论文总字数：34561字

摘 要

FRP桁架桥是用纤维增强复合材料制成的构件代替传统钢构件而形成的一种新型桥梁。FRP材料轻质、高强、抗疲劳性和耐久性好，在桥梁工程领域的应用前景十分广阔。近年来， FRP材料越来越受到各国桥梁建设者的重视，各种类型的FRP桥梁也逐渐增多。在梁式桥、斜拉桥、悬索桥、桁架桥等各种结构形式中，桁架桥是当前研究和建设最热门的桥梁形式。目前在国内，FRP 在桥梁工程领域中的应用刚刚起步，FRP材料在桥梁工程中的应用尚不成熟。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。本文将以该桥为工程背景，通过有限元软件ANSYS建模，对FRP桁架桥进行力学性能分析，以得到FRP桁架桥的静力和动力特性。

本文主要的分析工作在以下几个方面：

1.复合材料的力学分析基础

探究各向异性体的弹性力学基础和复合材料的细观、宏观力学基础等，为GFRP桁架桥的静力分析和动力分析打下基础；

2.GFRP桁架桥的静力分析

利用ANSYS建立FRP桁架桥的有限元模型，在设定单元类型、材料参数、界面特性、边界条件和荷载类型后，对FRP桁架桥进行强度分析和刚度分析，以探究其强度和刚度是否满足规范要求。

3.GFRP桁架桥的动力分析

对GFRP桁架桥进行模态分析和屈曲分析，计算出 GFRP桁架桥的 前4阶自振频率和屈曲极限荷载。

4.不同材料相同结构的桁架桥的对比分析

采用与GFRP桁架桥相同结构的CFRP桥和Q345钢桥，分析这三种桥在强度和刚度表现上的差异，得出GFRP桁架桥的优势与劣势。

关键词：GFRP、有限元、桁架桥、CFRP、钢桥；

Abstract

The FRP truss bridge is a new type of bridge formed by replacing the traditional steel with fiber reinforced composite materials. FRP material is lightweight, high strength, fatigue resistance and durability, and has a broad application prospect in the field of bridge engineering. In recent years, FRP materials have received more and more attention from bridge builders in various countries, and various types of FRP bridges have gradually increased. Among various structural forms such as beam bridges, cable-stayed bridges, suspension bridges, and truss bridges, truss bridges are the most popular form of bridges for current research and construction.In China, the application of FRP in the field of bridge engineering has just started, and the application of FRP materials in bridge engineering is still not mature. 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. In this paper, the bridge is used as the engineering background, and the mechanical properties of the FRP truss bridge are analyzed by the finite element software ANSYS to obtain the static and dynamic characteristics of the FRP truss bridge.

The main analysis work of this paper is as follows:

1.The basis of mechanical analysis of composite materials

Exploring the elastic mechanics of anisotropic bodies and the meso and macroscopic mechanical foundations of composite materials, laying the foundation for the static analysis and dynamic analysis of GFRP truss bridges;

2.Static analysis of FRP truss bridge

The finite element model of FRP truss bridge is established by ANSYS. After setting the unit type, material parameters, interface characteristics, boundary conditions and load type, the strength analysis and stiffness analysis of FRP truss bridge are carried out to explore whether the strength and stiffness meet the specifications.

3.Dynamic analysis of FRP Truss Bridge

The modal analysis and buckling analysis of the GFRP truss bridge are carried out to calculate the first 4 orders of natural vibration frequency and buckling limit load of the GFRP truss bridge.

4.Comparative analysis of truss bridges with the same structure and different materials

Using the CFRP bridge and Q345 steel bridge with the same structure as the GFRP truss bridge, the differences in strength and stiffness of the three bridges are analyzed, and the advantages and disadvantages of the GFRP truss bridge are obtained.

Key words: GFRP; truss bridge; the finite element analysis; CFRP; steel bridge;

目 录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 课题背景和研究目的 1

1.1.1 研究背景 1

1.1.2 研究目的 1

1.2 FRP材料国内外研究现状 1

1.2.1 国外研究现状 2

1.2.2 国内研究现状 4

1.3本文内容 6

第二章 FRP材料简介及其力学分析基础 7

2.1 FRP 材料简介 7

2.1.1 FRP材料的组成 7

2.1.2 FRP材料的制备 11

2.1.3 FRP材料的特点 13

2.2 FRP材料的力学分析基础 14

2.2.1 复合材料的力学分析方法 16

2.2.2 单层板的细观力学分析 16

2.2.3 层合板的宏观力学分析 17

第三章 GFRP桁架桥的有限元分析 20

3.1 概述 20

3.1.1 工程背景 20

3.1.2 材料参数 21

3.2 有限元模型建立 21

3.3 结构动力特性分析 22

3.3.1 模态分析 22

3.3.2 强度分析 24

3.3.3 刚度分析 28

3.3.4 屈曲分析 30

第四章 FRP桁架桥结构动力特性对比分析 32

4.1 引言 32

4.2 GFRP桁架桥与CFRP桁架桥对比分析 32

4.2.1 CFRP材料简介 32

4.2.2 CFRP材料参数 32

4.2.3 CFRP桁架桥强度分析 33

4.2.4 CFRP桁架桥刚度分析 37

4.3 GFRP桁架桥与钢桁架桥对比分析 39

4.3.1 钢桁架桥概述 39

4.3.2 钢材料参数 39

4.3.3 钢桁架桥强度分析 39

4.3.4 钢桁架桥刚度分析 43

4.4 本章小结 45

第五章 总结 47

参考文献 48

致 谢 48

第一章 绪论

1.1 课题背景和研究目的

1.1.1 研究背景

近年来，我国基础工程建设发展迅速，道路与桥梁事业正在日新月异地发展。但是，以钢和混凝土为主要建设材料的桥梁，在使用中无法避免地会遇到诸如开裂、锈蚀等影响桥梁外观甚至使用寿命的问题^[1]，在现阶段也没有行之有效的方法解决这些问题，产生了不容小觑的安全隐患和经济损失。因此，探索采用新的有效和可靠的建筑材料来代替传统材料，发展和建设具有长期耐久性、抗腐蚀性、能实现低维修且快速施工的桥梁结构已迫在眉睫。近年来，新型复合材料的研发、应用和普及，为桥梁工程领域带来了新的选择。

复合材料是现代科学的新近产物，具有巨大的生命力和极其广阔的发展前景。复合材料根据基体和增强材料的不同分为很多种，本文的GFRP材料属于纤维增强复合材料。纤维增强复合材料（Fiber Reinforced Polymer/Plastic，简称FRP）由纤维和基体两种材料以一定的比例混合后通过一定的技术工艺制成的高性能型材料^[2~3]。根据采用的纤维不同可以分为玻璃纤维增强塑料（GFRP，又叫玻璃钢），碳纤维增强塑料（CFRP），玄武岩纤维增强塑料（BFRP）等。FRP材料相比于其他材料，表现出很高的耐腐蚀性、比强度，但是也存在剪切强度低等问题^[3]。因此，将FRP材料运用到桥梁结构中，可以充分利用其材料特性和力学性能。国外对FRP复合材料在土木工程领域中的运用已经较为成熟，我国FRP材料研究起步较晚，并且主要是关于FRP加固技术方面的研究，对于FRP作为桥梁主体结构甚至全FRP桥梁的研究相对较少，相关技术规范更是十分缺乏。所以，关于FRP桥梁方面的研究分析是十分必要的。

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