预应力碳纤维布加固混凝土梁的理论分析与数值模拟

论文摘要

碳纤维片材(Carbon Fiber Reinforced Polymer,以下简称CFRP)因其质轻、高强、高弹模和耐腐蚀等特有的优越性,已广泛应用于混凝土结构的补强加固中。预应力技术更能发挥CFRP高强度的优势。虽然国内外关于预应力碳纤维布加固混凝土的研究已经取得了大量的科研成果,但在许多方面的研究还不够深入,还需要进一步系统化地研究。本文在分析国内外关于预应力碳纤维布加固钢筋混凝土梁理论的基础上,结合国家“863计划”项目《受损建筑物加固与修复材料关键技术研究与应用》(编号2009AA032303),基于多项试验的十四根预应力碳纤维布加固梁,进行理论和有限元分析,并把试验、理论计算及数值模拟结果进行详细的对比研究。本文的主要研究内容和结论如下：1.分析预应力碳纤维布加固混凝土梁的受力机理,考虑以往试验中各种预应力损失的影响因素,给出了考虑预应力损失的预应力碳纤维布加固混凝土梁的正截面承载力计算公式。与试验结果及数值模拟结果的对比分析表明,本文提出的公式,精度可以满足实际需要,对于实际工程的设计计算有一定的参考价值。2.应用ANSYS有限元分析软件,建立不同类型和精度的有限元模型,对比考虑粘结滑移和不考虑粘结滑移的有限元模型,进行数值模拟,并综合分析了预应力碳纤维布加固混凝土梁的性能。通过与理论计算和试验结果的对比分析,确定了合适的有一定精度保证的有限元模型。对于预应力碳纤维布加固混凝土梁的性能研究表明,预应力碳纤维布加固梁相对于非预应力碳纤维布加固梁,可显著提高梁的开裂荷载,有效提高梁的屈服荷载,但对梁的极限荷载影响较小。3.结合相关的试验研究,通过ANSYS软件对预应力碳纤维布加固混凝土梁进行仿真模拟,分析了预应力水平、加固材料类型、梁本身破坏模式和碳纤维布加固率等相关的重要因素对预应力碳纤维布加固梁的整体性能的影响。结果表明,预应力水平的提升对梁的开裂荷载有比较显著的提高,屈服荷载也有较大提高,但对极限荷载影响不大,同时可显著提高梁刚度,有效减少梁的挠度变形。在不考虑其他因素的情况下,梁的反拱、开裂荷载等初期性能受加固材料本身性能的影响很小；梁的屈服荷载随着FRP材料弹性模量的增大而增大；而梁的极限荷载受加固材料极限强度的影响较大。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 预应力碳纤维布加固钢筋混凝土梁的研究现状
• 1.2.1 加固梁承载能力的研究现状
• 1.2.2 加固梁预应力水平的研究现状
• 1.2.3 加固梁预应力损失的研究现状
• 1.2.4 加固梁疲劳性能的研究现状
• 1.2.5 加固梁有限元分析的研究现状
• 1.3 研究仍存在的问题
• 1.4 本文主要研究工作
• 2 预应力碳纤维布加固混凝土梁正截面承载力计算方法
• 2.1 预应力碳纤维布加固混凝土梁的受力机理分析
• 2.1.1 预应力碳纤维布加固钢筋混凝土梁的模型
• 2.1.2 预应力碳纤维布加固梁第一受力阶段分析
• 2.1.3 预应力碳纤维布加固梁第二受力阶段分析
• 2.1.4 加固具有初始裂缝钢筋混凝土梁的剥离机理分析
• 2.2 正截面承载力计算方法分析
• 2.2.1 基本假定
• 2.2.2 预应力损失计算及有效预应力取值
• 2.2.3 消压阶段的相关计算
• 2.2.4 开裂阶段的相关计算
• 2.2.5 等效矩形应力方法的引用及相关推导
• 2.2.6 钢筋屈服阶段的相关计算
• 2.2.7 破坏阶段的相关计算
• 2.2.8 破坏模式的判断与分析
• 2.3 计算结果与试验结果的比较分析
• 2.3.1 算例一
• 2.3.2 算例二
• 2.3.3 算例三
• 2.4 本章小结
• 3 预应力碳纤维布加固混凝土梁的数值模拟
• 3.1 ANSYS软件简介
• 3.2 预应力碳纤维布加固混凝土梁的数值模拟方法
• 3.2.1 单元类型的选取
• 3.2.2 加固梁的材料属性
• 3.2.3 加固梁的有限元计算模型
• 3.2.4 关于预应力的施加
• 3.2.5 关于加载方式及收敛方法的建议
• 3.3 数值模拟与理论计算、试验结果的比较分析
• 3.3.1 试验简介
• 3.3.2 有限元计算结果分析
• 3.3.3 考虑粘结滑移的有限元计算分析
• 3.4 本章小结
• 4 预应力加固梁相关重要因素的数值分析
• 4.1 预应力水平的影响分析
• 4.1.1 张拉控制应力取值
• 4.1.2 数值模拟结果分析
• 4.2 材料类型变化的预应力加固梁的数值模拟分析
• 4.2.1 试验简介
• 4.2.2 数值模拟结果分析
• 4.3 不同破坏模式的预应力加固梁的数值模拟分析
• 4.4 不同加固率的预应力加固梁的数值模拟分析
• 4.5 本章小结
• 5 结论与展望
• 5.1 结论
• 5.2 展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