复合材料桥梁开题报告

1、南京理工大学硕士研究生学位论文开题报告姓 名： 胡成钲 学 号： 112111245 学 科： 土木工程 所在院系： 理 学 院 指导教师： 范 进、陈彦北 2013年 09月 21 日填一、拟选学位论文的题目名称FRP复合材料人行桥桥面板的延性研究二、选题的科学意义和应用前景FRP材料以良好的力学性能，近十几年在工程结构领域，在国内外得到了的应用，并受到了工程界的广泛关注。较之钢筋混凝土，FRP材料有一下优点：（1）质轻高强。100t的钢筋混凝土桥梁，采用钢铁桥需要40t，然而采用FRP材料只需5到10t。玻璃纤维增强复合材料的比强度大概是在1.5左右，相比较而言钢材的比强度只有0.05。（

2、2）强耐腐蚀性。根据国内外的实验和研究，轻质高强并具有良好耐腐蚀性的纤维增强复合材料FRP对钢筋腐蚀引起的耐久性问题提供了一个良好的解决途径1。（3）建设周期短。施工时间仅为常规桥架设时间的1/10左右。美国New York州某车行桥的改造，采用FRP桥板替换技术，仅用2天，而常规方法则预计需要20天左右。（4）抗震性能好。采用FRP材料可有效减小截面尺寸，并减低结构的惯性力，因而对抗震有利。（5）实现更大跨度。跨海，跨江等远距离，大规模的桥梁受到工程界的广泛青睐。但现有的桥梁最大跨度只能实现8000m，但是采用FRP桥梁可突破万米以上2。（6）电绝缘性能好。FRP是优良的绝缘材料，用来制造绝

3、缘体。高频下仍能保护良好介电性。微波透过性良好，已广泛用于雷达天线罩。（7）热性能良好。FRP热导率低，室温下为1.251.67kJ/(m·h·k)，只有金属的110011000，是优良的绝热材料。(8)可设计性好。根据FRP生产工艺可生产出根据需求的各种形状，并可在加工过程添加色浆，使制成成品具有鲜艳的颜色。近年来，纤维增强复合材料（FRP）的种类和生产手段迅速发展，产品形式不断更新，使得FRP材料在桥梁中应用形式也更加多样，如FRP斜拉桥和悬索桥中的索、FRP桥面板、FRP组合梁板、FRP管混凝土柱，FRP网架体现出FRP材料在桥梁工程中应用的广阔前景。三、背景科研项目

4、情况简介本课题结合一个合作研究项目开展，株洲时代新材料科技股份有限公司专门成立了FRP复合材料研发课题组；与中交一院签署有FRP桥梁研发的战略合作协议。四、学位论文主要研究内容1.对比分析国内外FRP复合材料人行桥桥面板的设计方法；2.分析不同桥面板几何特征对整体构件的刚度影响；3.分析不同的连接方法对桥面板以及整桥刚度的影响4.根据国内外FRP人行桥梁的设计规范，结合国内情况，提出相应桥面板的刚度计算公式；5.通过工程实例、数值模拟以及实验对FRP人行桥梁桥面板进行分析及对比；五、预期解决的主要问题1. FRP桥面板刚度的计算理论；2.FRP桥面板和支撑梁以及桥面板构件之间的连接对FRP桥梁

5、刚度的影响；3.提出适合国内相应FRP人行桥梁的刚度设计方法。六、开题条件学术条件：该课题的指导老师对土木工程有着丰富的理论和实践经验，为课题的完成提供了保证。经费条件：本项目由合作企业给予经费支持。设备条件：合作企业可提供相应的实验仪器和设备，可保证项目的进行。七、文献综述FRP复合材料人行桥桥面板的延性研究0 引言纤维增强复合材料(FRP)由增强材料和基体材料组成，高性能纤维为增强材料，合成树脂为基体材料。纤维具有很高的抗拉强度，是纤维增强复合材料强度的主要提供者，主要起承受荷载作用；基材有粘结、传递剪力的作用，其物理性质可以影响纤维增强复合材料的物理性质3。与其它结构构件一样，FRP桥面

6、板的刚度和承载力是受力分析和设计的主要目标。在刚度分析中，各向异性的材料弹性常数、纤维铺层设置、构件几何特征和连接刚度(大部分FRP桥面板都由FRP组件组合而成的)是主要的影响参数4；在承载力分析中，则需要考虑材料破坏、连接破坏和屈曲破坏等多种破坏模式以及它们之间的相互影响。由于FRP材料与传统的结构材料的力学性能有很大的不同，主要体现为线弹性、各向异性、材料组成复杂、可设计性强。FRP结构和FRP组合结构的设计与传统的结构设计方法有很多不同，它的设计包括材料设计和结构设计两部分，它们相互联系紧密，不能采用等代替换传统材料的方法进行设计。目前，国际上还没有公布过针对FRP桥梁结构的设计规范。美

