不同鋪層角度下CFRP薄壁箱梁幾何非線性特性試驗分析

趙玉如,皇 民，馮榮貞

(河南工程學(xué)院 土木工程學(xué)院，河南 鄭州 451191)

不同鋪層角度下CFRP薄壁箱梁幾何非線性特性試驗分析

趙玉如,皇 民，馮榮貞

(河南工程學(xué)院 土木工程學(xué)院，河南 鄭州 451191)

工程結(jié)構(gòu)受到各種外界因素的影響,常出現(xiàn)幾何非線性效應(yīng).在這種情況下,傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)內(nèi)力及撓度計算常被簡化成線性，導(dǎo)致計算結(jié)果偏差較大，影響結(jié)構(gòu)安全.復(fù)合材料纖維的走向在很大程度上影響結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能，通過試驗的方法研究了不同纖維鋪層角度時，碳纖維復(fù)合材料CFRP薄壁箱梁在幾何非線性效應(yīng)下的力-位移曲線的變化規(guī)律.結(jié)果表明,當寬跨比一定時，90°鋪層的箱梁撓度最大，0°鋪層對應(yīng)最小，而且90°鋪層的箱梁力-位移變化幅度顯著，幾何非線性特征明顯.

CFRP薄壁箱梁；幾何非線性；纖維鋪層角度

碳纖維復(fù)合材料CFRP具有強度高、自重小、耐久性強、安全性高、便于施工等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用在橋梁結(jié)構(gòu)中[1]，采用CFRP薄壁箱梁逐漸成為新型橋梁的發(fā)展趨勢.傳統(tǒng)的內(nèi)力及撓度計算常將結(jié)構(gòu)受力簡化為線性，但實際上基本都是非線性的.本研究在相關(guān)試驗的基礎(chǔ)上，對CFRP薄壁箱梁幾何非線性效應(yīng)下的相關(guān)特性進行分析，以供結(jié)構(gòu)設(shè)計和施工參考.

對于多層復(fù)合材料制作的薄壁箱梁來說，復(fù)合材料纖維的鋪設(shè)角度對結(jié)構(gòu)構(gòu)件的幾何非線性特征有很大影響. 王利霞等[2]做了CFRP薄壁箱梁抗彎性能試驗，研究線性狀態(tài)下箱梁力-位移曲線的變化趨勢，表明只在豎向力作用下(結(jié)構(gòu)線性)力-位移曲線是一條斜直線，此試驗只考慮了簡單荷載作用下箱梁小變形、小撓度的力學(xué)響應(yīng).但在實際工程中，結(jié)構(gòu)構(gòu)件常處于大變形、大撓度下，即呈幾何非線性狀態(tài).楊東濤等[3-4]利用理論和有限元分析的方法研究了鋪層角度對CFRP薄壁懸臂梁、簡支梁、連續(xù)梁的扭轉(zhuǎn)角、撓度、截面應(yīng)力的影響規(guī)律.基于前人的基礎(chǔ)，筆者在試驗中研究薄壁箱梁在不同鋪層角度時幾何非線性效應(yīng)的力-位移變化規(guī)律.

1 復(fù)合材料層合板

圖1 層合板鋪層角度示意圖Fig.1 Schematic diagram of the plywood

2 不同鋪層CFRP薄壁箱梁的非線性特性試驗

2.1方案設(shè)計和試件制備

利用上述不同鋪層的層合板制作3種薄壁箱梁(0°，45°，90°)，箱梁截面尺寸同為36 mm×16 mm，跨度為450 mm，600 mm，800 mm，共9個模型，如圖2和圖3所示.

2.2試驗試件的加載

試驗加載裝置如圖4所示.箱梁跨中位置作用的豎向力p采用杠桿加載裝置進行加載，梁兩端截面位置作用的軸向力n,是利用滑輪將砝碼豎向力轉(zhuǎn)換而成的，加載過程中采用應(yīng)變儀測定每一分級加載工況下跨中底板對應(yīng)的應(yīng)變值，用3個百分表分別測試每一工況下梁支座和跨中的位移(這里梁支座處設(shè)百分表是為了消除支座沉降的影響)．

分別對梁長為450 mm，600 mm，800 mm，鋪層角度為0°，45°，90°的梁進行加載試驗.首先，對每個鋪層的梁分別固定豎向力p=306n，然后對每種豎向力作用下的梁做軸向力n的分級載入：0n，10n，20n，30n，…，150n， 160n，165n，185n，207.1n，212.1n，對所有的梁進行加載.

