工字形玻璃纤维增强复合材料轴心受压构件的稳定性分析

作     者：蔡铁臣 

作者单位：南京理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：惠颖;刘勤

授予年度：2021年

学科分类：08[工学] 081304[工学-建筑技术科学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 0813[工学-建筑学] 

主      题：GFRP轴压构件 计算长度系数 失效模式 工字形截面 极限承载力 

摘      要：玻璃纤维增强复合材料（Glass Fiber Reinforced Polymer,简称GFRP）由纤维与基体材料按照一定的比例经过固化或纺织而成,以其具有比强度高,耐久性和耐腐蚀性好而开始广泛应用,国内外学者也对GFRP构件在土木工程中的应用做了很多研究,但由于复合材料种类较多且构成复杂,到目前为止,还没有形成统一的稳定承载力计算方法。本文以课题组新型索穹顶结构力学性能的研究为背景,对弹性边界条件下构件的计算长度系数进行计算,对工字形GFRP轴压构件的稳定问题进行了理论研究和有限元数值分析,并对GFRP轴心受压构件的极限承载力计算方法进行了探索和分析,主要包括以下内容:1、根据索穹顶中压杆的实际情况,课题组将压杆的两端支承简化为弹簧铰支承,并对GFRP轴心受压构件进行分析,发现两端弹簧铰支承构件的计算长度系数随长度增长而减小。故文章对这一现象进一步研究,应用计算屈曲荷载的方法推导得出构件的屈曲方程,得到计算长度系数与构件长度、抗弯刚度和弹簧刚度之间的关系,进一步得到任意截面构件的计算长度系数减小至极限值时的杆长与杆抗弯刚度和弹簧刚度的关系。对另外五种弹性支承构件也进行了分析,同时对钢结构稳定课本中各物理量正方向的规定问题进行了修正。2、以本课题组对GFRP圆管的轴压稳定性研究为基础,作者采用ABAQUS有限元软件对Barbero文献中的宽翼缘工字形GFRP轴心受压试验的构件进行建模并验证,提出使用试验数据反算得到初始缺陷的方法辅助建模,有限元分析结果与试验结果符合较好。主要对截面高宽相等且壁厚一致的九种截面构件进行了全长细比数值分析,总结出两端铰支、两端固支和两端弹簧铰支承下工字形GFRP轴心受压构件的三种失效模式（局部失稳、相关失稳和整体失稳）及其对应的长细比范围,得到三种支承条件下三种失效模式的长细比范围随截面变化的规律。还对窄翼缘工字形截面和强轴失稳构件的失稳模式进行了介绍。分析各构件的相关数据得到长细比和支承条件对构件的极限承载力、横向位移和轴向位移的影响规律,得出截面变化对不同支承条件下构件柱曲线的影响规律。3、最后对几种典型的GFRP轴心受压构件承载力的计算方法进行总结,结合收集的大量试验数据和本课题组所做的试验数据分析得出这些计算方法的适用条件并对现有计算方法进行修正,得到适用于不同截面类型的三条设计曲线。