7、国土木工程师协会(ASCE)制定FRP拉挤型材结构的设计标准。它被用于美国公路与交通局(AASHZTO)制定的FRP结构设计规范中。现将美国的FRP人行桥规范和国内人行桥规范进行对比 5- 6 ：美国FRP人行桥规范国内人行桥规范挠度控制构件设计应满足在人行活载作用下，挠度不超过桥梁跨度的1/500。 在人行活载作用下，悬臂梁的挠度不应超过该悬臂梁长度的1/500。 由于侧向风荷载引起的水平向的挠度不应超过桥梁跨度的 1/500。 天桥上部结构，由人群荷载计算的最大竖向挠度，不应超过下列允许值： 梁板式主梁跨中： L/600。 梁板式主梁悬臂端：L1/600。 桁架、拱：L/800。 连接所有

8、主要和次要构件的连接应使用螺栓连接。连接件应充分设计并符合力和荷载的传递机制，以减轻可能的失效模式。应使用经过运营机构批准的镀锌或不锈钢螺栓。非结构构件可以是栓接或螺钉连接。暂无虽然较多的FRP实桥已经在北美和欧洲各地得到了应用，但作为今后的发展，以下几个方面还值得进一步研究：(1) FRP高强度的优势并未得到充分的利用，现有大量文献均指出FRP结构在运营中实际材料应力仅仅不到其极限值的2030%。因此如何在正常设计的基础上通过使用创新的几何尺寸和优化的纤维方向来提高刚度，进而充分利用其强度就变得非常重要。(2) FRP在长期持续荷载(蠕变，温、湿度变化，应力松驰等)作用下的耐久性能尚需实验验

9、证，虽然目前对这个方面的研究文献也有出现，但基本都是通过加速试验来研究的。原因是FRP材料应用到土木工程中最多也就30年，但通常桥梁工程寿命一般要求70年左右，因此无法积累到实际的第一手资料7。(3) 面板与主梁连接系统的设计也是十分关键的问题，目前主要还是参考已有传统材料桥梁的连接方式，以机械连接结合胶结连接为主。设计中也较少考虑连接装置所提供的组合抗弯或抗剪作用，结果偏于保守。今后的发展应是正确考虑连接系统的作用并设计出更合理的适应此类新系统的通用连接装置。本课题采用从材料、构件再到结构循循渐进的方式进行研究（1）和（3）问题。1 从材料方面研究构件的刚度纤维增强复合材料由增强材料和基体材

10、料组成，高性能纤维为增强材料，合成树脂为基体材料。纤维具有很高的抗拉强度，是纤维增强复合材料强度的主要提供者，主要起承受荷载作用，分有机纤维和无机纤维两种，有机纤维主要包括芳纶纤维、混杂纤维；无机纤维主要品种有玻璃纤维、石英玻璃纤维、硼纤维、碳纤维、陶瓷纤维、金属纤维等。基材有粘结、传递剪力的作用，其物理性质可以影响纤维增强复合材料的物理性质。纤维增强复合材料中常用的基材包括不饱和聚酷树脂、乙烯基醋树脂、环氧树脂、聚酞胺树脂等。目前，工程中采用的纤维增强复合材料主要有玻璃纤维增强复合材料、碳纤维增强复合材料、芳纶纤维增强复合材料8 。纤维增强复合材料中的纤维种类、纤维含量以及纤维的铺陈方向的不

11、同决定了其层合板的力学性质，其中生产工艺的不同决定了该纤维增强材料所含的纤维百分率。下面以E-glass为纤维材料，热塑树脂为基体材料组成的玻璃纤维材料为例分析其刚度。表1 各种生产工艺下的纤维含量生产工艺Mat stripsFabric stripsUD strips喷射纤维10%20%手糊10%20%25%40%40%50%真空辅助树脂传递塑模20%30%40%50%50%60%纤维缠绕50%70%拉挤成型20%30%40%55%50%70%表2 不同铺陈方向下的条板刚度纤维的铺陈方向E1(GPa)E2(GPa)G12(GPa)单轴向布（UD strips）（纤维含量取为50%）37.71

