FRP型材-高耐久连接一体化设计及长期荷载下损伤机理和性能研究

Focusing on the low utilization efficiency of FRP profile due to low connection efficiency of the joints, and the durability deficiency of the conventional metal bolt connection, the integrated design of high efficiency of both of connection and FRP profile is conducted to realize lightweight and durability of FRP truss structure. First, the layout angle and the proportion of the fibers in the FRP will be studied to establish the integrated design method of FRP profile. Afterwards, the connection parameters of the joints with same source material FRP bolt will be studied to reveal the load condition and failure progress of the connection and profile. Finally, the fatigue and creep behavior and the degradation of the connection under long-term cyclic and sustained loads will be studied to build the constitutive relationship of the joint performance with respect to the load duration and cycles. The characteristics of this proposal lies in the integrated analysis of FRP profile and the connection in order to enhance utilization efficiency, while in revealing the connection mechanism and long-term behavior evolution induced by the adoption of durable FRP bolt.

针对FRP型材桁架结构中节点连接效率低而导致的FRP强度利用率低以及传统金属螺栓连接存在的耐久性隐患，研究面向高效连接-高FRP利用率的一体化设计方法和高耐久同源FRP连接形式及其长期性能，为实现FRP桁架结构轻量化和耐久性提升提供基础方法。研究拟从FRP型材出发，通过对型材内纤维布设角度、比例等关键参数研究，建立一体化FRP型材高效利用设计方法。在此基础上，研究与型材同源的FRP螺栓连接优化参数，揭示FRP螺栓节点和FRP型材的受力形态和破坏规律。在优化连接基础上，进一步研究连接节点在循环荷载和长期持荷作用下的疲劳/蠕变损伤发展规律和长期性能退化参数，建立节点性能和荷载作用时间/次数的本构关系，为桁架结构设计提供依据。本项目特色在于采用一体化设计理念对FRP型材连接和母材综合分析，提升材料利用效率；同时，揭示采用FRP螺栓在提高连接耐久性后所带来的连接机理和长期荷载下性能演化规律。

针对FRP型材桁架结构中节点连接效率低而导致的FRP强度利用率低以及传统金属螺栓连接存在的耐久性隐患，研究面向高效连接-高FRP利用率的一体化设计方法和高耐久同源FRP连接形式及其长期性能，为实现FRP桁架结构轻量化和耐久性提升提供基础方法。首先基于构件-（螺栓）节点的一体化设计：在不过多地降低构件刚度的前提下，以获得螺栓节点延性破坏为目标，优化出BFRP型材的最佳铺层设计。以玄武岩纤维复合材料（BFRP）为研究对象通过改变BFRP型材铺层角度及比例，改善螺栓节点的破坏模式，优化出BFRP型材的最佳铺层设计，根据节点一体化设计结果，确定桁架结构用拉挤型材纤维布设比例：0°纤维占比为70%-80%，多轴向铺层-45°,+45°以及 90°按照等比例设计。采用试验手段全面系统地研究了该铺层设计下螺栓节点、胶结节点以及胶栓混接节点的静力及长期性能（蠕变及疲劳），提升了 FRP螺栓节点、胶结节点的极限荷载以及实现了胶栓混接节点中螺栓与胶层的线性叠加，极大地提升了节点的连接效率，有效地改善了节点的延性 建立了三种节点连接方式在疲劳荷载作用下的F-N模型并揭示了节点的性能退化规律，为FRP桁架结构节点设计提供了依据。在多轴向铺层型材板连接性能研究基础上，针对桁架结构中典型方管构件节点连接性能进行试验研究。以玄武岩纤维复合材料（BFRP）为研究对象，通过改变BFRP方管铺层，以单轴向铺层设计的BFRP方管为对照组，对多轴向铺层、相邻面不同铺层以及混杂碳纤维铺层设计的BFRP方管的力学性能及连接性能展开研究。多轴向铺层方管、相邻面不同铺层方管和混碳方管的节点在满足连接几何参数条件下表现出具有一定延性的挤压破坏，且承载力提升显著，这对提升BFRP方管节点连接性能具有重要意义。多轴向铺层方管、混碳方管组成的三角桁架结构极限承载力较单轴向铺层方管分别提升60.4%和57.8%，且能发挥良好延性特征，适合应用于实际结构中。