格构增强复合材料框架结构受力机理及设计方法研究

Lattice-reinforced composite structure is proposed aiming at the problems, including low bearing capacity of existing pultruded composites and easy to peel between interface of composite sandwich structure. It is made up by composite materials face sheets and lattice webs and light wood core, manufactured by industrialization process. Composite beams, slabs and beams made through the process have wide application prospects in military filed, chemical sector and ocean engineering, such as reefs prefabricated buildings and platform supports of port and marine, because of insignificant advantages such as high resistance, high ductility, high weatherability, high electromagnetic shielding and quick assembly..In this project, the study on the key problems of frame structure through three levels of the components, joints and structural system is planned. The main contents include three parts as follows: (1)Investigate the enhancement mechanism of mutual constraints between core, web and FRP skin, reveal bearing mechanism of lattice-reinforced composite components and realize controllable design of the component based on bearing capacity, stiffness and ductility; (2)Research the reasonable joints connecting, study regional joint load distribution mechanism and transfer mechanism, establish capacity calculation formula of joint; (3)Explore bearing performance of frame structure under vertical and lateral load, establish the unified design procedure of low and multilayer composite frame structure and develop technology integration and application of demonstration projects.

针对现有复合材料拉挤型材承载能力低及复合材料夹芯结构界面易剥离的难题，提出了格构增强复合材料结构，以我国面广量大的低成本速生轻木为芯材，以复合材料为面层及格构腹板，通过工业化成型工艺制备系列复合材料梁、板、柱构件，具有高抗力、高延性、高耐候、电磁屏蔽以及装配便捷的显著优点，可应用于军事、化工、海洋等领域，如岛礁装配式房屋、海洋及港口平台支架等结构。.本课题以框架结构体系为研究对象，从构件、节点和结构体系三个层次深入研究其关键科学问题，主要包括：1）研究芯材、腹板及面层相互约束格构增强机制，揭示格构增强复合材料构件的受力机理，实现该构件基于承载力、刚度及延性需求的可控设计；2）研究合理的节点连接构造形式，探明节点区域荷载分配机制及传力机理，建立节点承载力计算公式；3）研究框架结构在竖向和水平荷载作用下的承载性能，建立系统的低、多层复合材料框架结构体系设计理论，开展关键技术集成与示范工程应用。

本项目自2016年1月启动以来，已按计划正常开展了各项试验研究和理论分析工作，并取得以下成果：.（1）提出了格构增强复合材料结构，以我国面广量大的低成本速生轻木为芯材，以复合材料为面层及格构腹板，基于工业化成型工艺制备系列梁、板、柱构件；通过静力试验及数值模拟，揭示了格构增强复合材料基本构件的受力机理和破坏模式，建立了构件受弯、剪、压承载力以及界面剥离与位移变形公式，理论分析了格构增强轻木夹芯复合材料结构的疲劳机理及寿命预测。.（2）研究了节点连接构造与传力机理，通过植筋拉拔试验及植筋粘结锚固分析微元分析模型，揭示了植筋节点的受力机理与破坏模式，建立了节点抗弯承载力计算公式；综合考虑纤维及其铺层、轻木芯材、格构布置与节点构造等因素的新型复合材料框架结构体系的一体化设计理论，并在开展研究的过程中，发明一批适用于该新型复合材料结构的创新型实用技术，形成自主知识产权。.（3）基于试验及计算理论，分析不同参数对格构增强复合材料基本构件破坏模式的影响，建立了基于图解法和目标函数控制的复合材料结构优化设计方法；完成了复合材料结构在复杂服役环境下的精细化数值仿真模拟；研制了格构增强复合材料道面及桥面板、窨井系统的床板与底板等系列化产品，并实现了杨泗港大桥复合材料人行道板等重要工程应用。.本项目取得的成果包括：发表期刊学术论文40篇，其中SCI论文21篇、EI论文3篇；共申请国家发明专利10项，获国家发明专利授权2项，实用新型专利授权5项,专著1部；发明的系列产品已成功应用于空军野战阵地、中石油抢修通道、上海洋山港桥面板以及杨泗港大桥桥面板等7项工程。项目成果实现了专利转让，有力地促进了复合材料和新材料结构学科的发展，满足了工程建设高性能、多功能需求，经济、社会效益十分显著。2016年度教育部科技进步二等奖、2019年度中国公路学会科技进步一等奖，2018年度中国创新挑战赛长三角融合奖等奖励5项。