12、1.33.5垂直向布（Fabric strips）（纤维含量取为50%）24.524.53.5垂直向布（Fabric strips）（纤维含量取为30%）15.515.52.3各向同性（Mat strips）（纤维含量取为50%）12.212.24.6表3 不同纤维含量下的条板刚度纤维的含量（UD strips）E1(GPa)E2(GPa)G12(GPa)40%30.88.92.850%37.711.33.560%44.614.64.52 桥面板的几何特征对其刚度的影响同时，与其它的结构材料一样，FRP材料也有一些缺点。首先，FRP材料的弹性模量低。构件的变形成为全FRP桥面板的主要控制因素。

13、FRP桥面板必须通过增大构件几何尺寸来获得几何刚度，从而提高整个构件的刚度，材料的用量势必增大。由于FRP材料和构件具有很强的可设计性，并且可采用的工艺多种多样，因此可根据实际加工能力和应用要求，设计出具有不同特点的FR桥面板，并通过试验获得其性能特征。在构造形式确定的情况下，采用优化软件或程序结合有限元软件和简化分析方法对FRP桥面板的形状、尺寸、铺层等进行优化其性能特征。在构造形式确定的情况下，采用优化软件或程序结合有限元软件和简化分析方法对FRP桥面板的形状、尺寸、铺层等进行优化9。桥面板主要分为拉挤成型组成桥面板以及蜂窝夹层组成桥面板。2.1拉挤成型组成桥面板对于FRP拉挤成型桥面板的

14、研究包括理论分析、实验以及实际使用情况下的性能分析，重点集中在截面形式的选取、桥面板的前股东以及刚度分析、桥面板的疲劳性能等方面。研究者在以下方面取得了比较一致的意见10。.拉挤成型桥面板组成单元空腔的较优形状为三角形、矩形；.FRP材料比强度高。但模量相对较低，构件当度成为FRP桥面板设计的主要控制因素；3由于拉挤FRP桥面板壁一般均相对较薄,在桥面板受轮压作用下的局部挠度控制成为桥面板设计中的一个重要问题,因此组成单元空腔尺寸不宜太大；. 从实验室进行疲劳荷载的情况来看,FRP桥面板的疲劳性能良好,疲劳试验后没有明显的刚度及强度损失；. 板单元内部和梁板单元之间的连接系统也是一个重要问题,

15、目前主要有三种,即栓接、销接或胶结剂粘结。拉挤成型组成桥面板型式有：a) Superdeck系统；b)DuraSpan系统；c)EZ Span系统；d)Strongwell系统；e) Asset系统；f) ACCS系统 。2.1.1 Superdeck系统11-12此类系统又叫六边形或H型桥面板，它是由西弗利亚大学（WUV）和美国陆军建筑工程研究室（USACERL）联合开发和测试的。这种新的型材既可被用作单个的梁单元也可组装起来产生正交异性的桥面板。 图1 Superdeck系统截面西弗利亚大学（WUV）对这种截面所进行的静力和疲劳测试结果表明竖向刚度2,000,000次疲劳加载后无明显退化，

16、疲劳周数和静力挠度无明显相关关系且对桥面的极限强度几乎无影响。疲劳加载前后的极限破坏荷载都大大超过了AASHTO规范的HS20（71.1KN）和HS25(88.9KN)活载。即使是HS25活载，该系统的极限强度安全系数也超过了6，且静力挠度满足了L/500的挠度需求。 2.1.2 DuraSpan系统11-13DuraSpan系统是由总部在北卡罗来那州的Raleigh的Martin Marietta 复合材料公司于1992年开发并由Creative拉挤公司生产的。目前有两种Duraspan系统，均可承受AASHTO HS25活载。其具体尺寸为：表4 DuraSpan系统尺寸高度重量允许梁跨Du

17、raspan5005英寸（127cm）62KN/m1.52mDuraspan7667.66英寸91 KN/m3.05 m图2 DuraSpan系统构件美国加州大学圣地亚哥分校的学者对该产品进行了疲劳测试、静力刚度测试、振动测试和静载破坏测试。除此之外，特拉华大学(University of Delaware)也对此种桥面及其由此组成的上部结构进行了广泛的测试。测试包括有以下五个方面： a 层状试件的拉压测试； b 桥面接头的静力、疲劳和耐久性测试； c 桥面和纵梁连接的静力和疲劳测试； d 铺装层的耐久性测试； e 桥面本身的静力和疲劳测试等。 图3 DuraSpan系统的实验测试2.1.3

