混合连接刚度几乎没有影响;当胶层产生塑性区之后，螺栓数量越多连接刚度越高;螺栓数量与刚度不成正比关系，当单排螺栓数量超过3个之后，螺栓数量对连接刚度的影响可忽略不计。

（5）端距对桥梁构件胶-栓混合连接强度无明显影响，但对刚度的影响较显著。

参考文献：

[1] 李曙光.FRP构件的连接及其设计方法研究[D]. 西安建筑科技大学，2012.

[2] 王兴业，肖加余，江大志等.复合材料力学分析与设计[M].长沙：国防科技大学出版社，2003：1-100.

[3] Thomas Keller.Recent all-composite and hybrid fibre-reinforced polymer bridges and buildings [J].Prog Struct engng mater， 2001， 03：132-140 .

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