纤维混凝土中纤维结构的耗能原理研究

论文摘要

混凝土结构广泛应用于土木工程，因此提高混凝土结构或构件的动态性能一直以来深受科研工作者的关注。国内外的各项研究均表明，通过纤维增强能够加大混凝土结构在受动荷载下的能量耗散，提高混凝土结构的各项动态性能，因此研究纤维结构的耗能作用对材料设计有着积极的意义。结构或构件的耗能是结构或构件其本身动态性能的直接反映，本文基于之前的相关研究工作，主要研究了有较多设计变量的波纹纤维结构在其组成动力系统中对动态性能的作用与影响。首先建立了适用于不同纤维结构系统的弹性波传播模型，并为此提出了数值解法和编写了计算机程序，从波动传播(能量传播)的角度研究了不同纤维结构对波动(平面应变波)传播特性的影响，因此研究结果不但对振动现象的能耗有意义，也对扰动弹性波，甚至声波、地震波、冲击波等等的传播耗散有重要指导意义。其次考虑了不同纤维结构不同阻尼方向的因素，引入粘滞阻尼模型，用ANSYS有限元软件分析并对比了不同纤维结构对悬臂梁构件固有动态参数的影响。最后通过补充的试验研究，在试验范围内验证了理论分析的正确性及其所做的推断。通过上述工作，本文的主要结论有：(1)纤维结构在其组成动力系统中对动力性能，包括扰动波传播的影响同系统激发起的模态有关。(2)纤维结构的不同改变了各阶模态出现的顺序，并直接影响到系统在动力载荷作用下的最终响应。(3)波纹纤维结构增强复合材料中波的传播具有频散性，从总的趋势上看，波传播符合“刚度原则”。(4)波传播和固有动力特性的分析结果都一致表明，当参与的振型节点之间的距离(或扰动波的波长)远小于纤维波长时，纤维结构的影响符合“刚度原则”。但如果与纤维波长相差不大或大于纤维波长时，存在一个振动波与纤维波组合的问题。(5)波纹连续纤维结构纤维角度的影响要大于波长的影响，因此纤维曲线角更具有可控制性和优化性。

论文目录

• 摘要
• 英文摘要
• 目录
• 英文目录
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 研究现状与意义
• 1.3 研究目标
• 第二章 波传播模型的建立
• 2.1 引言
• 2.2 弹性动力学问题的基本方程
• 2.3 弹性波的传播问题
• 2.4 周期结构的基本复变分原理
• 2.5 广义变分原理（边界条件的引入）
• 2.6 数值方法求解
• 2.6.1 基本方程的矩阵形式
• 2.6.2 可传播波的传播
• 2.6.3 数值离散
• 2.7 程序编制
• 2.8 程序验证
• 第三章 连续纤维结构对波传播特性的影响
• 3.1 引言
• 3.2 波纹连续纤维结构增强复合材料
• 3.3 本构关系的确定
• 3.4 WFRC无限平板中平面应变波的传播
• 3.4.1 计算模型
• 3.4.2 网格划分
• 3.5 结果分析
• 3.5.1 纤维曲线角的影响
• 3.5.2 纤维波长的影响
• 3.6 本章结论
• 第四章 连续纤维结构对动力性能的影响
• 4.1 引言
• 4.2 分析模型
• 4.3 阻尼模型
• 4.4 二次广义特征值（EVP）问题
• 4.5 分析过程
• 4.6 结果分析
• 4.6.1 不同纤维曲线角的分析结果
• 4.6.2 纤维曲线角影响小结
• 4.6.3 不同纤维波长的分析结果
• 4.6.4 纤维波长影响小结
• 4.7 本章结论
• 第五章 不同纤维结构增强混凝土的试验研究
• 5.1 引言
• 5.2 WFRC梁振动控制方程
• 5.3 试件准备
• 5.4 试验概况
• 5.5 试验设计与方法
• 5.5.1 试验方案一
• 5.5.2 试验方案二
• 5.5.3 方案对比
• 5.6 结果数据处理与分析
• 5.6.1 试件阻尼耗能
• 5.6.2 动态响应频率
• 5.7 讨论与总结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 本文结论
• 6.2 研究展望
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的论文
• 致谢
• 附录 A
• A.1 Floquet波复单元矩阵（MATLAB程序）
• A.2 Floquet准周期边界条件（MATLAB程序）
• 附录B
• B.1 ANSYS APDL程序