CFRP加固钢筋混凝土梁承载力的计算方法和仿真

摘要

本文碳纤维增强复合材料(CFRP)是一种用来替代传统的材料进行加固的复合材料，它在结构补强加固方面得到了应用广泛。它有很多优越的材料特性，如强度高、质量轻、耐腐蚀性强等;薄壁箱梁作为梁结构有较好的力学性能，比其他桥梁型式有很多的优点，在大跨度桥梁结构中是常见的梁结构型式。钢筋混凝土梁的一般的破坏模式是弯曲和剪切破坏，在这两种破坏形式中，脆性是突然破坏的，构件瞬时失去承载力，造成的损失也是巨大的。延性破坏过程中构件会进行应力的二次分布，有明显的征兆，比如桥梁挠度过大等，人们可以在发现问题后进行补强加固。在混凝土梁的补强加固中，一般会进行抗弯曲承载力和抗剪切承载力验算。最重要的是弯曲承载力的计算，需要发现和解决的问题还较多。抗弯和抗剪加固中，表层粘贴CFRP布应用最广泛，嵌入式加固是新兴技术，在国外有少数的在木质和砌体结构上的补强加固应用。本文首先介绍了箱形截面钢筋混凝土梁的构造特性，然后系统介绍了混凝土梁补强加固的各种方法和相应的承载力计算方法，在空间实体有限元仿真分析部分中，对带有翼缘板薄壁箱形连续梁进行了有限元分析，根据有限元分析结果和第二章中的实例计算结果进行了对比分析。具体完成工作如下:
　　(1)首先推导出了碳纤维布加固钢筋混凝土薄壁箱梁抗弯极限承载力的计算公式，并且考虑了钢筋混凝土梁自重等因素，简化了的工程实用计算方法供参考。然后推导出了在平截面条件下，不考虑粘结破坏情况之下，钢筋混凝土梁嵌入式CFRP加固后弯曲承载力计算参考方法，并且讨论了各种界限破坏条件，提出了比较吻合工程实际的承载力计算方法。
　　(2)通过ANSYS有限元软件对箱梁粘贴CFRP加固梁的承载力进行了对比分析，同时根据相关实验数据对有限元分析结果和理论计算结果进行了分析，更加验证了本文的计算方法的可行性，同时也发现，对钢筋混凝土梁的承载力计算方法，尤其是进行了碳纤维增强塑料补强加固的钢筋混凝土梁的承载力计算牵涉的因素很多，方法不能够完全的统一，而CFRP补强加固的钢筋混凝土薄壁箱形截面梁的承载力计算，由于翼边缘变形引起的剪力滞后现象的因素，承载力计算更为复杂。本文计算承载力时进行了较多的相关假定，推导的计算公式具有一定的应用参考价值。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 综述

1．2 薄壁箱梁

1．2．1 薄壁箱梁构造特点

1．2．2 薄壁箱梁受力特性

1．2．3 剪力滞效应概念

1．2．4 有效分布宽度概念

1．2．5 剪力滞系数概念

1．3 CFRP补强加固技术

1．3．1 混凝土补强加固技术现状

1．3．2 CFRP补强加固混凝土结构

1．3．3 CFRP表层粘贴加固混凝土结构

1．3．4 CFRP嵌入式粘贴加固混凝土结构

1．3．5 CFRP嵌入式粘贴加固混凝土结构国内外应用情况

1．4 存在的问题

1．5 本文主要研究工作

2 CFRP布加固钢筋混凝土薄壁箱梁弯曲极限承载力计算

2．1 基本假定

2．2 外贴碳纤维布的钢筋混凝土薄壁箱梁的计算分类

2．3 截面分析方法

2．4 初始应变量的计算

2．4．1 混凝土梁未开裂

2．4．2 混凝土梁开裂

2．5 第一类极限承载力计算公式

2．5．1 破坏形式1

2．5．2 破坏形式2

2．5．3 破坏形式3

2．6 第二类极限承载力计算公式

2．6．1 破坏形式1

2．6．2 破坏形式2

2．6．3 破坏形式3

2．7 加固梁破坏模式判定

2．8 界限状态时受压区高度

2．9 计算步骤说明

2．10 算例

2．11 本章小结

3 钢筋混凝土梁内嵌CFRP加固后正截面弯曲承载力计算

3．1 基本假定

3．2 破坏模式分析

3．3 临界破坏模式Ⅰ

3．4 临界破坏模式Ⅱ

3．5 破坏形式1

3．6 破坏形式2

3．7 破坏形式3

3．8 本章小结

4 碳纤维加固的钢混连续箱梁有限元分析

4．1 箱梁几何模型

4．2 钢筋混凝土有限元基本理论

4．2．1 钢筋混凝土有限元模型

4．2．2 材料本构关系

4．2．3 强度准则

4．2．4 裂缝模拟

4．3 ANSYS有限元软件中材料模型

4．3．1 ANSYS中混凝土模型

4．3．2 ANSYS中钢筋混凝土单元

4．4 钢筋混凝土梁有限元模型分析

4．4．1 ANSYS中混凝土模型

4．4．2 ANSYS中钢筋模型

4．4．3 ANSYS中碳纤维材料模型

4．4．4 ANSYS钢筋混凝土模型求解收敛问题

4．5 钢筋混凝土梁有限元模型

4．5．1 未加固的连续箱梁FEM

4．5．2 嵌入式OFRP加固的连续箱梁FEM

4．5．3 表层粘贴OFRP的连续箱梁FEM

4．5．4 外荷载加载情况

4．6 有限元计算结果

4．6．1 嵌入式OFRP加固梁计算结果

4．6．1 表层粘贴CFRP布加固梁计算结果

4．6．3 未加固梁计算结果

4．7 连续箱梁计算结果分析

4．7．1 破坏模式分析

4．7．2 跨中扰度对比分析

4．7．3 跨中底板钢筋应力对比分析

4．7．4 中支座顶板钢筋应力对比分析

4．7．5 连续箱梁承载力对比分析

4．8 本章小结

结论

致谢

参考文献

攻读学位期间的研究成果