何琦 陳孜偉

摘 要：桁架式結(jié)構(gòu)是能充分發(fā)揮GFRP材料性能優(yōu)勢(shì)的結(jié)構(gòu)，因此在復(fù)合材料應(yīng)用中應(yīng)給桁架式結(jié)構(gòu)予以充分重視。與金屬材料相比，GFRP（玻璃纖維復(fù)合材料）能夠同時(shí)擁有質(zhì)輕、比強(qiáng)度和比剛度高、耐腐蝕以及材料的可設(shè)計(jì)性等突出優(yōu)點(diǎn)，被大量應(yīng)用于橋梁工程領(lǐng)域。膠-栓混合連接是目前最有效的GFRP結(jié)構(gòu)連接方式，但目前這方面的相關(guān)理論研究還不成熟，對(duì)影響其連接性能的因素及影響效果的認(rèn)識(shí)還不明朗。本文采用有限元模擬的方法，分析了螺栓個(gè)數(shù)和端距對(duì)結(jié)構(gòu)連接性能的影響，希望本文的分析結(jié)果能對(duì)GFRP橋梁設(shè)計(jì)和GFRP加固既有橋梁等工程提供幫助。

關(guān)鍵詞：GFRP;桁架式橋梁;連接;ANSYS

中圖分類號(hào)：U443 ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1006—7973（2019）06-0113-02

1前言

GFRP材料的優(yōu)勢(shì)在于軸向受力狀態(tài)良好，抗剪性能差，桁架式橋梁結(jié)構(gòu)能將橋梁的復(fù)雜受力狀態(tài)轉(zhuǎn)化成軸向受力狀態(tài)，因此桁架式橋梁充分發(fā)揮GFRP材料性能優(yōu)勢(shì)的結(jié)構(gòu)，在復(fù)合材料應(yīng)用中應(yīng)對(duì)桁架式橋梁結(jié)構(gòu)予以充分重視。

膠-栓混合連接是將膠接連接和螺栓連接組合在一起的一種連接方式。以雙面搭接為例，混合連接的方法是，在搭接板的搭接面上涂抹膠層（比如環(huán)氧樹脂），同時(shí)采用螺栓對(duì)搭接板進(jìn)行緊固?；旌线B接具有非常好的力學(xué)性能，充分發(fā)揮了膠接和螺栓連接這兩種連接方法的優(yōu)點(diǎn)，是今后復(fù)合材料連接的主流，具有非常好的應(yīng)用前景。

本文將采用ANSYS有限元模擬的方法，分析了螺栓個(gè)數(shù)和端距對(duì)GFRP橋梁結(jié)構(gòu)連接性能的影響。

2工程簡(jiǎn)介

為推廣復(fù)合材料橋梁的發(fā)展及復(fù)合材料在橋梁工程領(lǐng)域的應(yīng)用，我單位受業(yè)主委托，擬在重慶新建一座1x30m桁架式GFRP人行天橋。

GFRP結(jié)構(gòu)連接問(wèn)題是本橋的關(guān)鍵問(wèn)題，也是難點(diǎn)所在，連接的強(qiáng)度、剛度問(wèn)題直接決定桁架式GFRP橋梁的成敗。本文的研究?jī)?nèi)容是正是針對(duì)此情況，從細(xì)部出發(fā)研究構(gòu)件的連接問(wèn)題，對(duì)其影響因素進(jìn)行對(duì)比分析。

在單純的鋼板螺栓連接中，螺栓個(gè)數(shù)對(duì)螺栓連接強(qiáng)度的影響很大，同樣在膠接連接中，端距對(duì)連接性能的影響也非常明顯，但在鋼板和GFRP板的膠-栓混合連接中，由于膠層的作用和GFRP材料屬性的各項(xiàng)異性等特點(diǎn)，導(dǎo)致接頭處受力非常復(fù)雜，所以螺栓個(gè)數(shù)和端距對(duì)膠-栓混合連接強(qiáng)度的影響有待進(jìn)一步研究。本文分別給出兩種模型尺寸圖，如圖1～2所示，左端固定，右端施加水平拉力。模型尺寸設(shè)計(jì)參見(jiàn)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》。

