预应力CFRP布加固负载混凝土圆柱轴心受压试验研究

摘要

碳纤维布增强复合材料（carbon fiber reinforced polymer sheet,以下简称CFRP布）是采用固化工艺将碳纤维丝和树脂以特定的比例经过机械加工固化或者通过有方向性的纺织而形成的复合材料。CFRP布不仅具有轻质高强、弹性模量高、易加工和耐腐蚀性好的特点，还可利用其对混凝土结构进行加固补强，此加固方法已被较为广泛的应用于实际工程中，具有耐腐蚀、施工工期短、操作工序简单、适用面广等优点。近几年，CFRP布加固方法已成为广大工程人员及科研学者研究的热点，但目前国内外研究人员在预应力CFRP布加固负载混凝土柱这一方向的研究开展得较少，基于这一现状，本文主要开展了以下工作:
　　(1)为开展预应力CFRP加固负载混凝土圆柱轴心受压性能研究，以混凝土柱负载水平、CFRP布预张拉应力、CFRP布层数为试验参数，设计制作了12根圆形截面混凝土短柱，其中包括一根未加固普通混凝土柱和二根普通CFRP布加固柱。试验中采用的张拉机具在已有模型基础上稍加改进，分别在负载与非负载条件下进行预应力CFRP布加固，完成轴心受压试验，并获得12组试验数据。
　　(2)对加固负载圆形截面混凝土短柱进行破坏状态、正截面承载力、柱身延性及CFRP布约束机理等方面研究。研究结果表明:在负载状态与非负载状态下进行预应力CFRP布加固，均能有效提高圆形截面混凝土短柱的屈服强度和极限承载力，且屈服强度的提高幅度与CFRP布层数和预应力水平有关;在相同负载状态下，混凝土柱的极限承载力只与CFRP布的层数有关，预应力水平对柱极限承载力无明显影响;预应力CFRP布能限制混凝土柱的纵向和横向变形，较大幅度提高混凝土的极限压应变，增强混凝土柱的变形能力。
　　(3)分别采用普通CFRP布和预应力CFRP布对混凝土圆柱加固，对比分析其受力机理，分析表明:预应力的施加，改变了普通CFRP布在加固中处于被动提供约束力的状况，使CFRP布由被动受力状态转变为主动受力状态，CFRP布能更好地与构件协同受力，缓解CFRP布应变滞后现象，充分发挥CFRP布高强优势。
　　(4)基于试验实测数据，利用有限元软件ABAQUS对12根圆形截面混凝土短柱进行轴心受压模拟，将试验值与有限元分析值进行比较，结果表明分析值和试验实测值吻合较好。并根据试验数据，建立了预应力CFRP布加固圆形截面混凝土短柱承载力计算公式，计算结果与试验结果接近。

目录

摘要

1 绪论

1．1 引言

1．2 混凝土结构加固现状概述

1．2．1 混凝土结构传统加固方法

1．2．2 纤维增强复合材料性能

1．2．3 FRP布加固混凝土技术背景

1．2．4 FRP约束加固混凝土柱的意义

1．3 预应力CFRP布加固的优势

1．4 国内外相关研究现状及发展趋势

1．4．1 国内FRP布加固混凝土柱的研究现状

1．4．2 国外FRP布加固混凝土柱的研究现状

1．5 本文研究的主要内容

2 试验设计

2．1 混凝土柱设计

2．2 试验材料与设备装置

2．2．1 原材料

2．2．2 设备装置

2．3 加载及量测方案

2．3．1 加载方案

2．3．2 量测方案

2．4 本章小结

3 试验现象与结果分析

3．1 试验现象

3．1．1 未加固混凝土圆柱

3．1．2 非负载CFRP布加固柱

3．1．3 负载CFRP布加固柱

3．2 试验结果及分析

3．2．1 试验柱承载力

3．2．2 混凝土应变

3．2．3 钢筋应变

3．2．4 CFRP布应变

3．2．5 试验柱延性

3．3 约束机理分析

3．4 本章小结

4 预应力CFRP布加固负载混凝土圆柱的有限元分析

4．1 ABAQUS软件介绍

4．2 材料模型

4．2．1 混凝土本构模型

4．2．2 钢材的本构模型

4．2．3 CFRP布的本构模型

4．3 有限元模型的建立

4．3．1 模型单元选取和接触关系

4．3．2 边界条件及加载方式

4．3．3 预应力的施加和二次加载

4．4 ABAQUS计算结果与试验结果比较

4．4．1 承载力分析

4．4．2 变形分析

4．4．3 CFRP布

4．5 加固柱承载力设计计算

4．5．1 基本假设

4．5．2 基本模型

4．5．3 承载力设计计算公式

4．6 加固设计方法及施工建议

4．6．1 加固方法及公式适用范围

4．6．2 构造措施

4．6．3 施工方法

4．7 本章小结

结论与展望

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

致谢

声明