智能CFRP加固钢筋混凝土梁安全测评及模糊随机可靠度研究

摘要

大型钢筋混凝土工程结构（如大坝、高层建筑等）使用期长，必然产生损伤积累和抗力衰减。一旦发生灾害事故，损失惊人，社会影响重大。对这类结构必须实时进行无损安全测评，适时进行高效加固修复。本研究将碳纤维复合材料（CFRP）与布拉格光栅光纤传感器（FBG）融合制成智能碳纤维复合材料，用其加固修复大型结构，既实现了材料性能集成—结构材料功能化智能化，又满足了无损检测要求。集先进加固修复技术与实时安全测评双重功能于一体，是实现重大设施可靠性安全性的重要保障。
　　本文主要研究内容包括以下几方面：
　　智能碳纤维复合材料工程应用基础试验研究：将布拉格光栅光纤传感器（FBG）固化于碳纤维复合材料（CFRP）中制成智能碳纤维复合材料。通过实验讨论埋入光纤与碳纤维复合材料的相容性，即光纤直径、涂层、排布方向及光纤埋入体积对CFRP力学性能的影响，CFRP对埋入光纤光导损耗的影响。建立监测对象实际应变与光纤传感器应变层间界面应变传递的统一模型，并推导其界面层应变传递统一公式，用于光纤应变传感的误差修正。根据FBG光纤传感器波长和应变传递关系，通过实验对FBG光栅光纤的传感特性进行验证。
　　制备9根RC试验梁，将FBG传感器与电阻应变片同时预置于实验梁内（受拉钢筋、压区混凝土及碳纤维复合材料中）。试验梁通过弯曲破坏试验比较布拉格光栅传感器与电阻应变片的测试结果。
　　针对CFRP加固钢筋混凝土（RC）梁发生正截面破坏和粘结剥离破坏工况，在试验基础上，得到不同破坏模式的承载力计算及实际应用修正方法，实验结果表明CFRP加固RC梁理论设计极限承载力经过修正后，与实际破坏荷载相比误差可控制在5％左右。完成CFRP加固RC梁CFRP加固截面积的优化设计，实现CFRP加固梁最小的情况下，加固RC梁极限承载力最大，同时该理论的限制条件也避免了RC梁发生早期破坏和非理想破坏。
　　根据布拉格光栅传感原理、钢筋混凝土理论和ANSYS有限元软件提出和编制了CFRP加固RC梁荷载效应实时测评理论和数值模拟程序。根据置入CFRP中FBG传感器实时监测到的光信号（波长）值，计算出RC梁诸项荷载效应（荷载、挠度、受拉钢筋和压区混凝土应变等）实时理论计算值和数值模拟值。因此，从已加固的CFRP中实时监测的应变值即可得到RC梁诸项荷载效应是否超出梁的结构抗力，即测评安全程度。集先进加固与安全测评等于一体，不仅使加固材料智能化，而且满足了无损检测要求。
　　根据结构可靠度理论，建立CFRP加固RC梁抗弯功能函数极限状态方程，通过16根CFRP加固RC梁的静载破坏实验，确定功能函数极限状态方程中各随机变量的均值与标准差；编制基于Matlab的改进一次二阶矩法（AFOSM）和Monte Carlo法可靠度模拟程序，对实验梁的可靠指标进行计算。最后，根据模糊数学和模糊可靠度计算理论，研编引入模糊示性函数的基于Monte Carlo法的模糊可靠度模拟程序，对CFRP加固RC梁的抗弯可靠度进行模拟。

目录

智能CFRP加固钢筋混凝土梁安全测评

RESEARCH ON SAFETY EVALUATION AND FUZZY-RANDOM RELIABILITY OF SMART CFRP-STRENGTHENED RC BEAMS

摘要

Abstract

第1章 绪 论

1.1 课题的背景及意义

1.2 碳纤维加固补强技术国内外研究与应用

1.3 光纤智能复合材料与结构

1.4 光纤光栅传感器研究和应用发展

1.5 结构可靠度的研究与进展

1.6 本文主要研究内容

第2章 埋入FBG光栅光纤的智能CFRP研究

2.1 引言

2.2 埋入光纤与CFRP的相容性研究

2.3 FBG光纤传感器应变传感的界面传递特性

2.4 埋入CFRP的FBG光纤传感器的应变传感研究

2.5 本章小结

第3章 智能CFRP加固RC梁荷载效应实验

3.1 引言

3.2 CFRP加固RC梁实验

3.3 实验结果分析与讨论

3.4 本章小结

第4章 CFRP加固RC梁优化设计及实时测评研究

4.1引言

4.2 粘结剥离破坏

4.3 CFRP加固RC梁承载力计算

4.4 CFRP加固RC梁优化设计

4.5 CFRP加固RC梁荷载效应实时测评

4.6 本章小结

第5章 智能CFRP加固RC梁荷载效应实时数值模拟

5.1引言

5.2 材料的本构关系

5.3 结构非线性有限元问题

5.4 单元选取

5.5 结果分析

5.6 本章小结

第6章 CFRP加固RC梁的模糊随机可靠度设计

6.1引言

6.2 结构可靠度理论

6.3 理论分析

6.4 改进FOSM法分析CFRP加固RC梁可靠度

6.5蒙特卡罗法分析CFRP加固RC梁抗弯可靠度

6.6 CFRP加固RC梁模糊随机可靠度分析

6.7 本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的学术论文

原创性声明

使用授权书

涉密论文管理

致谢

个人简历