3有限元模擬

3.1材料參數(shù)（如表1）

3.2有限元模型

本文采用ANSYS有限元分析軟件。建立“鋼板—膠層/螺栓—GFRP—膠層/螺栓—鋼板”模型，如圖1所示。螺栓與螺栓孔表面的接觸問(wèn)題采用接觸對(duì)定義其接觸。

4結(jié)果分析

4.1螺栓數(shù)量的影響（如表2）

連接強(qiáng)度方面：3個(gè)螺栓>2個(gè)螺栓>1個(gè)螺栓。螺栓數(shù)量的增加有利于提高膠-栓混合連接的強(qiáng)度，但提高的幅度不大。

連接剛度方面：在膠層未產(chǎn)生塑性區(qū)之前，螺栓數(shù)量對(duì)連接剛度幾乎沒(méi)有影響;當(dāng)膠層產(chǎn)生塑性區(qū)之后，螺栓數(shù)量越多連接剛度越高;螺栓數(shù)量與剛度不成正比關(guān)系，當(dāng)單排螺栓數(shù)量超過(guò)3個(gè)之后，螺栓數(shù)量對(duì)連接剛度的影響可忽略不計(jì)。

4.2端距的影響（如表3）

連接強(qiáng)度方面：端距對(duì)膠-栓混合連接的強(qiáng)度無(wú)明顯影響。連接剛度方面：在膠層產(chǎn)生塑性區(qū)之前，螺栓承擔(dān)的荷載可忽略不計(jì)，由于膠層的厚度和尺寸均未發(fā)生變化，所以此時(shí)端距對(duì)膠-栓混合連接的剛度沒(méi)有影響。當(dāng)膠層產(chǎn)生塑性區(qū)后，塑性區(qū)逐步擴(kuò)展到螺栓孔附近，螺栓承擔(dān)的荷載越來(lái)越大且起到限制變形的作用，對(duì)剛度的貢獻(xiàn)越來(lái)越顯著。端距越小，螺栓越早參與受力且承擔(dān)的荷載也越大，所以連接接頭的剛度也就越大。

延性方面：端距越大，延性越好。由強(qiáng)度分析和剛度分析可得此結(jié)論。

5結(jié)束語(yǔ)

（1）桁架式結(jié)構(gòu)是能充分發(fā)揮GFRP材料性能優(yōu)勢(shì)的結(jié)構(gòu)，因此在復(fù)合材料應(yīng)用中應(yīng)該桁架式結(jié)構(gòu)予以充分重視。

（2）連接問(wèn)題是桁架式GFRP橋梁的核心問(wèn)題，在此類橋梁的設(shè)計(jì)中，應(yīng)提高對(duì)構(gòu)件連接強(qiáng)度的重視程度。

（3）增加螺栓個(gè)數(shù)有助于提高橋梁構(gòu)件膠-栓混合連接強(qiáng)度，但提升效果較微，且單排螺栓數(shù)量不宜超過(guò)3個(gè)。

（4）在膠層未產(chǎn)生塑性區(qū)之前，螺栓數(shù)量對(duì)膠-栓混合連接剛度幾乎沒(méi)有影響;當(dāng)膠層產(chǎn)生塑性區(qū)之后，螺栓數(shù)量越多連接剛度越高;螺栓數(shù)量與剛度不成正比關(guān)系，當(dāng)單排螺栓數(shù)量超過(guò)3個(gè)之后，螺栓數(shù)量對(duì)連接剛度的影響可忽略不計(jì)。

（5）端距對(duì)橋梁構(gòu)件膠-栓混合連接強(qiáng)度無(wú)明顯影響，但對(duì)剛度的影響較顯著。

參考文獻(xiàn)：

[1] 李曙光.FRP構(gòu)件的連接及其設(shè)計(jì)方法研究[D]. 西安建筑科技大學(xué)，2012.

[2] 王興業(yè)，肖加余，江大志等.復(fù)合材料力學(xué)分析與設(shè)計(jì)[M].長(zhǎng)沙：國(guó)防科技大學(xué)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 .