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基于失效准则的人行桥梁的强度分析

发布于:2016-03-26 19:57
强度分析

      桥梁是决定交通通行能力和通行效率的关键枢纽,是国家重要的基础设施和关系到社会、经济协调发展的生命线工程,近年来经济发展对桥梁结构的架设速度,长期可靠性,抗超载和抗疲劳等性能提出了更高的要求。纤维增强聚合物基复合材料(Fiber Reinforced Polymer,FRP)以其优良的力学性能和物理化学性能,在桥梁工程中的应用量在不断扩大,对其进行的强度分析研究也越来越多。
      从上世纪70年代开始,FRP就开始在桥梁工程中尝试应用。英国,美国和以色列最先应用这种新型材料作为建筑和桥梁结构中的主要构件。70年代后期,我国也开始对FRP桥梁进行研究,当时大多采用的是GFRP。随着FRP在结构工程中被逐渐接受,FRP在桥梁结构中的应用迅速发展。纤维复合材料的密度仅为钢的1/4-1/5,比强度为普通钢的20-50倍,是高强度合金的2-4倍。其工程性能具有下列优点:(1)对特种载荷可以进行优化设计,(2)减少结构的静载荷,增加结构的额定载荷,(3)减少维护成本,增加工作寿命,(4)现场不需要重型安装设备,减少安装成本,(5)施工速度快,减少交通中断时间,(6)增加结构的耐久性和抗断裂性能。
      FRP的主要缺点体现在其高聚物基体在火灾环境下容易被点燃,同时由于树脂基体的玻璃化温度较低(一般小于200℃),高温会导致树脂基体软化,FRP的力学性能下降,从而影响FRP桥梁的安全稳定性能。此外与传统结构材料不同,FRP制品通常为各向异性,沿纤维方向的强度和弹性模量较高,而垂直纤维方向的强度和弹性模量很低。由于FRP的各向异性,在受力性能上还有许多不同于传统结构材料的现象,如拉伸翘曲现象,这些都会增加FRP结构的分析与设计难度,合理地将FRP应用于各类结构中已成为工程结构应用发展的重要方向。TSCB(Twin Shape Composed Beam)是一座由一组空间对称模块组成的CFRP(Carbon Fiber Rein-forced Polymer)三明治结构复合材料人行桥。TSCB项目是瑞士南方应用科技大学、广东工业大学、瑞士BLUE轻结构设计工作室、MIKI复合材料企业、AIR-LIGHT企业以及瑞士提切诺州政府合作项目,瑞士提切诺州将是第一座TSCB人行桥的使用客户。本研究是TSCB项目中前期有限元仿真工作的一部分,主要通过大型有限元分析AppANSYS对TSCB人行桥梁进行强度分析以及在极限行人载荷下的跨中竖向挠度分析,并使用失效准则判定碳纤维复合材料的各层失效情况。
      FRP桥梁一般分为FRP结构桥梁和FRP组合结构桥梁两种。FRP结构是主要结构构件完全采用FRP材料组成的结构,FRP组合结构是指FRP材料与传统的结构材料,主要是混凝土和钢材,通过合理的组合共同工作来承受载荷的结构形式。TSCB人行桥是一座全FRP结构的人行桥,桥梁由6个完全相同的基本空间单元模块组成,每个空间单元模块又由上下对称的两个部分组成,TSCB人行桥全长18m,宽4.21m,高2.408m,整桥质量为602kg。TSCB人行桥最突出的特点是创新的空间对称式模块化结构设计,使得TSCB人行桥相对传统的FRP桥梁具备更快的施工架设速度,桥梁可以完全以模块的形式在工厂里完成制造,整桥自重轻,结构稳定,承载能力强。


                                                                                  专业从事机械产品设计│有限元分析│强度分析│结构优化│技术服务与解决方案
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