FRP加固混凝土梁跨中剥离破坏的非线性有限元分析

论文摘要

纤维复合材料(FRP)具有轻质高强、施工简易等优异性能,使其在混凝土加固中得到了广泛的应用。用FRP对混凝土梁进行抗弯加固时,跨中很可能发生保护层剥离破坏。剥离破坏使得加固梁的承载力和延性大幅降低,必须防止。本文研究保护层的剥离应力和破坏模式,为抗剥离设计提供参考依据。有限元方法是研究剥离破坏的工具之一,人们曾用有限元方法对整根FRP加固钢筋混凝土梁进行分析,探讨剥离破坏问题,但遇到模拟梁上裂缝等困难。汕头大学为了避开用有限元计算整根加固梁的难点,提出了简单可靠的“梁段”有限元分析模型,并利用ANSYS有限元软件进行讨论分析。注意到ABAQUS具有较强的非线性分析的能力,本文围绕“梁段”模型,利用ABAQUS对FRP加固混凝土梁的跨中剥离破坏问题进行计算分析。本文先建立基于跨中“梁段”的简化力学模型,再用ABAQUS软件建立有限元模型,模型中考虑了模型的对称性、材料的非线性以及不同材料间的粘结关系。用一个算例演示了模型建立的全过程,计算中还考虑了“梁段”内部保护层开裂的因素,从而使分析过程更接近实际。根据有限元分析结果更深入地探讨了FRP加固混凝土梁跨中剥离的破坏机理。其后,本文考虑加固钢筋混凝土梁实际受弯过程,在前述模型基础上加入转角的影响。利用荷载作用下混凝土梁平均刚度计算截面转角,并对比分析了考虑转角前后梁段保护层应力。结果表明,考虑转角模型的计算应力和不考虑转角模型的应力区别可以忽略不计。最后,本文利用建立的分析模型,参考工程实际,较详细探讨了不同几何参数、材料参数、界面本构和加载方式诸因素对FRP加固钢筋混凝土梁跨中剥离破坏的影响。结果表明,界面粘结滑移本构和FRP层数对梁跨中保护层的剥离应力影响最为显著。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究背景
• 1.1.1 纤维材料加固应用背景
• 1.1.2 纤维材料加固研究背景
• 1.2 FRP 加固混凝土梁抗弯剥离问题研究现状
• 1.2.1 混凝土加固梁抗弯问题综述
• 1.2.2 混凝土加固梁抗弯剥离研究现状
• 1.3 混凝土梁抗弯剥离研究中存在的问题
• 1.3.1 实验研究
• 1.3.2 设计方法
• 1.3.3 数值分析
• 1.4 本文研究思路和内容
• 参考文献
• 第2章 FRP 加固混凝土梁数值模型建立
• 2.1 基于“梁段”的FRP 加固钢筋混凝土梁力学模型
• 2.1.1 既有力学模型
• 2.1.2 梁段力学模型中参数的计算
• 2.2 FRP 加固钢筋混凝土梁段有限元模型的建立
• 2.2.1 ABAQUS 有限元软件简介
• 2.2.2 单元类型
• 2.2.3 材料属性及材料参数
• 2.2.4 粘结滑移模拟
• 2.2.5 加载方法和边界条件
• 2.3 基于梁段模型的抗剥离分析算例
• 2.3.1 试验模型
• 2.3.2 试验结果
• 2.3.3 有限元分析模型
• 2.3.4 有限元分析结果
• 参考文献
• 第3章 FRP 加固混凝土梁段数值模型的改进
• 3.1 FRP 加固钢筋混凝土梁弯曲刚度和变形计算
• 3.1.1 钢筋混凝土梁刚度计算方法
• 3.1.2 现有FRP 加固钢筋混凝土梁刚度计算方法
• 3.1.3 本文提出的FRP 加固钢筋混凝土梁刚度计算方法
• 3.1.4 FRP 加固钢筋混凝土梁变形计算
• 3.2 FRP 加固钢筋混凝土梁段有限元模型的改进
• 3.2.1 目前有限元模型不足及新模型提出
• 3.2.2 相对转角的计算
• 3.2.3 引入转角的计算模型
• 3.3 新模型与旧模型的有限元对比计算结果分析
• 参考文献
• 第4章 FRP 加固混凝土梁跨中力学性能的影响因素分析
• 4.1 FRP 加固钢筋混凝土梁段分析的主要参数
• 4.1.1 对比实验梁数据与参数选择计算
• 4.1.2 材料参数
• 4.1.3 界面本构
• 4.1.4 几何参数
• 4.1.5 加载
• 4.2 计算结果分析
• 4.2.1 FRP—混凝土粘结本构的影响
• 4.2.2 裂缝间距的影响
• 4.2.3 混凝土强度的影响
• 4.2.4 FRP 层数的影响
• 参考文献
• 第5章 总结与展望
• 5.1 本文主要工作
• 5.2 今后工作和努力方向
• 附录：论文发表情况
• 致谢