18、EZ Span系统14-15EZ Span系统是ARC（Atlantic Research Corp.）和佐治亚理工学院（Georgia Institute of Technology）1999年开发的一种GFRP桥面板。9英寸厚的面板由手糊的上下两层面板和拉挤成型的三角形构架芯管胶结组成。每个等边三角形构架芯管边长约8英寸，用ARC生产的浸润聚乙烯树脂的三向编织无碱玻璃纤维拉挤而成，该编织纤维贯穿整个厚度范围，可提供优异的耐久性能，如将其切开成平面织物片时宽约28英寸。而面板则由浸润聚乙烯树脂的编结无碱玻璃纤维手糊而成。 图4 EZ Span系统截面2.1.4 Strongwell系统16-

19、17从1998年春天开始，Virginia Tech和Strongwell公司开发和测试了Strongwell系统。此类GFRP桥面板也是完全采用拉挤型材粘贴而成的。所不同的是，它由GFRP拉挤方管和平板粘结组成。整个系统的厚度可因方管的尺寸变化而变化，范围从120.7mm变化203.3mm ，自重为 (90117Kg/m2)，见下图。图5 Strongwell系统截面图6 Strongwell系统Virginia Tech 对此类面板作了大量的荷载测试以验证其可行性。测试的桥面板为3跨1.2米（交通方向），宽4.2米，厚120毫米，由拉挤方管和上下面板组成。方管用环氧树脂胶结并用间距0.3米

20、，穿过管壁的玻璃纤维杆连接起来，而管和板间也用环氧树脂胶结。全板支承在1.2米间距的4根W16×40的钢梁上，加载板为0.3×0.5米并放在氯丁橡胶上。测试包括强度测试，刚度测试和强度测试完成后的疲劳测试三个方面，其截面形式和测试设置见下图。图7 Strongwell系统2.1.5 Asset系统18-19Asset系统截面是由Mouchel(英国)，Fiberline(丹麦)，KTH(瑞典)，IETCC(西班牙)，Skanska(瑞典)，HIM (荷兰)和Oxfordshire County Council(英国)等七个单位组成的合作体共同研发的。Asset系统截面是基于

21、英国BS5400规范中HA和HB类荷载取2米的跨度和40吨的荷载来设计的。另外，截面的高度和尺寸均要满足适于拉挤成型的方便及与现存桥梁具有相容性。最终采用的截面高度为225毫米，宽度包括搭接接头为521毫米，并采用无碱玻璃纤维浸异酞聚合树脂拉挤成型，如下图。图8 Asset系统实验测试对Asset系统进行的实验包括小比例和大比例的测试。在瑞典KTH进行的小比例测试提供了各种层状纤维敷设方式的力学属性。测试出来的性质包括了拉、压及剪切的强度及模量。同时，还对完全浸润的GFRP复合材料板进行了小比例的耐久性测试。大比例的测试则在西班牙的IETCC进行，其测试项目包括静力弯曲和剪切、疲劳（10,00

22、0,000次）、蠕变，冲击等。通过以上测试表明Asset截面的实际结构行为与设计一致，挠跨比小于1/300且静力破坏模式主要是支承附近的腹板底部的剪切破坏。 2.1.6 ACCS系统20-21ACCS（Advanced Composites Construction System）系统又叫COMPOSOLITETM系统,是一种先进的复合材料建筑板，可用作主要承载构件。其模块化的建筑系统由一些用拉挤法生产的互锁FRP构件所组成。图9 ACCS系统 其主要受力构件是有开口肋的面板，公称尺寸为76.2mm厚609.6mm宽，此面板可以用三向连接器，450连接器，栓钉（toggle）或挂钩(hange

23、r)等五种互锁的拉挤FRP构件连接起来2.2蜂窝夹层组合桥面板蜂窝夹层组合桥面板主要有美国的KSCI(Kansas Structural Composites, Inc.)系统、Hardcore系统和加拿大的纤维缠绕三角管系统等。2.2.1 Hardcore系统22 特拉华的Hardcore公司制造的Hardcore桥面系统由上下表层的蒙皮加上中间的多重缠绕加劲腹板所构成。制造方法是真空辅助树脂浸渍模塑成型工艺 (Seeman Composite Resin Infusion Molding Process(SCRIMP)。图10 Hardcore桥面系统这种桥面的主要特点有：重量轻，低恒载从

