二次受力下CFRP布加固混凝土矩形柱理论研究与非线性有限元模拟分析

论文摘要

长期以来，受国外技术和产品严格封锁，我国CFRP材料研制国产率较低，直到2011年才研制出国产高性能CFRP产品，受此制约CFRP材料加固混凝土结构技术在我国也是近几十年来新兴的一门前沿学科，发展还不很成熟有待进一步研究。CFRP加固具有高强高效、施工程序简捷、适应面广、耐腐蚀性和耐久性良好等优点。目前国内外CFRP材料对混凝土柱子的加固主要存在以下问题：①对CFRP材料加固混凝土柱子的研究主要集中在圆形截面柱，而在实际工程中大量存在的是矩形（或方形）截面柱；②在实际加固工程中，将加固构件进行零卸载非常困难，加固过程中被加固结构存在初始应力问题，CFRP材料进行加固就存在二次受力现象，需要考虑其对加固效果的影响；③对于CFRP材料加固混凝土结构的研究大多都集中于梁、板等构件的受弯承载力提高上，并且形成了比较成熟的理论体系，而对于柱子的研究主要集中于素混凝土柱承载力上，故展开CFRP布加固RC矩形柱承载力的研究就非常有必要。针对上述问题本文展开研究，主要内容如下：1）在已有CFRP布加固混凝土柱子各力学模型基础上作进一步研究并对其受力全过程展开理论分析，根据叠加原理、强度代换原理推导二次受力情况下CFRP布加固混凝土矩形柱的抗压强度理论模型、极限压应变理论模型、应力–应变本构关系理论模型。2）在本文推导的二次受力情况下CFRP布加固混凝土矩形柱各力学模型基础上，结合已有试验数据和公式推导二次受力情况下CFRP布加固RC矩形柱的轴压承载力计算模型。3）根据推导的理论公式，分析各因素对侧向约束应力、抗压强度、极限压应变等力学性能的影响，并得出一系列重要结论。4）采用有限元数值分析软件ANSYS10.0，利用SOLID65单元和SHELL41单元分别模拟混凝土和CFRP布，对二次受力情况下CFRP布加固混凝土矩形柱的受力全过程进行动态模拟，并通过后处理器POST1和POST26进行非线性分析，验证理论推导及计算的正确性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 纤维增强复合材料简介
• 1.2 国内外建筑结构加固常用形式
• 1.2.1 直接加固方式
• 1.2.2 间接加固方式
• 1.3 CFRP 布加固技术施工方法
• 1.4 国内外 CFRP 布加固混凝土柱子研究成果
• 1.5 本文研究的切入点
• 1.6 本章小结
• 第2章 二次受力 CFRP 布加固混凝土矩形柱力学模型分析与理论推导
• 2.1 引言
• 2.2 CFRP 布加固矩形柱侧向约束应力分析
• 2.2.1 矩形柱侧向约束应力理论推导
• 2.3 二次受力 CFRP 布加固凝土矩形柱抗压强度理论推导
• 2.3.1 一次受力抗压强度分析
• 2.3.2 二次受力抗压强度分析
• 2.4 二次受力 CFRP 布加固混凝土矩形柱极限压应变理论推导
• 2.4.1 一次受力极限压应变分析
• 2.4.2 二次受力极限压应变分析
• 2.5 二次受力 CFRP 布加固混凝土矩形柱应力–应变理论推导
• 2.5.1 二次受力应力–应变分析
• 2.5.2 二次受力应力–应变模型
• 2.6 试验值与理论值对比
• 2.7 本章小结
• 第3章 二次受力 CFRP 布加固 RC 矩形柱轴压承载力理论推导
• 3.1 引言
• 3.2 关于稳定系数的讨论
• 3.2.1 对稳定系数进行回归拟合
• 3.2.2 稳定系数比较
• 3.3 轴压承载力理论推导
• 3.3.1 应力–应变模型的选取
• 3.3.2 基本假定
• 3.3.3 理论模型
• 3.4 本章小结
• 第4章 各因素对二次受力 CFRP 布加固矩形柱力学性能影响
• 4.1 各因素对侧向约束应力的影响
• 4.1.1 倒角半径及截面尺寸的影响
• 4.1.2 配筋率的影响
• 4.2 各因素对抗压强度的影响
• 4.2.1 混凝土强度等级的影响
• 4.2.2 初始轴压比水平的影响
• 4.3 各因素对极限压应变的影响
• 4.3.1 混凝土强度等级的影响
• 4.3.2 初始轴压比水平的影响
• 4.4 长细比对 RC 矩形柱轴压承载力的影响
• 4.5 本章小结
• 第5章 ANSYS 有限元对二次受力 CFRP 布加固混凝土矩形柱数值模拟
• 5.1 引言
• 5.2 ANSYS 有限元模型建立
• 5.2.1 单元类型的选取
• 5.2.2 单元属性的设置
• 5.3 二次受力在 ANSYS 中的实现
• 5.4 单元网格划分
• 5.5 ANSYS 数值模拟及数据分析
• 5.5.1 极限荷载下 ANSYS 数据结果图
• 5.5.2 ANSYS 加载过程中动态发展图
• 5.5.3 二次受力下加固柱应力–应变本构关系
• 5.6 分析值与试验值对比
• 5.7 本章小结
• 第6章 结论与展望
• 6.1 本文的主要结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 附录
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文、参加科研工作
• 致谢