论文总字数：34091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GFRP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

探究计算弹性常数的各种细观力学模型，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，计算强度安全系数，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．与CFRP桁架桥和BFRP桁架桥的对比

将GFRP桁架桥的全桥材料替换成CFRP和BFRP，分析其力学性能，并与原GFRP桁架桥进行对比。

关键词：桁架桥；GFRP；有限元分析；CFRP；BFRP；

Abstract

Fiber Reinforced Composites, which is also called the Fiber Reinforced Plastics, is a new type of material. Compared with the traditional metal materials including steel and alloy, the composite material can attain lightness, high strength, high stiffness at the same time. GFRP is used as the building material of truss bridge structure. We can use GFRP material to reduce the weight of the bridge structure and improve the degree of industrialization, 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 analyze the system structure of pultrusion profiles mechanical performance. We can also use this to analyze 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

The research includes the micro mechanical models to calculating elastic constants. It can be the basis of 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, calculating the first, second and third natural frequency of vibration of GFRP truss bridge.

4. Comparision with CFRP truss bridge and BFRP truss bridge

By changing the material of GFRP truss bridge with CFRP and BFRP, we can analyze the mechanic performance and compare the CFRP truss bridge and BFRP truss bridge with the original GFRP truss bridge.

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

目 录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 研究背景 1

1.2 研究目的 1

1.3 本文内容 2

第二章 FRP材料性能及其在土木工程中的应用 4

2.1 引言 4

2.2 FRP材料的组成与制备 4

2.2.1 FRP材料 4

2.2.2 纤维材料 4

2.2.3 树脂基体 7

2.2.4 纤维增强树脂基复合材料 8

2.2.5 FRP材料的制备工艺 10

2.3 FRP材料的特点 12

2.3.1 FRP材料的优点 12

2.3.2 FRP材料的缺点 13

2.4 FRP力学分析基础 14

2.4.1 层合板模型 14

2.4.2 各向异性弹性体 15

2.4.3 复合材料细观力学模型 16

2.5 FRP在结构工程中的应用 20

2.5.1 FRP 材料应用概述 20

2.5.2 国外的FRP桥梁案例 20

2.5.3 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 30

3.3力学性能分析 32

3.3.1 模态分析 32

3.3.2 应力分析 34

3.3.3 挠度分析 39

3.3.4 屈曲分析 41

第四章 FRP桁架桥力学性能对比分析 42

4.1 引言 42

4.2 GFRP桁架桥与CFRP桁架桥的力学性能对比 42

4.2.1 CFRP桁架桥概述 42

4.2.2 CFRP材料 42

4.2.3 CFRP材料的材料属性 43

4.2.4 CFRP桁架桥应力分析 44

4.2.5 挠度分析 48

4.3 GFRP桁架桥与BFRP桁架桥的力学性能对比 50

4.3.1 BFRP桁架桥概述 50

4.3.2 BFRP材料 50

4.3.3 BFRP材料的材料属性 50

4.2.4 BFRP桁架桥应力分析 51

4.2.5 挠度分析 55

第五章 结论 58

参考文献 59

致谢 62

第一章 绪论

1.1 研究背景

目前，桥梁工程正在日新月异地发展着。然而不论在钢结构桥梁或是钢筋混凝土桥梁中，钢材锈蚀的问题普遍存在^[1][2]，且无法得到彻底的解决，带来了不少安全隐患以及经济损失。尤其是在北方寒冷地区，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]，并且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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