24、而增大活载承受能力，无需更换下部结构和基础就可更换和扩宽桥面，易于运输制造和安装，设计荷载可达HS25，挠度标准达到L/800，2,000,000次疲劳测试能力优异，耐久性良好，具高的抗腐蚀性，不受恶劣天气影响，不透水，无破碎、生锈及腐烂的缺点，而且全年均可施工。Hardcore 系统所采用的FRP材料为缝制的无碱玻璃纤维织物加乙烯基树脂，玻璃纤维织物被认为在平面内各向同性，其主要力学性能如表 : 表5 Hardcore 系统采用的FRP材料的力学性质2.2.2 KSCI系统23Kansas结构复合材料公司生产的KSCI系统属于蜂窝夹层组合结构，制造方法是采用多向铺陈的GFRP夹心板接触低压成

25、型法生产成型。此组合结构由厚2.29毫米（0.09英寸）的波纹形片材加平面片材组成单胞尺寸50.8×101.6毫米的蜂心，蜂心单元均是由聚脂薄膜接触模压形成。而表面板的制作是首先将玻璃纤维织物放在钢模中，注入树脂直至达到所需厚度，再将蜂心湿放入面板中，施加真空以压紧并凝固。图11 FRP夹芯板2.2.3 纤维缠绕三角管系统24-25 纤维缠绕三角管系统是由加拿大Manitoba大学和ISIS Canada合作研制的。制造工艺是先用纤维缠绕技术生成200mm高的三角形芯管，然后在各管角处共放入12根GFRP筋填满并与拉挤的上下面板粘结，最后用塑料袋密封并浸注树脂而成。

26、0;由于参照了成型前另一改进试件优异的2×106次疲劳性能，此系统只做了静力极限强度测试。在荷载HS25下挠度为4.32mm(L/700)，而破坏荷载为780kN，其强度安全系数达到了8.8，相应跨中极限挠度为43.94mm(L/68)。至破坏前系统一直为线弹性行为，破坏模式为加载点下三角形管间的粘结脱落。  Hardcore和KSCI两种蜂窝夹层组合桥面系统的共同优点在于板厚变化幅度较大，既可仅用作桥面放置在纵梁上又能以自支承的方式取代桥面和纵梁而形成独立的上部结构，因此桥面的最大跨径可以达到10m以上，而且较易在垂直车行的方向上产生横坡。另外，在板单元的生产过程中，还可

27、以将钢栓插入到板单元中以形成联接单元。由于板厚可以较大，相应挠跨比也超过了1/1000，从而较好的满足了刚度设计要求。纤维缠绕三角管系统厚度与拉挤系统近似，性能也基本相同。与拉挤桥面类似，三种蜂窝夹层组合桥面系统的强度优势均未得到充分的利用。 2.2.4 张铟等效模型的刚度计算公式26张铟博士对FRP夹芯板进行等效简化以及对比分析，确定了其采用等效方法的可行性。最后张铟博士以正弦夹心板的材料参数与几何参数作为变量，推出了等效模型的刚度计算公式，如下：ExIyy=B1B2B3B4B5B6B7（ExIyy）HEyIxx=C1C2C3C4C5C6C7（EyIxx）HGxyAs=D1D2D3

28、（GxyAs）E为了验证所得的模量计算公式的有效性，张铟博士将FRP夹芯板的实际形状模型的有限元结果同采用模量计算公式所得等效模型的有限元结果进行对比。由公式计算出的等效模型模量和两种模型变量结果的对比分别入下图。表6 等效模型的计算刚度ExIyy248.502kN/m2EyIxx200.319 kN/m2GxyAs2.564 kN/m2Ex7161.837MpaEy5773.115 MpaGxy184.752 Mpa1点2点3点4点5点夹心形状有限元模型010.68120.49827.37630.521等效有限元模型010.96021.02127.99830.942变形误差（%）1.4392

29、.4391.3632.4151.399表7 沿板长方向（mm）分析对比由表 2-7 的对比可以看出，两种模型所得计算结果非常接近，平均误差仅为2%左右，由此可认为采用本文所得出的等效刚度计算公式满足工程精度要求，可用来计算 FRP 正弦波形夹心桥面板等效模型的模量参数。根据张铟博士的结论：说明桥梁的动力响应与桥面板厚有关，实际上本质是与桥面板的截面刚度有关。目前在 FRP 桥面板桥梁的设计中，挠度是起控制作用的因素，这里，其设想可考虑 FRP 桥面板的动力响应对其进行设计构造，这是一种既实用又经济的分析方法，将是一种新的研究思路。2.3桥面板设计分析方法与设计理论由于FRP材料为各向异性材料，

