这篇文档属于类型a，即报告了一项单一原创研究的学术论文。以下是针对该研究的学术报告：
主要作者及研究机构
本文的主要作者包括Tianqiao Liu、Peng Feng、Yulei Bai、Shangcong Bai、Jia-Qi Yang和Fei Zhao。他们分别来自北京工业大学土木工程学院、清华大学土木工程系、中国矿业大学力学与土木工程学院以及海南大学土木工程与建筑学院。该研究发表于《Engineering Structures》期刊，2024年4月6日在线发布。
学术背景
本研究的主要科学领域是复合材料在土木工程中的应用，具体关注的是玻璃纤维增强聚合物（GFRP）材料的抗弯性能。自GFRP材料问世以来，其低刚度一直是限制其广泛应用的主要问题之一。本研究旨在通过引入弯曲拉挤技术（curved-pultrusion technique）制造GFRP拱形梁，并提出一种新型的GFRP梁-索结构（beam-string structure），以提升GFRP材料的抗弯刚度和强度。
研究流程
研究分为实验、数值模拟和理论分析三个主要部分。
实验部分
- 材料测试：首先对弯曲拉挤GFRP拱形梁的材料进行了机械性能测试，包括拉伸、压缩、剪切和弯曲性能，并测量了纤维体积分数。所有测试均按照ASTM标准进行。
- 抗弯试验：对12根GFRP拱形梁进行了三点弯曲试验，分为四组不同边界条件：无预张力的索结构（BS-relaxed）、预张力为0%的索结构（BS-0%）、预张力为5%的索结构（BS-5%）以及无索结构的控制组（SS）。试验中记录了梁的极限荷载、最大位移和线性刚度。
- 失效模式分析：通过观察试验中的失效模式，发现梁的主要失效形式为腹板压曲（web crippling），特别是在顶部翼缘与腹板交界处出现剪切裂纹。
数值模拟部分
- 有限元建模：使用Abaqus软件建立了两种有限元模型，分别模拟仅包含GFRP拱形梁和包含GFRP拱形梁及钢索的结构。模型采用了Hashin损伤准则来模拟材料的渐进失效。
- 参数研究：通过对不同边界条件的模型进行参数研究，验证了实验结果的准确性，并发现了索与梁之间的不完全荷载传递机制，平均推力损失约为22%。
理论分析部分
- 腹板压曲强度预测：基于Borowicz和Bank提出的模型，对GFRP拱形梁的腹板压曲强度进行了预测，并通过修改模型参数提高了预测的准确性。
- 梁-索结构内力分析：通过力法计算了梁-索结构的内力，包括弯矩、剪力和轴力，并与数值模拟结果进行了对比，验证了理论模型的准确性。
主要结果
- 实验结果表明，预张力为5%的索结构（BS-5%）显著提高了GFRP拱形梁的抗弯强度和刚度，分别提高了27%和109%。控制组（SS）的极限荷载为60.68-83.00 kN，而BS-5%组的极限荷载为97.81-103.52 kN。
- 数值模拟结果与实验数据吻合良好，平均误差在4%以内，验证了有限元模型的准确性。
- 理论分析结果显示，修改后的腹板压曲强度预测模型能够较为准确地预测实验中的失效荷载，平均预测值与实验值的比率为0.97。
结论
本研究通过实验、数值模拟和理论分析，验证了弯曲拉挤GFRP拱形梁在引入梁-索结构后抗弯性能的显著提升。研究结果表明，预张力为5%的索结构能够将GFRP拱形梁的抗弯刚度提高一倍以上。该研究为提升GFRP材料的抗弯刚度提供了一种有效的方法，并为其在长跨空间结构和重载桥梁中的应用提供了理论支持。
研究亮点
- 创新性结构设计：本研究首次提出了弯曲拉挤GFRP拱形梁与钢索结合的结构设计，显著提升了GFRP材料的抗弯性能。
- 多方法验证：通过实验、数值模拟和理论分析三种方法的结合，确保了研究结果的可靠性和准确性。
- 渐进失效模型：采用Hashin损伤准则模拟了GFRP材料的渐进失效过程，为类似材料的研究提供了参考。
其他有价值的内容
本研究还探讨了索与梁之间的不完全荷载传递机制，提出了未来研究应关注更高效的荷载传递方法，以进一步提高梁-索结构的抗弯性能。此外，研究还建议未来的工作应关注FRP材料在轴向荷载和剪切荷载耦合作用下的腹板压曲行为。