对称结构复合材料人行桥有限元仿真分析
近年来，纤维增强复合材料(FRP，FiberReinforcedPolymer)在公共和工业用人行天桥上得到大量的应用。FRP建造桥梁结构具有施工速度快，重量轻，耐腐蚀性好，易于维护等优点。本研究以瑞士FRP材料TSCB(TwinShapeComposedBeam)人行桥为项目背景，对TSCB人行桥的有限元模型建立、碳纤维复合材料失效判定准则、连接技术、组装系统设计等进行了研究。通过进行有限元仿真分析，论证TSCB人行桥设计的安全和可靠性。
研究首先针对两种TSCB人行桥模型进行了结构静应力有限元仿真分析，研究了有限元模型建立方法和相关失效准则。分别建立了2D壳单元的TSCB人行桥有限元模型、3D实体单元和2D壳单元联合建模的3D有限元模型。根据瑞士结构设计标准SIA260/261及客户需求，对TSCB人行桥进行在极限行人载荷、极限风载荷以及极限雪载荷作用下的桥梁形变进行了分析。以Tsai-Wu张量理论为基础，采用Tsai-Wu失效准则作为三明治结构外层碳纤维材料的失效判定准则，针对TSCB人行桥在极限行人载荷作用下人行桥各层碳纤维材料的强度和失效情况进行了失效判定分析。
FRP人行桥的连接技术一直是研究的重点，文章对TSCB人行桥组装系统进行了设计，建立了基于3D有限元模型考虑TSCB人行桥组装系统的有限元模型，并对此模型进行了极限载荷作用下的桥梁形变和静应力分析，证明了人行桥组装系统的可行性。
然后，对TSCB人行桥以及考虑人行桥组装系统的桥梁模型进行了动特性分析。特别研究了TSCB人行桥的一阶横向自振动频率值和一阶竖向振动频率，并参考各国桥梁自振动频率等级规范，对TSCB人行桥因人群载荷作用而引发桥梁共振的可能性和风险进行了评估，保证了TSCB人行桥在自振动方面的安全可靠性。验证了桥梁组装系统对TSCB人行桥的自振频率和振型的影响，进一步论证了组装系统的实用性。
通过对TSCB人行桥的有限元仿真研究，初步判定该人行桥从材料强度到结构稳定性以及桥梁整体自振动性能都符合安全设计的要求和规范。TSCB人行桥是一座兼备创新设计、观赏性、实用性、模块化生产和快速架设的新型FRP材料人行桥，对同类型桥梁的设计和研究提供了较高的参考价值。
FRP人行桥;有限元仿真;三明治结构;Tsai-Wu失效准则;模态分析
广东工业大学
硕士
机械设计及理论
李德源
2013
中文
U444.99
87
2013-10-08（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）