30、而FRP桥面板通常为复杂的板组体系，实际承受的荷载工况也较多，采用理论方法很难直接获得它们的全部性能。因此，针对确定构造形式的FRP桥面板，进行适当的简化，是建立FRP桥面板简化计算分析的主要方法，这也是目前研究的主要内容之一。同时，由于FRP构件主要为线弹性，破坏类型呈脆性，通常情况下为变形控制设计，与钢筋混凝土构件和钢构件的性能有很大的不同，因此基于它们的结构设计理论和方法对FRP构件不再适用，需要对现有结构设计理论进行修正，建立适应FRP材料的设计理论及方法，同时使新材料构件与传统材料构件有相同的安全储备。2.3.1桥面板的破坏准则强度准则是根据试验结果或一系列假设得到的FRP材料破坏所

31、遵循的规律，它只是材料失效的判据，而不能反映FRP层合板或构件中的破坏机理和破坏过程。目前有多个强度准则可分析FRP板的破坏，如：最大应力准则，最大应变准则，Tsai-Hill准则，Hoffman准则以及Tsai-Wu准则，并给出了各强度准则对应的强度比R的计算方法。常用的有最大应力强度准则和Hoffman准则。在结构设计中，强度准则可以用于估算FRP层合板中各铺层发生破坏时的荷载。这些破坏准则大多与试验结果都挺吻合，其中Tsai-Wu准则更为接近27。2.3.2桥面板的设计计算方法2.3.2.1 等代设计法28层合板等代设计法是一种比较老的方法，一般是指在荷载和使用环境不变的条件下，用相同形

32、状的复合材料层合板来代替其他材料，并采用材料的设计方法来进行强度和刚度的设计。由于复合材料比强度、比刚度高，所以代替其他材料一般可减轻质量。但这种方法是有局限性的，对于非承力构件是可行的，而对于主承力构件则不行。一般来说，按等代设计方法设计的构件，需要进行强度和刚度的验算，以确保安全可靠。2.3.2.2 主应力设计法主应力设计法是在结构承受单一荷载(即结构受载情况不变)的情况下，使层合板材料主应力与主应力方向一致的层合板设计方法。3 构件之间的连接对整桥刚度的影响3.1 引言FRP的连接问题最早出现于航空航天领域，据统计，在航空航天领域复合材料的破坏中 70%发生在连接部位，连接部位的对复合材

33、料结构的整体性有重要影响2930。在土木工程中复合材料的应用也遇到了同样的问题，但是土木工程中所用的主要为拉挤成型复合材料，为了将FRP型材作为主要承力构件，FRP型材之间的连接不可避免，连接部位一般为整个结构的薄弱环节，由于材料的特殊性质，其连接方式与传统的工程材料有很大的区别。如果能解决FRP型材的连接问题，FRP型材将作为主要承力构件更加广泛的应用于工程结构领域。连接连接是复合材料中比较难处理的问题之一。FRP桥面板体系中的连接可分为3个层次：(1) FRP桥面板组件间的连接，如AMP板中组件间的连接，CSC板中的芯管与芯管、芯管与面板的连接，夹心板中面板与核芯的连接等，常用的连接方式有

34、粘结、螺栓或铆钉连接、榫接等；(2) FRP桥面板间的连接，将空心板连接构成整体，常用的连接方式有粘结、机械连接件、榫接和夹件加固等；(3) FRP桥面板与支承梁的连接，可采用多种方式固定，包括栓钉、剪力环、螺栓连接、拉筋、铆钉、机械夹固和粘结等31-33。组件间的连接对FRP构件的极限承载力有较大影响。现有的试验研究结果表明，组件间的连接破坏往往导致构件承载力过早丧失。而FRP空心板间的连接以及板与支承梁的连接决定了FRP桥面板的边界条件，并对其受力时的有效宽度、支座刚度以及与梁的组合作用有较大影响。由于在连接处有较大的集中应力，并且局部受力情况复杂，对FRP桥面体系性能的影响大，因此FRP

35、桥面板中的连接成为研究中的一个重要问题。3.2 螺栓连接的设计研究概况 一个单螺栓的双搭接连接，它的破坏方式主要有四种：销承压破坏、拉伸破坏、剪切破坏和劈裂破坏。单纯从应力角度上来说的话，我们希望螺栓的破坏为销承压破坏。Matthias Oppe等人提出了螺栓连接的极限承载力的确定方法34，并建议在受力方向上的螺栓个数不要超过5个，垂直于受力方向的螺栓不要超过2个。Francesco Ascione介绍了一种FRP多栓连接中应力在每个螺栓上分配比例的测量方法35。他推荐了一种压力传感器，将这种压力传感器放在栓孔壁和螺栓的界面，这样就可以测出多栓连接中应力应变在每个栓孔的分配比例，还可测出在螺栓

