几何形状与荷载偏心对拉挤GFRP单角形桁架破坏响应的影响

《Engineering Failure Analysis》：Geometry and load eccentricity effects on the failure response of pultruded GFRP single-angle trusses

　　

研究人员对拉挤玻璃纤维增强聚合物（GFRP）单角形桁架在同心与偏心节点荷载作用下的性能进行了研究。桁架几何形状显著影响破坏响应、刚度和承载能力；三角形桁架表现出最高的抗力，而矩形桁架表现出最低的抗力；荷载偏心显著降低了所有桁架构型的极限荷载和刚度；破坏主要由局部构件失稳、开裂、分层及微观力学损伤控制。

论文解读：几何形状与荷载偏心对拉挤GFRP单角形桁架破坏响应的影响

桁架结构利用三角形布置的构件通过轴向拉压传递荷载，具有结构效率高、比强度优良等优点，广泛用于桥梁、屋盖、输电塔、工业厂房及空间结构。传统钢桁架存在腐蚀问题，钢筋混凝土桁架自重大，因此轻质耐久的纤维增强聚合物（FRP）日益受到关注。玻璃纤维增强聚合物（GFRP）因比强度高、耐疲劳、耐腐蚀且电绝缘，成为常用复合材料。GFRP型材通常由拉挤工艺成型，纤维沿纵向高度定向分布，从而在轴向获得较高的刚度与强度，同时具有正交各向异性特性。已有FRP桁架研究多集中于连接性能、整体稳定性、扭转刚度、非线性变形及体系行为，但对非对称开口截面——特别是单角形截面——在偏心荷载下轴向、弯曲与扭转相互耦合的响应认识尚不充分。钢制角钢桁架的偏心与二阶效应结论不能直接推广至拉挤GFRP单角桁架，因为材料正交异性、低扭转刚度、开口截面几何特征及连接刚度均存在显著差异。为此，研究人员设计了本项试验与数值研究，以揭示桁架几何形状和荷载偏心对破坏响应的影响。

研究共制作6个试件，对应矩形、梯形、三角形三种桁架构型；每种构型包含两个几何相同的试件，分别承受同心节点荷载和偏心距为10 mm的偏心节点荷载。试件采用拉挤GFRP等肢角钢截面，肢宽60 mm、厚度6 mm，纤维沿构件轴向排列；连接采用10 mm厚ST37钢节点板及8.8级高强螺栓，以避免连接先行破坏。试验在23℃、相对湿度47%的恒定环境条件下进行。矩形和三角形桁架采用中央顶节点三点加载，梯形桁架通过IPE140分配梁实现相邻双节点四点加载；加载速率为0.5 kN/min。测量内容包括荷载、跨中竖向位移及临界受压构件中部纵向应变；对破坏区域进行扫描电子显微镜（SEM）观察。数值分析在ABAQUS中建立三维有限元模型，GFRP构件采用S4R壳单元，钢节点板采用C3D8R实体单元，加载板与支承板采用R3D4刚体单元，材料损伤采用Hashin失效准则，并通过Riks非线性静力分析求解；经试验验证后，开展36个参数化模型分析，考察高跨比（L/H=1、2、3）与偏心距（0、5、10、15 mm）的影响。

主要结果与分析：

（1）荷载-挠度响应。三角形桁架初始刚度最高，极限荷载最大且跨中挠度最小；矩形桁架刚度最低、承载力最小且变形最大。同心加载下，Tri-C、Tra-C、Rec-C的极限荷载分别为66.02 kN、51.22 kN和45.10 kN；偏心加载下，对应值分别降至51.26 kN、33.30 kN和24.60 kN。荷载偏心使矩形、梯形、三角形桁架的极限荷载分别降低45.45%、34.99%和22.36%，刚度分别降低47.14%、43.17%和24.45%，极限挠度则增加7.35%、20.35%和10.98%。基于等效弹塑性屈服（EEPY）方法的分析表明，三角形桁架刚度最高，矩形最低；延性系数均处于1.04–1.25之间，说明GFRP桁架塑性变形能力有限。

（2）破坏模式。所有试件的破坏均发生在GFRP构件内部，钢节点板和螺栓未见损伤。矩形桁架在同心加载下表现为上部受载构件局部弯曲和荷载施加区边缘开裂；偏心加载后转为显著扭转屈曲，并伴随开裂和角肢分层。梯形桁架在同心加载下表现为栓孔附近局部屈曲和角部开裂，偏心后出现孔边开裂。三角形桁架同心加载时表现为斜腹杆局部屈曲及连接区角肢开裂；偏心加载后破坏集中在栓孔附近的角肢分层。整体而言，矩形构型对荷载偏心的敏感性最高，破坏模式从局部弯曲演变为扭转屈曲；梯形和三角形则以连接区局部损伤为主。

（3）荷载-应变响应。临界受压构件实测应变分别为：Rec-C 0.0020、Rec-E 0.0014，Tra-C 0.0052、Tra-E 0.0040，Tri-C 0.0049、Tri-E 0.0042 mm/mm。与ASCE 74-23规定的服务性应变限值0.002及极限应变限值0.005相比，除Rec-E外，其余试件均超过服务性限值；仅Tra-C略微超过极限应变限值，Tri-C接近该阈值。

（4）微观力学损伤特征。SEM观察表明，破坏区域存在基体开裂、基体粉碎、纤维-基体脱粘并伴随局部基体去除、纤维拔出、纤维断裂和基体碎裂等特征，说明最终破坏是基体相、纤维相及界面相耦合损伤的结果。加载初期出现轻微开裂声，随后微损伤累积导致局部刚度退化，引发局部屈曲；屈曲进一步发展使连接区应力集中加剧，最终造成构件严重材料劣化和失效。

（5）与以往研究比较。本结果与Aktepe等关于背靠背角钢截面的横向-扭转屈曲及连接破坏模式一致，也与Sirajudeen等关于单角开口截面对长细比和翼缘宽厚比敏感的结论相符；相较闭口截面（如RHS、SHS）桁架，本研究的开口单角形截面表现出更高偏心敏感性；相较钢桁架，GFRP桁架因缺乏塑性重分布能力而延性显著偏低。

数值分析与参数研究：有限元预测的峰值荷载与试验结果相差0.03%–16.34%，平均8.61%，破坏模式与试验观察吻合。参数分析表明，增大偏心距导致三种构型承载力持续下降，其中矩形构型平均降低47.35%，梯形构型降低41.75%，三角形构型仅降低18.29%。在e=15 mm时，三角形构型仍保留约82%的同心受荷承载力，而矩形和梯形分别仅保留53%和58%。高跨比的影响呈非单调特征，L/H=2时承载力普遍最高，L/H=3时最低。研究提出矩形、梯形、三角形的偏心折减系数分别为0.534、0.582和0.815，并建议在研究所涉及的偏心和L/H范围内采用保守值0.50。该研究系统揭示了桁架几何形状与荷载偏心对拉挤GFRP单角形桁架破坏响应的耦合影响，为开口截面GFRP桁架的工程设计与安全评估提供了依据；论文发表于《Engineering Failure Analysis》。