碳纤维加固混凝土柱二次受力抗剪性能有限元分析

论文摘要

在加固工程中有许多抗剪承载力不足的柱子可采用碳纤维（CFRP）环向缠绕进行加固,由于设计不当、卸载不便,特别是加层时房屋自重无法卸载等原因,很多柱子在加固前无法进行良好的卸载,使加固后碳纤维存在应力滞后现象,二次受力可能影响碳纤维加固柱的加固效果。因此,对碳纤维加固混凝土柱二次受力抗剪性能进行深入研究具有重大的现实意义。本文采用非线性有限元分析软件ANSYS对碳纤维加固混凝土柱二次受力的抗剪性能进行研究。在单调加载形式下,针对6种轴压比、3种剪跨比,通过正交试验设计法共设计了12组柱,每组均有未加固柱、非二次受力加固柱、二次受力加固柱进行对比研究,共模拟36个柱,研究二次受力和非二次受力柱受剪破坏过程的异同,考察剪跨比、轴压比两因素在二次受力时对碳纤维加固混凝土柱抗剪承载力提高值、碳纤维应力、位移延性率等方面的影响,并将有限元模拟结果与实际试验结果对比,验证有限元模拟结果的正确性。基于桁架-拱模型理论,用有限元模拟结果修正原有非二次受力时加固柱抗剪承载力理论计算公式,推导出二次受力对碳纤维约束混凝土强度的影响公式及二次受力时碳纤维加固混凝土柱抗剪承载力理论计算公式。本文还比较《碳纤维片材加固修复混凝土结构技术规程》（CECS146:2003）和《混凝土结构加固设计规范》（GB50367-2006）所提供碳纤维环向缠绕加固混凝土柱抗剪承载力计算公式,考察两者计算结果与试验结果的吻合程度,并根据本文有限元模拟结果提出二次受力时碳纤维加固混凝土柱抗剪承载力设计公式。最后,关于进一步工作的方向进行了简要的讨论。

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摘要

ABSTRACT

第1章绪论

1.1 引言

1.2 国内外研究现状

1.2.1 国内外碳纤维研究介绍

1.2.2 纤维加固混凝土柱抗剪性能的研究现状

1.3 本文研究的目的及内容

第2章加固柱抗剪性能有限元模拟

2.1 模拟目的

2.2 有限元模拟模型选用及正交设计

2.3 有限元模拟模型几何及物理参数

2.3.1 几何参数

2.3.2 物理参数

2.4 有限元模拟基本假定

2.5 有限元单元的选取

2.5.1 Solid65（柱主体混凝土）

2.5.2 Solid45（柱加载处混凝土）

2.5.3 Link8（纵筋及箍筋）

2.5.4 Shell41（碳纤维CFRP）

2.6 材料本构及单元参数的选取

2.6.1 混凝土

2.6.2 钢筋

2.6.3 柱加载处垫块

2.6.4 碳纤维（CFRP）

2.7 模型建模

2.7.1 单元间粘结滑移关系模拟

2.7.2 CFRP二次受力模拟

2.7.3 网格划分

2.7.4 支座约束

2.7.5 荷载施加

2.7.6 求解方式

2.7.7 建模结果

2.8 本章小结

第3章有限元模拟结果及分析

3.1 有限元模拟结果变量定义

3.2 破坏形态的定义说明

3.3 有限元模拟结果

3.3.1 主要有限元模拟数据结果

3.3.2 有限元模拟主要现象描述

3.4 有限元模拟与实际试验对比

3.4.1 实际试验过程

3.4.2 有限元模拟与实际试验结果对比

3.5 二次受力对加固承载力提高值的影响及影响因素分析

3.6 二次受力对碳纤维受剪系数的影响及影响因素分析

3.7 本章小结

第4章碳纤维加固混凝土柱抗剪性能理论分析

4.1 桁架—拱模型

4.1.1 桁架模型

4.1.2 拱模型

4.2 受剪系数分析

4.2.1 理论推导

4.2.2 通过有限元模拟结果确定参数β

4.3 混凝土抗压强度

4.3.1 理论推导

4.3.2 有限元模拟结果计算

4.4 理论计算公式

4.5 本章小结

第5章现有加固规范相关计算方法比较研究

5.1 综述

5.2 两种方法的介绍

5.2.1 《碳纤维加固规程》提供的设计方法

5.2.2 《混凝土加固规范》提供的设计方法

5.3 两种设计方法比较

5.3.1 原构件抗剪承载力

5.3.2 Vcf

5.4 两种设计方法与理论计算方法比较

5.4.1 两种设计方法公式整理

5.4.2 理论计算方法公式整理

5.4.3 比较

5.5 已有试验数据计算及结果比较分析

5.6 二次受力影响系数

5.7 二次受力时柱抗剪承载力计算公式

5.8 本章小结

第6章结论与展望

6.1 结论

6.2 进一步工作的方向

致谢

参考文献

附录A ANSYS分析中所采用代表性二次受力构件命令流

附录B 构件水平荷载-位移曲线

附录C 构件钢筋应力-水平位移曲线

个人简历在读期间发表的学术论文与研究成果

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