36、和FRP板界面的屈服应力，并且试验结果和有限元模拟结果吻合很好。针对FRP型材局部承压屈服强度及剪切强度较低等特点，P.P. Camanho 等提出了在复合材料板中粘贴金属薄片的方法36。这种方法仅将连接部位的部分CFRP层逐步替换为强度较高的钛合金薄片，钛合金与复合材料之间为胶结，而其它CFRP层没有被打断，从纯CFRP区域经过过度区域直至CFRP与钛合金的混合区域。这种方法提高了CFRP板的栓孔承压强度，减少了纤维铺层和环境对连接的机械性能的影响。3.3 胶结连接的设计研究概况 复合材料结构中胶接与机械连接相比，粘结区域比较大，应力分布均匀，因此连接效率较高。影响粘结的因素有粘结表面条件、

37、粘结层厚度、端部倒角、纤维铺层、环境条件等因素。 Kwang-Soo Kim等人对FRP单搭接粘结破坏的过程、强度以及破坏的模式进行了研究37，通过试验发现由于破坏模式中出现了剥离破坏，所以复合材料胶结连接的失效强度与粘结剂的强度并不成正比，作者还发现随着试件表面粗糙程度的降低和粘结层厚度的降低，结点的承载力逐渐上升。因此适当调节粘结的控制因素可以很好的提高连接效率。Thomas Keller对胶结连接面的应力应变分布进行了试验研究38，从研究中发现，在沿受力方向上，胶结部位两端的应力较大而中间的应力较小，FRP构件的应变则从胶结的起始端向另一端逐渐增大。3.4 胶栓混接的设计研究概况在胶栓混

38、接方面的研究较少，但是从少量的试验研究结果及其与单一螺栓连接或胶接的对比来看，胶栓混接具有非常好的力学性能。Nguyen Duc Hai等人做了关于 CFRP/GFRP混合的复合材料板的连接试验，提出了一种对拉挤成型复合材料构件非常有效的连接方法39。通过对仅用螺栓连接、胶栓混接和带V型槽面的胶栓混接等试件的双搭接试验研究发现，粘结剂、V型槽和螺栓的混合使用能够显著提高结点的刚度。Jin-Hwe Kweon等人通过对碳纤维板与铝板胶栓混接的双搭接试验发现，当机械连接强度高于胶结面强度时，能够实现较高的连接强度，但是当机械连接强度低于胶结面的强度时，机械连接对混合连接强度的贡献极小，其最终连接强

39、度和仅胶结的情况相当40。T. Sadowski等研究了一种胶结和铆钉混合的连接方式41，通过试验和ABAQUS的有限元模拟来研究这种混合连接方式的破坏过程和每个部分的应力分布。与单一的胶结或铆接相比，混合连接能够使结点的刚度、强度以及耗能能力都有较大的提高，具有较高的可靠性和耐久性。八、学位论文工作进度安排1.2013年10月12月，查阅国内外相关文献以及国外标准，对课题所研究内容的国内外情况应有较为清晰的了解。2. 2013年1月2月，学习相关软件MIDAS。3.2013年3月4月，对国外FRP桥梁的设计方法应有较深入的掌握。4. 2013年5月8月，提出适合国内情况的设计方法，并根据数值

40、分析以及实验数据，进行相应的分析、对比。5. 2013年9月10月，总结并归纳FRP复合材料构件及整桥的设计和分析方法。硕士生签名： 年 月 日九、指导老师意见 指导教师签名： 年 月 日查阅主要文献资料目录清单序号作 者题 目刊物名称期（卷）号年份起止页码1Clark J L.Alternative material for the reinforcement and prestressing of concreteBlackie Academic and Profession19932张元凯肖汝诚.FRP材料在大跨度桥梁结构中的应用展望公路交通科技(4)200459-623薛伟辰康清梁纤维

41、塑料筋在混凝土结构中的应用工业建筑29（2）199919-21.4梅葵花徐进FRP简介及其在桥梁工程中的应用综述中外公路30(4)2010247-2505AASHTO. Design Of FRP Bridge6CJJ69-95 城市人行天桥与人行地道技术规范北京19967余启明FRP筋呋喃树脂混凝土蠕变性能研究硕士20068葵花 徐进简介及其在桥梁工程中的应用综述中外公路0420109黄立勇.常用桥面板设计研究武汉理工大学硕士论文200710付翰香 薛元德 李文晓拉挤成型FRP桥面板的研究玻璃钢200311 Paul A. Howdyshell Jonathan

