弯曲拉挤复合型材梁受力性能研究

Fiber-reinforced polymer (FRP) composite materials have seen numerous practical applications and theoretical developments all around the world. Pultruded FRP composite profiles, having advantages of high strength-to-weight ratio and superior corrosion resistance, are to have a greater impact on the design and construction of the civil infrastructures in the future in China. On the basis of the recently-developed curved pultrusion process, this work is to investigate the structural performance of curved pultruded FRP sections subject to flexure. Experimental test, finite element analysis, and analytical program are to be conducted to study the strength and stability failure modes and mechanisms of curved FRP beams, and then, design methods are to be proposed accordingly. In addition, this work is to evaluate the impacts of the varying cambers, sectional geometries and end conditions on the loading-carrying capacity of curved FRP beams, and correspondingly, an structural optimization approach is to be developed. In order to improve the structural performance of the pultruded FRP beams, a new FRP beam-string is to be proposed and validated through experimental and analytical programs. This work is aimed to address the fundamental theories and practical issues in using of FRP profiles, providing an essential support to the widespread applications of FRP structures in China.

纤维增强复合材料（简称复材）已在国内外土木工程建设中展现出了强大的应用潜力和竞争力。其中，由拉挤复材型材建造的复材结构，以其高强、质轻、耐腐等特点，将在我国未来的土木工程建设中发挥巨大的作用。本项目拟针对近年最新的弯曲拉挤工艺，系统研究弯曲拉挤复材梁在受弯状态下的力学性能。本项目将通过试验研究、有限元模拟，及理论分析三种方法相结合的方式探究弯曲拉挤复材梁强度和稳定性破坏模式和破坏机理，建立弯曲复材梁强度计算和设计方法；同时，以工程实际应用为出发点，本项目将研究预拱度、截面几何尺寸，及不同端部约束对弯曲复材梁受力性能的影响，建立复材梁构件优化设计方法；最后，本项目将提出一种采用张弦形式的复材梁构件——预应力张弦复材梁，以进一步增强复材梁的抗弯承载力。通过本项目的研究，力图解决复材梁在工程应用中的基本理论和关键技术问题，为我国复材结构的应用提供科技支撑。

本项目系统研究了复合材料弯曲拉挤型材梁的力学性能，提出了一种新型复合材料张弦梁结构体系。本项目首先研究了“大截面小曲率”复合材料弯曲拉挤型材梁，摸清了大尺度弯曲拉挤型材梁的力学性能，包括强度、刚度、稳定性和破坏模式。本项目通过对腹板加厚，降低了腹板的长细比，从而提高了腹板的稳定性。通过理论分析和数值模拟研究，证明了传统平直梁设计方法的有效性。本课题成果已成功应用于一座20m跨的人行廊桥，成功示范了复合材料弯曲拉挤型材的前景。..第二，本项目研发了“小截面大曲率”弯曲拉挤型材梁，并通过与钢绞线的组合形成了一种新型张弦梁结构体系，相较于简支的弯曲拉挤拱梁，张弦梁的抗弯强度和刚度最高提升了27%和109%。有限元模拟研究揭示了复合材料的渐进式破坏模式对构件非线性行为的影响，并研究了型材梁与钢绞线之间的传力损失。针对“贯穿式”腹板压屈破坏模式，对既有模型进行了修正，预测精度得到了提高。..第三，基于张弦梁结构体系通过手工的方法制备了超轻碳纤维张弦梁结构，结构效率达到了56N/g。本项目还深入探究了拉索的刚度和预应力对张弦梁结构弯曲性能的影响，较强的拉索对张弦梁的弯曲刚度具有较大的增强作用，而合理的预应力会提升张弦梁的弯曲强度。..最后，研究了拉挤型材梁构件的受弯稳定性问题，针对开口截面拉挤型材提出使用腹板加劲肋来增强翼缘板局部屈曲强度，针对闭口截面拉挤型材提出使用拉缠工艺来提升材料的横向力学性能和局部稳定性。使用腹板加劲肋，发现工字形拉挤型材梁的局部屈曲强度最高提升了207%。拉缠型材具有多向纤维分布，可有效降低材料的正交各向异性，从而提高拉挤型材的局部屈曲强度，拉缠纤维的缠绕角度推荐84°，而拉缠纤维含量不宜过高，推荐12~25%。