CFRP带载约束加固混凝土圆柱轴压力学性能数值仿真

论文摘要

FRP(fiber reinforced polymer)具有轻质、高强、耐疲劳、耐腐蚀及耐久性好、施工便利等优点,因而被越来越广泛地应用于结构的修复与加固实践中,FRP加固混凝土柱除了可以提高混凝土柱的强度之外,还可以大幅度提高其变形能力。国内外学者已对FRP约束混凝土柱进行了大量的试验及理论分析,提出了一些比较成熟的力学计算模型。但这些研究多数考虑的是未带载的约束加固情况,实际结构的加固基本上在一定带载应力水平下进行的,这种加载路径的变化对FRP实际的约束效果有影响,在有些情况下这种影响可能是显著的。针对这个问题的研究近些年才刚起步,对一些重要影响参数的研究还不够深入,在有些具体细节的认识上还存在较大差异。Elwi和Murray针对三维轴对称情况提出了混凝土非线性弹性本构增量模型,被广泛采用。所以本文采用该模型,结合CFRP(carbon fiber reinforced polymer laminate)片材未带载约束及带载约束混凝土圆柱的纵向应变与横向应变关系(即膨胀比模型)对CFRP未带载约束及带载约束加固混凝土圆柱轴压力学性能进行数值仿真。对未带载情况下CFRP约束混凝土圆柱轴压力学性能进行数值仿真,编制CFRP约束混凝土圆柱轴压力学性能分析程序,并与相关CFRP约束混凝土圆柱试验结果进行对比,通过对比分析验证分析方法及程序的合理性与正确性。通过参数分析,建立CFRP约束混凝土极限抗压强度的计算模型。进而在此基础上对CFRP带载约束加固素混凝土圆柱及钢筋混凝土圆柱的轴压力学性能进行数值仿真,并将预测结果与相关试验数据对比。然后进行主要的影响参数分析,包括带载应力水平、极限约束比、CFRP层数、CFRP弹性模量、混凝土强度体积配箍率及纵筋配筋率等。结果表明,当极限约束比较小时,带载应力水平对加固后承载力影响明显,带载应力水平越大,加固后承载力越低；当极限约束比较大时,带载应力水平对加固效果影响不明显,但带载应力水平超过一定值时仍有降低的现象;CFRP带载约束加固混凝土的强度提高幅度随CFRP层数、CFRP弹性模量的增加而增大；CFRP带载约束加固钢筋混凝土柱承载力与纵筋配筋率及体积配箍率近似呈线性关系。建立带载应力水平对CFRP带载加固素混凝土和钢筋混凝土柱承载力影响因子的计算公式,通过对比得出箍筋的存在降低了带载应力水平对带载加固柱承载力的影响。在实际工程中,加固前柱大都已经承受长期的荷载作用,因而需要考虑长期荷载作用对CFRP带载加固混凝土柱的影响。在前述研究的基础上结合混凝土收缩、徐变预测模型、混凝土强度时变模型及混凝土损伤模型对CFRP带载加固长期荷载作用后混凝土柱进行数值仿真。考察混凝土收缩、徐变、强度时变及损伤对CFRP带载加固混凝土柱的影响。分析表明,对混凝土柱进行短期加固的效果要比长期荷载作用后进行加载的效果要好；带载应力水平对加固效果影响显著,带载应力水平越大,CFRP带载加固混凝土柱承载力就越低：外界环境相对湿度的对CFRP带载加固混凝土柱加固效果影响明显;CFRP带载加固混凝土柱承载力随加固前荷载持续时间先是迅速减小而后进入平稳段;加固前卸载程度越大,CFRP带载加固混凝土柱的加固效果越好。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 课题的研究目的及意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 FRP约束混凝土柱
• 1.2.2 FRP带载约束混凝土柱
• 1.2.3 荷载的持时效应
• 1.3 本文主要研究内容
• 第二章 CFRP约束混凝土柱轴压力学性能数值仿真
• 2.1 引言
• 2.2 CFRP约束混凝土柱的数值仿真
• 2.2.1 混凝土强度的换算
• 2.2.2 CFRP约束压应力的计算
• 2.2.3 Elwi-Murray三维本构关系
• 2.2.4 CFRP约束混凝土柱膨胀比模型
• 2.2.5 CFRP约束混凝土圆柱的受力过程与破坏模式
• 2.2.6 分析步骤
• 2.2.7 CFRP约束混凝土柱极限强度预测值与计算值对比
• 2.3 极限约束比对CFRP约束混凝土强度提高幅度影响分析
• 2.4 强度模型对比
• 2.5 本章小结
• 第三章 CFRP带载加固混凝土圆柱的轴压力学性能数值仿真
• 3.1 引言
• 3.2 CFRP带载约束加固素混凝土柱数值仿真
• 3.2.1 加固前荷载引起的初始应力、应变的计算
• 3.2.2 CFRP带载加固混凝土柱膨胀比模型
• 3.2.3 程序分析步骤
• 3.2.4 极限强度的试验结果与预测结果对比
• 3.2.5 与现有CFRP带载约束加固混凝土极限强度模型对比
• 3.2.6 参数分析
• 3.2.7 带载应力水平对CFRP带载约束加固混凝土极限强度影响因子
• 3.3 CFRP带载加固钢筋混凝土柱轴压力学性能数值仿真
• 3.3.1 CFRP与箍筋共同约束作用的计算
• 3.3.2 与试验数据对比
• 3.3.3 参数分析
• 3.4 带载应力水平对CFRP带载约束加固钢筋混凝土柱承载力影响因子
• 3.5 本章小结
• 第四章 持时效应对CFRP带载加固混凝土柱轴压力学性能影响分析
• 4.1 引言
• 4.2 荷载的持时效应
• 4.2.1 混凝土的收缩、徐变
• 4.2.2 长期荷载作用下混凝土的膨胀比
• 4.2.3 混凝土强度的时变
• 4.2.4 混凝土损伤的时变
• 4.3 考虑荷载持时效应的CFRP带载加固混凝土柱数值仿真
• 4.3.1 分析流程
• 4.3.2 CFRP带载加固混凝土柱承载力随加固前荷载持续时间变化规律
• 4.4 参数分析
• 4.4.1 混凝土强度
• 4.4.2 带载应力水平
• 4.4.3 混凝土强度时变
• 4.4.4 CFRP弹性模量
• 4.4.5 CFRP厚度
• 4.4.6 CFRP断裂应变
• 4.4.7 纵筋配筋率
• 4.4.8 体积配箍率
• 4.4.9 环境相对湿度
• 4.5 混凝土损伤对CFRP带载加固混凝土柱承载力影响
• 4.6 加固前卸载水平对CFRP带载加固钢筋混凝土柱承载力的影响
• 4.7 本章小结
• 结论与展望
• 参考文献
• 附录A 符号与变量表
• 附录B 分析计算程序
• 附录C 试验数据
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文
• 致谢