42、 C TrovillionDevelopment and  Demonstration of Advanced Design CompositesStructural  ComponentsReport  for  Construction Productivity  Advancement Research Program199898/9912Stone D.A. Nanni J.J.MyersField and  Labo

43、ratory  Performance  of  FRP  Bridge Panels Composites in  Construction 2001701-70613Partick Cassity Dan Richard,John GillespileCompositely  Acting  FRP  Deck and Girder SystemStructural  Engineering&

44、#160; International2200271-7514Greg SolomonGram GodwinExpanded  Use of  Composite  Deck  Project in USAStructural  Engineering  International22002102-20415 F.L.Moon D.A.Echel J.W.GillespieShear Stud  Connections  fo

45、r the Development of  Composite Action between  Steel Girders and  Fiber Reinforced  Polymer  bridge DecksJournal of Structural  Engineering6200216魏广胜译美国的纤维增强组合桥面板国外公路2200121-2317Anthony B. TemelesField an

46、d  Laboratlry  Tests of a  Proposed  Bridge Deck Panel  Fabricated  form  Pultruded  Fiber   Reinforced  Polymer  Components Virginia  Poly technic Institute and  State University200118 Jaso

47、n T.ColemanContinuation  of  Field   and Laboratory  Tests of  a  Proposed  Bridge  Deck  Panel  Fabricated form Pultruded  Biber  Reinforced  Polymer  Components Virginia  Poly technic Institute

48、 and  State Unuversity200219 Sam LukeLee Canning Simon CollinsAdvanced  Composite  Bridge Decking  System Project ASSETStructural  Engineering  International2200276-7920 Amir MirmiranInnovative  Combinations

49、60;of FRP and Traditional  Materials  FRP Composites in  Civil Engineering1289-1298 Dat DuthinhKunwar BaipaiStrength of an  Interlocking FRP  connectionReport for U.S  Department of  Co

50、mmerce, Technology Administration of  Standards and  Technology200121Will DuckettThe Design and Testing of  an FRP Composite Highway  Deck ACIC200222 Sreenivas Alampali Jeromeo ConnorArthur PCons

51、truction and Testing of an FRP Super structureSpecial Report 134  for Transportion  Research and  Development Buteau,  New York State  Department of  Transportation200023Halvard Nystrom Steve

52、0;Watkins Antonio Nanni Laboratory  and  Field   Testing of FRP Composite  Bridge Decks and  FRP  Reinforced  Concrete  Bridge for City of S T. James, Pheslps CountyReport for

53、 Missouri  Department of  Transportion, University of Missouri Rolla200224Heather CrockerBridge Deck Repair and  ReplacementReport for University of Manitoba, Department of Civil  and  Geological

54、  Engineering200225Artab A Mufi.ISIS  Technologies  for 21 st Century  Bridge  StructureDevelopments in Short and  Mediun Span  Bridge Engineering200117-2426张铟夹心桥面板桥梁静动态响应的数值分析华中科技大学博士论文200627沃丁柱李顺林王兴业复合材料大全化学工业出版社2

55、000474-526.28黄志雄张联盟复合材料产品设计武汉理工大学出版社200229马毓赵启林江克斌树脂基复合材料连接技术研究现状及在桥梁工程中的应用和发展玻璃钢/复合材料2201078-8230王丹勇层合板接头损伤失效与疲劳寿命研究南京航空航天大学博士学位论文200631赵启林江克斌树脂基复合材料连接技术研究现状以及在桥梁工程中的应用和发展玻璃钢/复合材料2201032王花娟杨杰刘小建复合材料机械连接强度影响因素的研究进展材料导报03200733鞠苏曾竟成碳纤维增强复合材料结构进展研究高科技纤维材料与应用03200634Matthias OppeJan Knippers.A consiste

56、nt design concept for bolted connections instandardizedGFRP-profilesTsinghua University Press02010107-1135Francesco AscioneA preliminary numerical and experimental investigation on the shear stress distribution on multi-row bolted FRP jointsMechanics Research Communications37201016416836P.P.Camanho,A.Fink A. Obst S. PimentaHybrid titaniumCFRP laminates for high-performancebolted jointsComposites： Part A4020091826183737Kwang-Soo Kim Jae-Seok Yoo Yeong-Moo YiChun-Gon KimFailure mode and strength of uni-directional composite single lap bonded joi