CFRP片材加固混凝土梁抗剪承载力可靠度分析与设计

论文摘要

对现有结构进行加固与修复,可以充分发挥结构的潜力,满足结构使用功能的要求,同时能够带来巨大的经济效益和社会效益。碳纤维增强塑料（英文简称CFRP）片材凭借其高强、轻质、耐腐蚀、抗疲劳、无磁性、施工便捷等诸多优点,已广泛应用于混凝土结构构件的修复加固与改造工程当中。对混凝土梁构件进行抗剪加固可以有效提高其受剪承载力,避免脆性破坏模式地发生。目前,FRP抗剪加固混凝土梁承载力计算模型多是在钢筋混凝土梁受剪承载力计算方法的基础之上,基于对试验的分析而建立起来的。我国的《纤维增强复合材料工程应用技术规范》（征求意见稿）拟于近期正式发布。其中的一些设计条款的设计参数还缺乏足够的理论依据,具有一定的经验性。为了对相关参数有更为合理而又充分地认识,本文借助可靠度理论针对该规范中的一些设计条款进行了可靠度分析,并且在此基础上分析了考虑时间因素的不利环境对构件性能的影响,对加固构件的耐久性设计具有借鉴意义。本文采用JC法针对《纤维增强复合材料工程应用技术规范》（征求意见稿）中,FRP抗剪加固混凝土梁构件的设计方法进行了可靠度分析。研究表明,当采用粘贴FRP片材对混凝土梁进行U型、侧面粘贴或封闭粘贴等方式抗剪加固后,构件的可靠度水平与加固前相比均有不同程度地降低,三种加固方式可靠指标的降低幅度分别为19.2%-28.5%、7.4%-19.9%和17.1%-31.9%；荷载效应比、混凝土强度等级、钢筋的配箍率以及FRP加固量是影响可靠度指标的主要因素。为了对受剪加固系数进行深入的可靠度研究,本文引入了“可靠度加固率”的概念,即构件加固后与加固前可靠度指标的比值。经过对加固前后构件可靠度水平的分析计算,将U型加固、侧面粘贴加固和封闭粘贴加固三种加固模式下,用于确定FRP抗剪贡献的受剪加固系数与从概率的角度表征构件性能的可靠指标联系起来,建立了受剪加固系数与可靠度加固率之间的关系式。这样,可以根据不同的可靠度水平采用不同的受剪加固系数用于工程设计,做了以可靠度理论为基础的基于性能设计的探索性研究。建立了氯离子侵蚀环境下构件抗剪承载力随时间变化的计算模型,在此基础上进行了时变剪力分析。采用Monte Carlo-JC法计算了氯离子环境下梁的时变可靠度,并进行参数分析。结果表明,箍筋的保护层较小,与纵筋相比更容易发生锈蚀;氯离子环境下,当考虑箍筋与纵筋同时发生锈蚀对构件受剪性能的影响时,构件达到50年服役期后,其受剪承载力仅为初始时刻的40.6%,可靠指标仅为初始时刻的15.6%-32.2%；采用CFRP对构件进行加固可以有效提高构件的受剪承载力,并且减小可靠指标的衰减速率,延长构件的使用寿命；保护层厚度和锈蚀电流对构件受剪承载力时变可靠度影响较大

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景和意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 外贴FRP片材受剪加固混凝土梁的力学性能
• 1.2.2 FRP片材加固混凝土构件可靠度研究现状
• 1.2.3 FRP片材加固混凝土构件的长期性能
• 1.2.4 混凝土与钢筋材料时变及相关统计信息概述
• 1.3 本文主要研究内容
• 第二章 CFRP片材抗剪加固混凝土梁承载力极限状态方程
• 2.1 引言
• 2.2 CFRP抗剪加固设计条款
• 2.2.1 材料力学性能参数
• 2.2.2 FRP抗剪加固混凝土梁承载力设计
• 2.3 设计变量的统计参数
• 2.3.1 设计变量的取值
• 2.3.2 计算模式不确定性系数
• 2.3.3 荷载的统计参数
• 2.4 荷载效应组合
• 2.5 极限状态方程的建立
• 2.5.1 极限状态方程
• 2.5.2 加固前构件抗力的均值与方差
• 2.5.3 封闭粘贴CFRP抗剪加固构件抗力的均值与方差
• 2.5.4 U型或侧贴CFRP抗剪加固构件抗力的均值与方差
• 2.5.5 荷载效应的均值与方差
• 2.6 本章小结
• 第三章 CFRP片材加固混凝土梁抗剪承载力可靠度分析与设计
• 3.1 引言
• 3.2 可靠度分析方法
• 3.2.1 JC法
• 3.2.2 Monte Carlo-JC法
• 3.3 封闭粘贴CFRP抗剪加固混凝土梁承载力可靠度分析
• 3.3.1 计算结果
• 3.3.2 受剪加固系数与加固前后可靠指标之间的关系
• 3.3.3 各个设计参数对平均可靠指标的总体影响
• 3.3.4 设计变量对可靠度指标影响的具体分析
• 3.4 U型粘贴CFRP抗剪加固混凝土梁承载力可靠度分析
• 3.4.1 计算结果
• 3.4.2 受剪加固系数与加固前后可靠指标之间的关系
• 3.4.3 各个设计参数对平均可靠指标的总体影响
• 3.4.4 设计变量对可靠度指标影响的具体分析
• 3.5 侧面粘贴CFRP抗剪加固混凝土梁承载力可靠度分析
• 3.5.1 计算结果
• 3.5.2 受剪加固系数与加固前后可靠指标之间的关系
• 3.5.3 各个设计参数对平均可靠指标的总体影响
• 3.5.4 设计变量对可靠度指标影响的具体分析
• 3.6 三种加固方式对比
• 3.6.1 破坏模式及设计方法
• 3.6.2 可靠指标
• 3.7 算例
• 3.8 本章小结
• 第四章 CFRP片材加固现役混凝土梁抗剪承载力时变可靠度研究
• 4.1 引言
• 4.2 材料的时变特性
• 4.2.1 混凝土
• 4.2.2 钢筋
• 4.2.3 CFRP片材
• 4.3 混凝土梁时变剪力及相关变量统计信息
• 4.3.1 加固前后混凝土梁时变抗剪承载力及极限状态方程
• 4.3.2 CFRP加固混凝土梁构件设计参数及统计信息
• 4.3.3 环境变量统计参数
• 4.4 混凝土梁时变抗剪承载力分析
• 4.4.1 配箍率
• 4.4.2 箍筋保护层厚度
• 4.4.3 锈蚀电流
• 4.4.4 混凝土强度
• 4.4.5 箍筋强度
• 4.4.6 氯离子初始扩散系数
• 4.5 采用CFRP加固后混凝土梁时变抗剪承载力分析
• 4.5.1 理想加固时刻的选取
• 4.5.2 CFRP加固对构件锈蚀的影响
• 4.5.3 CFRP加固梁斜截面时变抗力分析
• 4.6 时变可靠度分析的荷载效应与计算模式不确定性系数
• 4.6.1 荷载效应
• 4.6.2 计算模式不确定性系数
• 4.7 时变可靠度分析
• 4.7.1 未加固时钢筋混凝土梁的时变可靠度分析
• 4.7.2 CFRP加固后钢筋混凝土梁的时变可靠度分析
• 4.8 本章小结
• 结论与展望
• 参考文献
• 附录A 符号变量表
• 附录B 试验数据统计表
• 附录C 试验值与理论值的比较
• 附录D 主要计算程序
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文
• 致谢