智能CFRP加固钢筋混凝土梁安全测评及模糊随机可靠度研究

论文摘要

大型钢筋混凝土工程结构(如大坝、高层建筑等)使用期长,必然产生损伤积累和抗力衰减。一旦发生灾害事故,损失惊人,社会影响重大。对这类结构必须实时进行无损安全测评,适时进行高效加固修复。本研究将碳纤维复合材料(CFRP)与布拉格光栅光纤传感器(FBG)融合制成智能碳纤维复合材料,用其加固修复大型结构,既实现了材料性能集成—结构材料功能化智能化,又满足了无损检测要求。集先进加固修复技术与实时安全测评双重功能于一体,是实现重大设施可靠性安全性的重要保障。本文主要研究内容包括以下几方面:智能碳纤维复合材料工程应用基础试验研究:将布拉格光栅光纤传感器(FBG)固化于碳纤维复合材料(CFRP)中制成智能碳纤维复合材料。通过实验讨论埋入光纤与碳纤维复合材料的相容性,即光纤直径、涂层、排布方向及光纤埋入体积对CFRP力学性能的影响,CFRP对埋入光纤光导损耗的影响。建立监测对象实际应变与光纤传感器应变层间界面应变传递的统一模型,并推导其界面层应变传递统一公式,用于光纤应变传感的误差修正。根据FBG光纤传感器波长和应变传递关系,通过实验对FBG光栅光纤的传感特性进行验证。制备9根RC试验梁,将FBG传感器与电阻应变片同时预置于实验梁内(受拉钢筋、压区混凝土及碳纤维复合材料中)。试验梁通过弯曲破坏试验比较布拉格光栅传感器与电阻应变片的测试结果。针对CFRP加固钢筋混凝土(RC)梁发生正截面破坏和粘结剥离破坏工况,在试验基础上,得到不同破坏模式的承载力计算及实际应用修正方法,实验结果表明CFRP加固RC梁理论设计极限承载力经过修正后,与实际破坏荷载相比误差可控制在5%左右。完成CFRP加固RC梁CFRP加固截面积的优化设计,实现CFRP加固梁最小的情况下,加固RC梁极限承载力最大,同时该理论的限制条件也避免了RC梁发生早期破坏和非理想破坏。根据布拉格光栅传感原理、钢筋混凝土理论和ANSYS有限元软件提出和编制了CFRP加固RC梁荷载效应实时测评理论和数值模拟程序。根据置入CFRP中FBG传感器实时监测到的光信号(波长)值,计算出RC梁诸项荷载效应(荷载、挠度、受拉钢筋和压区混凝土应变等)实时理论计算值和数值模拟值。因此,从已加固的CFRP中实时监测的应变值即可得到RC梁诸项荷

