基于乌克兰规范(DBN B.2.3-22:2009)的碳纤维加固混凝土梁桥受力性能研究

摘要

碳纤维复合材料(CFRP)现在已经广泛用于修补或加强桥梁结构。CFRP具有强度高、重量轻、耐腐蚀性好及易于现场施工的优点，使其成为传统加固桥梁材料的良好替代品。在对钢筋混凝土构件进行加固修复的过程中，CFRP被粘附在加固区的表面上用作附加的外部加强件。CFRP加固的短期实验测试结果表明，这些材料可以改善弯曲或剪切强度。
　　从20世纪80年代开始，包括日本、美国、德国和加拿大在内的国家非常重视CFRP在工程中的应用技术，将其逐步应用于实际混凝土结构的修复与加固工程中，并取得了显着的经济效益。在中国，CFRP加固混凝土结构研究始于1996年，目前已经成为比较常用的钢筋混凝土结构加固材料。乌克兰现有1.7万做桥梁，其中约9000座处于紧急待修状态。在乌克兰CFRP正逐步用于正常截面的增强，然而，关于CFRP加固混凝土结构受力性能及加固效果的研究还不够深入。
　　本文基于乌克兰加固设计规范(DBNB.2.3-22:2009)，以跨度为4.0m，横截面采用250×500mm的矩形钢筋混凝土简支梁为研究对象，采用规范公式及有限元方法，研究了CFRP加固混凝土受弯构件的受力性能。主要研究工作内容及结论如下:
　　(1)总结了CFRP加固混凝土结构存在的问题、一般设计要求及加固工艺。通过研究得出了一种用来评估复合材料CFRP加固梁的有效性理论方法。
　　(2)基于乌克兰加固设计规范(DBNB.2.3-22:2009)，对比分析了三种混凝土应力应变关系对双筋混凝土矩形简支梁承载力的影响。研究表明:相对于矩形模式应力应变关系，抛物线-矩形模式应力应变关系的简支梁最大承载能力提高至100.55％，而双线性模式应力应变关系的简支梁最大承载能力降低至93.56％。
　　(3)采用有限元软件ANSYS对跨度为4.0m，横截面采用250×500mm的矩形钢筋混凝土简支梁进行了非线性分析。在140kN集中荷载作用下，混凝土梁的最大挠度0.79mm，钢筋混凝土梁中6根A400级钢筋的最大等效应力为96.23MPa。
　　(4)通过Composite PrepPost模块在Ansys Workbench中创建复合材料的方法，计算了在140kN集中荷载作用下，CFRP加固钢筋混凝土梁应力和位移状态。计算结果表明:用CFRP复合材料加固的梁的最大挠度为0.57mm，钢筋混凝土梁中钢筋的最大等效应力为64.49MPa。由CFRP加固的梁的极限承受载荷增减少了33％。变形减少了22％。CFRP加固导致钢筋混凝土梁中混凝土和钢筋变形的变化，从而使受弯构件内部发生了应力重新分布，受压区混凝土需要承担更大的应力。

目录

声明

摘要

Abstract

1 Introduction

1．1 The source and significance of the topic

1．2．1 Foreign experience of strengthening

1．2．2 Experience of strengthening in Ukraine

1．3 Related research status

1．4 Main content of the research

2 Theoretical methodology of strengthening beams with composite materials CFRP

2．1 Background

2．2 Existing problems

2．3 General requirements for design

2．4 Work technology

2．4．1 Preparation of the substrate for the label

2．4．2 Preparation of glue(adhesive)

2．4．3 Cloth Sticker

2．4．4 Laminate sticker

3 Calculation of bearing capacity of rectangular reinforced concrete beam with double reinforcement

3．1 Output data for calculation

3．2 Calculation algorithm

3．2．1 Two-level diagram"strain-deformation"

3．2．2 Parabolic-rectangular diagram

3．2．3 Rectangular diagram

3．3 Conclusion

4 Analysis of reinforced concrete beam of rectangular section

4．1．2 Output data for calculation

4．1．3 FEA Technique for ANSYS Workbench

4．2 Load and evaluation of the results of calculating the stress-strain state of the beam

4．2．1 Generation of finite element grid

4．2．2 Loads and boundary conditions

4．3 Analysis of results of calculation of reinforced concrete beam

4．4 Conclusion

5 Analysis of reinforced concrete beam with composite materials(CFRP)

5．1 Prerequisites and initial data of reinforcement of bending reinforced concrete beams with composite materials

5．2．1 Specifying of materials properties

5．2．2 Setting the parameters of the beam in Design Modeler

5．2．3 Creating a layered composite material in Ansys Workbench using the Composite PrepPost module

5．2．4 Loads and Boundary Conditions

5．3 Analysis of the reinforced concrete beam calculation results

5．4 Calculation of the beam for strength and verification of design requirements

5．4．1 Output data for calculation

5．4．2 Calculation of the first limit state

5．4．3 Calculation of the second limit state(on fracture toughness)

5．4．4 Verification of design requirements

5．5 Calculation of the beam for strength and verification of design requirements

5．5．1 Output data for calculation

5．5．2 Calculation of the first limit state

5．5．3 Calculation of the second limit state(on fracture toughness)

5．5．4 Verification of design requirements

5．6 Conclusion

6 Conclusion

6．1 Concluson

6．2 Outlook

Acknowledgements

References