GFRP桁架式橋梁結構連接性能分析

何琦 陳孜偉

摘 要：桁架式結構是能充分發揮GFRP材料性能優勢的結構，因此在復合材料應用中應給桁架式結構予以充分重視。與金屬材料相比，GFRP（玻璃纖維復合材料）能夠同時擁有質輕、比強度和比剛度高、耐腐蝕以及材料的可設計性等突出優點，被大量應用于橋梁工程領域。膠-栓混合連接是目前最有效的GFRP結構連接方式，但目前這方面的相關理論研究還不成熟，對影響其連接性能的因素及影響效果的認識還不明朗。本文采用有限元模擬的方法，分析了螺栓個數和端距對結構連接性能的影響，希望本文的分析結果能對GFRP橋梁設計和GFRP加固既有橋梁等工程提供幫助。

關鍵詞：GFRP;桁架式橋梁;連接;ANSYS

中圖分類號：U443 ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ?文章編號：1006—7973（2019）06-0113-02

1前言

GFRP材料的優勢在于軸向受力狀態良好，抗剪性能差，桁架式橋梁結構能將橋梁的復雜受力狀態轉化成軸向受力狀態，因此桁架式橋梁充分發揮GFRP材料性能優勢的結構，在復合材料應用中應對桁架式橋梁結構予以充分重視。

膠-栓混合連接是將膠接連接和螺栓連接組合在一起的一種連接方式。以雙面搭接為例，混合連接的方法是，在搭接板的搭接面上涂抹膠層（比如環氧樹脂），同時采用螺栓對搭接板進行緊固。混合連接具有非常好的力學性能，充分發揮了膠接和螺栓連接這兩種連接方法的優點，是今后復合材料連接的主流，具有非常好的應用前景。

本文將采用ANSYS有限元模擬的方法，分析了螺栓個數和端距對GFRP橋梁結構連接性能的影響。

2工程簡介

為推廣復合材料橋梁的發展及復合材料在橋梁工程領域的應用，我單位受業主委托，擬在重慶新建一座1x30m桁架式GFRP人行天橋。

GFRP結構連接問題是本橋的關鍵問題，也是難點所在，連接的強度、剛度問題直接決定桁架式GFRP橋梁的成敗。本文的研究內容是正是針對此情況，從細部出發研究構件的連接問題，對其影響因素進行對比分析。

在單純的鋼板螺栓連接中，螺栓個數對螺栓連接強度的影響很大，同樣在膠接連接中，端距對連接性能的影響也非常明顯，但在鋼板和GFRP板的膠-栓混合連接中，由于膠層的作用和GFRP材料屬性的各項異性等特點，導致接頭處受力非常復雜，所以螺栓個數和端距對膠-栓混合連接強度的影響有待進一步研究。本文分別給出兩種模型尺寸圖，如圖1～2所示，左端固定，右端施加水平拉力。模型尺寸設計參見《鋼結構設計規范》。

3有限元模擬

3.1材料參數（如表1）

3.2有限元模型

本文采用ANSYS有限元分析軟件。建立“鋼板—膠層/螺栓—GFRP—膠層/螺栓—鋼板”模型，如圖1所示。螺栓與螺栓孔表面的接觸問題采用接觸對定義其接觸。

4結果分析

4.1螺栓數量的影響（如表2）

連接強度方面：3個螺栓>2個螺栓>1個螺栓。螺栓數量的增加有利于提高膠-栓混合連接的強度，但提高的幅度不大。

連接剛度方面：在膠層未產生塑性區之前，螺栓數量對連接剛度幾乎沒有影響;當膠層產生塑性區之后，螺栓數量越多連接剛度越高;螺栓數量與剛度不成正比關系，當單排螺栓數量超過3個之后，螺栓數量對連接剛度的影響可忽略不計。

4.2端距的影響（如表3）

連接強度方面：端距對膠-栓混合連接的強度無明顯影響。連接剛度方面：在膠層產生塑性區之前，螺栓承擔的荷載可忽略不計，由于膠層的厚度和尺寸均未發生變化，所以此時端距對膠-栓混合連接的剛度沒有影響。當膠層產生塑性區后，塑性區逐步擴展到螺栓孔附近，螺栓承擔的荷載越來越大且起到限制變形的作用，對剛度的貢獻越來越顯著。端距越小，螺栓越早參與受力且承擔的荷載也越大，所以連接接頭的剛度也就越大。

延性方面：端距越大，延性越好。由強度分析和剛度分析可得此結論。

5結束語

（1）桁架式結構是能充分發揮GFRP材料性能優勢的結構，因此在復合材料應用中應該桁架式結構予以充分重視。

（2）連接問題是桁架式GFRP橋梁的核心問題，在此類橋梁的設計中，應提高對構件連接強度的重視程度。

（3）增加螺栓個數有助于提高橋梁構件膠-栓混合連接強度，但提升效果較微，且單排螺栓數量不宜超過3個。

（4）在膠層未產生塑性區之前，螺栓數量對膠-栓混合連接剛度幾乎沒有影響;當膠層產生塑性區之后，螺栓數量越多連接剛度越高;螺栓數量與剛度不成正比關系，當單排螺栓數量超過3個之后，螺栓數量對連接剛度的影響可忽略不計。

（5）端距對橋梁構件膠-栓混合連接強度無明顯影響，但對剛度的影響較顯著。

參考文獻：

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