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题的背景及意义
• 1.2 碳纤维加固补强技术国内外研究与应用
• 1.3 光纤智能复合材料与结构
• 1.3.1 光纤智能材料与结构的背景
• 1.3.2 光纤智能复合材料与结构应用概况
• 1.4 光纤光栅传感器研究和应用发展
• 1.4.1 国内外光纤光栅传感器应用
• 1.4.2 光栅光纤传感器在民用建筑上的应用
• 1.4.3 光栅光纤传感器在CFRP 加固混凝土结构监测方面应用
• 1.5 结构可靠度的研究与进展
• 1.5.1 结构可靠度理论及在役结构可靠度评估
• 1.5.2 国内外结构可靠度的研究与应用
• 1.6 本文主要研究内容
• 第2章 埋入FBG 光栅光纤的智能CFRP 研究
• 2.1 引言
• 2.2 埋入光纤与CFRP 的相容性研究
• 2.2.1 埋入光纤对CFRP 力学性能的影响
• 2.2.2 CFRP 对埋入光纤光导性能的影响
• 2.2.3 光纤传感器的安装与引出设计
• 2.3 FBG 光纤传感器应变传感的界面传递特性
• 2.3.1 普通光纤应变传感的界面传递规律
• 2.3.2 光纤光栅应变传感的界面传递特性
• 2.3.3 埋入式FBG 光纤传感器的界面传递特性
• 2.4 埋入CFRP 的FBG 光纤传感器的应变传感研究
• 2.4.1 FBG 应变传感原理
• 2.4.2 智能CFRP 应变检测试验
• 2.4.3 实验数据分析
• 2.5 本章小结
• 第3章 智能CFRP 加固RC 梁荷载效应实验研究
• 3.1 引言
• 3.2 CFRP 加固RC 梁实验
• 3.2.1 实验梁材料性能
• 3.2.2 试验梁的制备
• 3.2.3 CFRP 加固工艺
• 3.2.4 传感系统的布置
• 3.3 实验结果分析与讨论
• 3.3.1 相对Bragg 波长-应变关系
• 3.3.2 CFRP 加固RC 梁的静载实验分析
• 3.3.3 试验结果分析
• 3.4 本章小结
• 第4章 CFRP 加固RC 梁优化设计及实时测评研究
• 4.1 引言
• 4.2 粘结剥离破坏
• 4.2.1 粘结剥离破坏机理
• 4.2.2 粘结剥离破坏模型
• 4.2.3 粘结剥离破坏的影响因素与防治
• 4.3 CFRP 加固RC 梁承载力计算
• 4.3.1 正截面弯曲破坏承载力计算
• 4.3.2 粘结剥离破坏时的承载力计算
• 4.3.3 极限设计承载力的修正
• 4.3.4 试验算例
• 4.4 CFRP 加固RC 梁优化设计
• 4.4.1 CFRP 加固RC 梁界限加固截面积的确定
• 4.4.2 CFRP 加固RC 梁加固截面积优化设计
• 4.4.3 理论计算与试验对比分析
• 4.4.4 已建结构的CFRP 加固设计与修正
• 4.5 CFRP 加固RC 梁荷载效应实时测评
• 4.5.1 CFRP 加固RC 梁荷载效应实时测评理论
• 4.5.2 理论计算与实验测量结果对比分析
• 4.6 本章小结
• 第5章 智能CFRP 加固RC 梁荷载效应实时数值模拟
• 5.1 引言
• 5.2 材料的本构关系
• 5.2.1 混凝土本构关系
• 5.2.2 钢筋本构关系
• 5.2.3 碳纤维复合材料本构关系
• 5.2.4 粘接层本构关系
• 5.3 结构非线性有限元问题
• 5.3.1 结构非线性问题
• 5.3.2 材料非线性问题方程组求解
• 5.3.3 影响非线性收敛的因素
• 5.4 单元选取
• 5.4.1 混凝土单元
• 5.4.2 钢筋单元
• 5.4.3 CFRP 单元
• 5.4.4 界面单元
• 5.5 结果分析
• 5.5.1 CFRP 加固RC 梁实时安全测评
• 5.5.2 受拉钢筋及压区混凝土应变-CFRP 应变关系
• 5.5.3 有限元模拟挠度-CFRP 应变
• 5.5.4 实时模拟荷载与-CFRP 应变
• 5.5.5 实际荷载与模拟荷载
• 5.6 本章小结
• 第6章 CFRP 加固RC 梁的模糊随机可靠度设计
• 6.1 引言
• 6.2 结构可靠度理论
• 6.2.1 结构可靠度的基本概念
• 6.2.2 失效概率与可靠度指标
• 6.3 理论分析
• 6.3.1 CFRP 加固RC 梁抗弯功能函数极限状态方程
• 6.3.2 功能函数中各随机变量的均值和标准差实验
• 6.4 改进FOSM 法分析CFRP 加固RC 梁可靠度
• 6.4.1 改进FOSM 法概述
• 6.4.2 改进FOSM 法计算CFRP 加固RC 梁可靠度
• 6.5 蒙特卡罗法分析CFRP 加固RC 梁可靠度
• 6.5.1 蒙特卡罗法概述
• 6.5.2 用Matlab 实现CFRP 加固RC 梁的可靠度评估
• 6.6 CFRP 加固RC 梁模糊随机可靠度分析
• 6.6.1 模糊数学基础
• 6.6.2 隶属度函数的确定
• 6.6.3 模糊可靠度计算理论
• 6.6.4 基于Monte Carlo 的模糊随机可靠度理论
• 6.6.5 CFRP 加固RC 梁模糊随机可靠度分析
• 6.7 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的学术论文
• 原创性声明
• 使用授权书
• 致谢
• 个人简历