圖2 U型槽模型Fig.2 U-slot model

圖3 應(yīng)變片粘貼位置Fig.3 Strain plate affixed position

圖4 箱梁加載裝置Fig.4 Loading device of box girder

2.3試驗數(shù)據(jù)的處理分析

圖5給出了不同跨度下的梁在鋪層角度不同時跨中撓度隨荷載的變化曲線.

圖5 不同跨度的梁在鋪層角度不同時跨中撓度隨荷載的變化曲線Fig.5 Curve of mid-span deflection with load in different span beams

由圖5可知，3種跨度的箱梁均表現(xiàn)出了幾何非線性特征，跨度一定時，不同鋪層的箱梁跨中撓度隨荷載呈曲線變化，表現(xiàn)出明顯的幾何非線性特征：0°鋪層時力-位移曲線斜率變化緩慢，幾何非線性特征表現(xiàn)弱，45°次之，90°時的撓度曲線變化幅度相對大，幾何非線性最明顯，這與文獻[3]的結(jié)論一致.另外，由圖5中的3個圖對比可知，當鋪層角度一定時，跨度越大，幾何非線性特征表現(xiàn)得越明顯.

上述結(jié)果表明，在工程中運用CFRP薄壁箱梁時，纖維的鋪層角度對結(jié)構(gòu)的受力特性有很大影響，要根據(jù)需要選擇合適的黏結(jié)方式.

3 結(jié)語

CFRP薄壁箱梁在豎向力-軸向力共同作用下表現(xiàn)出明顯的幾何非線性特性，此時薄壁箱梁的力-位移關(guān)系不再呈直線變化，復(fù)合材料纖維的鋪層角度對撓度有很大影響，0°時影響最小，45°次之，90°時影響最大，影響程度隨角度的增加遞增.在以后的設(shè)計和施工過程中，要綜合考慮結(jié)構(gòu)受力、施工難度與擬建橋梁的跨度，選擇合適的復(fù)合材料纖維鋪層角度.

[1] 曾憲桃，車惠民．復(fù)合材料在橋梁工程中的應(yīng)用及前景[J]．橋梁建設(shè)，2002(2)：66-70.

[2] 王利霞,吳亞平,施琪,等.碳纖維箱形梁的剪力滯效應(yīng)試驗研究 [J].蘭州交通大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2009,28(4):1-3.

[3] 楊東濤，吳亞平，蘇強.復(fù)合材料箱梁非線性分析的本構(gòu)方程研究[J].蘭州交通大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2005,24(6):17-19.

[4] 李維東.復(fù)合材料連續(xù)箱梁及懸臂箱梁的剪力滯效應(yīng)試驗研究[D].蘭州：蘭州交通大學(xué)，2012.

[5] 中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局，中國國家標準化管理委員會.定向纖維增強聚合物基復(fù)合材料拉伸性能試驗方法：GB/T 3354—2014[S].北京：中國標準出版社，2014.

[6] 中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局，中國國家標準化管理委員會.纖維增強塑料性能試驗方法(總則)：GB/T 1446—2005[S].北京：中國標準出版社，2005.

Thegeometricnon-linearityexperimentalanalysisofCFRPthin-walledboxgirderswithdifferentfiberlayingangles

ZHAOYuru,HUANGMin,FENGRongzhen

(CollegeofCivilEngineering,HenanUniversityofEngineering,Zhengzhou451191,China)

The geometrical non-linear effect often occurs in the engineering structure affected by various external factors. In the traditional theory，structural calculation get on under linear condition，the results will have greater error，which will affect the structural safety. The mechanical properties of structure will be effected when the fibers have different angle. According to experimental method and changing the different laying angle of fibers ,this paper gave force-displacement curve variety of CFRP thin-walled box girder in the geometrical non-linear effect .The results show that when the span ratio is constant, the deflection of the box with 90° is the largest, and the 0°is the smallest, and the force-displacement variation of the box with 90° is significant, and the geometrical nonlinearity is obvious.

CFRP thin-walled box girder; geometrical non-linear effect; fiber layer angle

TU33

A

1674-330X(2017)03-0037-02

2017-01-06

趙玉如(1986-)，女，河南開封人，助教，碩士，主要從事橋梁新材料的研究.