FRP加固梁破坏模式的数值模拟和理论分析

论文摘要

近年来,纤维复合材料(FRP)作为一种新材料具有重量轻、强度高、易于施工、耐腐蚀性好等优点,逐渐替代了钢材的外包加固技术。虽然在这方面的应用已经很广泛,但是由于力学性能和破坏模式比普通钢筋混凝土梁更加复杂,在理论和数值模拟方面的研究却相对比较滞后。FRP加固梁破坏模式主要有:FRP拉断破坏,混凝土压碎破坏,弯曲裂缝引起的跨中剥离破坏,FRP端部剥离破坏。本文对破坏模式进行了详细的描述,并简单介绍了国内外关于这方面的试验研究、理论研究和有限元分析应用等概况。共收集24根梁的试验数据,分别对其破坏模式进行ANSYS有限元模拟和理论分析,理论值、ANSYS计算值与试验值比较。论文主要的研究内容和结论如下:1.考虑FRP与混凝土表面之间的粘结滑移,根据陆新征提出的界面粘结滑移关系,对试验梁进行ANSYS有限元分析。数值分析结果表明,粘贴FRP布后,加固梁的屈服荷载和极限荷载均有所提高,其中极限荷载的提高更为显著;加固梁的挠度均小于未加固梁的挠度;对于发生FRP拉断破坏试件来说,在其它条件相同时,混凝土强度提高,对极限承载力的贡献不大;对于发生混凝土压碎破坏和FRP拉断破坏的试验梁,其截面应变依然符合平截面假定。2.通过在求解处理中,设置不同的载荷步来模拟有加载历史的试件。在第一载荷步时,FRP没有起作用,应变为0;粘贴FRP之后加载,FRP应变快速增长,有效地发挥FRP的高强特性。数值分析表明:对于有加载历史试件,FRP限制了受拉区裂缝的向上扩张和裂缝的纵向快速发展,提高了试件的整体抗弯刚度。3.通过对粘结剥离破坏模式的有限元模拟,比较钢筋和FRP的荷载应变曲线,表明试件破坏时截面应变已经不符合平截面假定,钢筋屈服前,FRP应变分布基本和弯矩图形状相同,钢筋屈服之后,弯曲裂缝增多,导致FRP应变在弯剪段与纯弯段边界处有突变,加固梁在纯弯段内弯曲裂缝数量多间距小。4.根据混凝土基本理论,通过截面分析方法总结出前两种破坏模式的承载力计算公式,并根据FRP端部的剥离破坏机理,推导出粘结剪应力和粘结正应力的计算公式,对于中部弯曲裂缝引起的界面剥离破坏试件,根据现有的规范,推导出裂缝计算公式。根据收集的试验数据和数值模拟结果,进一步验证了公式的精确性,该理论公式可供实际工程设计参考。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 FRP加固混凝土结构的特点及发展概况
• 1.1.1 现有的混凝土结构加固方法
• 1.1.2 FRP加固混凝土结构方法
• 1.1.3 FRP加固混凝土梁的国内外研究概况
• 1.2 FRP加固钢筋混凝土梁破坏模式的研究综述
• 1.2.1 FRP加固钢筋混凝土梁的破坏模式分类
• 1.2.2 FRP加固钢筋混凝土梁破坏模式的研究概况
• 1.3 本文主要研究内容
• 2 FRP加固梁破坏模式的有限元分析及数值模拟
• 2.1 FRP加固梁破坏模式的有限元分析
• 2.2 FRP加固梁破坏模式的数值模拟
• 2.2.1 FRP加固钢筋混凝土梁的材料属性
• 2.2.2 数值模拟采用的单元类型
• 2.2.3 FRP加固梁破坏模式的有限元计算模型
• 3 FRP加固梁破坏模式的数值模拟及模拟结果分析
• 3.1 FRP拉断破坏模式的数值模拟
• 3.1.1 试验介绍
• 3.1.2 数值模拟及结果分析
• 3.2 混凝土压碎破坏模式的数值模拟
• 3.2.1 试验介绍
• 3.2.2 混凝土压碎破坏模式的数值模拟及结果分析
• 3.3 弯曲裂缝引起FRP剥离破坏的数值模拟
• 3.3.1 试验介绍
• 3.3.2 跨中FRP剥离破坏的数值模拟及结果分析
• 3.4 FRP端部剥离破坏的数值模拟
• 3.4.1 试验介绍
• 3.4.2 FRP端部剥离破坏的数值模拟及结果分析
• 4 粘贴FRP布加固钢筋混凝土梁破坏模式的理论分析
• 4.1 FRP拉断破坏模式下梁的承载力计算
• 4.2 混凝土压碎破坏梁的承载力计算
• 4.2.1 钢筋屈服且受压区混凝土压碎
• 4.2.2 受压区混凝土压碎但钢筋未屈服
• 4.3 引起FRP剥离破坏的裂缝宽度计算
• 4.4 FRP端部剥离破坏梁的应力分析
• 4.4.1 粘结剪应力
• 4.4.2 剥离正应力
• 4.5 公式精度验证
• 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