太阳辐射下CFRP加固混凝土箱梁温度场及温度效应研究

摘要

由于碳纤维复合材料（Carbon Fiber Reinforced Polymer，以下简称CFRP）的优势，将碳纤维复合材料应用到箱梁结构的加固设计中已成为一种趋势，这种碳纤维复合箱形截面梁具有良好的力学性能，广泛地应用在国内外桥梁结构中。太阳辐射下CFRP加固混凝土箱梁周围的气象参数对其影响很大，如太阳辐射强度、环境温度及风速等，且外部粘贴的CFRP势必改变原混凝土箱梁温度场，进而影响温度效应。
　　基于平截面假定推导的温度自应力及温度界面剪应力的解析式被应用于梁的工程设计中，但对于具有空间力学行为箱梁理论还需要继续研究。在太阳辐射作用下，建立可以适用于CFRP加固混凝土箱梁的温度自应力及温度界面剪应力分析理论和计算方法非常重要。
　　本文在已有试验研究成果的基础上，针对太阳辐射作用下的CFRP加固混凝土简支箱梁，通过理论推导与数值模拟相结合的方法，系统的研究了CFRP加固混凝土简支箱梁的温度场及其温度效应，主要研究内容包括以下几个方面：
　　（1）基于BP神经网络预测功能，根据太阳辐射下的CFRP加固混凝土箱梁的初始条件及边界条件，及自身热力学材料特点，确定CFRP加固箱梁的主要影响因素，建立其温度场神经网络预测模型，并与试验数据对比分析。
　　（2）基于薄壁箱梁理论，对太阳辐射下的CFRP加固混凝土箱梁的温度自应力及界面温度剪应力，同时结合热弹性力学，复合材料力学等理论，运用能量变分原理建立CFRP加固箱梁的温度自应力及界面温度应力的控制微分方程。并对CFRP加固简支箱梁，在根据现行规范选取太阳辐射竖向温度梯度下，分别推导了CFRP加固简支箱梁温度自应力及其界面温度剪应力的计算公式。
　　（3）只在现行规范规定的箱梁竖向非线性温度梯度作用下，采用共节点，粘结单元及接触单元三种界面处理方式相结合，利用大型通用软件ANSYS建立CFRP加固简支箱梁有限元模型，与理论公式对比分析温度自应力、温度界面应力及其剪力滞效应分布规律。
　　通过本文的研究结果表明：满足一定精度的要求下，可以通过神经网络采用实测的太阳辐射强度、环境温度及风速等气象参数，简单快速地预测出CFRP加固箱梁温度场，本文的预测值与实测值吻合良好，最大误差仅为3.6％；只在竖向非线性温度梯度作用下，本文的温度自应力、界面温度应力及其剪力滞效应解析解与有限元解整体变化规律一致，吻合较好。且CFRP加固混凝土箱梁界面附近区域三种材料的最大值位置不统一，即分别为混凝土跨中边缘、CFRP粘结端部中线，而界面剪应力粘结端部边缘。对于剪力滞问题，通过均一混凝土材料与CFRP加固混凝土箱梁对比可知，粘贴的碳纤维布使纵向应力变化更均匀。

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1绪论

1.1研究背景

1.2 混凝土箱梁的太阳辐射下温度场研究现状

1.3 CFRP加固混凝土箱梁太阳辐射温度效应研究现状

1.4本文需要解决的问题及主要研究内容

2 CFRP加固混凝土箱梁太阳辐射温度效应基本理论

2.1温度场基本理论

2.2太阳辐射下边界条件

2.3温度应力基本理论

2.4本章小结

3 基于BP神经网络的箱梁温度场预测

3.1 BP神经网络预测基本原理

3.2 BP神经网络优点

3.3太阳辐射下CFRP加固箱梁温度场影响因素分析

3.4 CFRP加固混凝土箱梁温度场网络模型建立及程序编制

3.5本章小结

4 CFRP加固混凝土箱梁温度应力

4.1箱梁剪力滞后效应

4.2基本假定

4.3复合材料薄壁箱梁温度自应力

4.4 CFRP加固混凝土箱梁界面温度剪应力

4.5本章小结

5 CFRP加固混凝土箱梁温度应力及其剪力滞效应有限元分析

5.1 基本假定

5.2 CFRP加固混凝土箱梁有限元模型的建立

5.3 CFRP加固混凝土箱梁温度应力及其剪力滞效应分析

5.4本章小结

6结论与展望

结论

展望

致谢

参考文献