CFRP-钢组合板受压性能研究及在加固中的应用

摘要

碳纤维(CFRP)加固、修复工程结构是近年来热门研究课题之一，其应用日益广泛。目前，CFRP加固、修复混凝土结构、砌体结构已经有了比较系统的研究，但是在加固、修复钢结构方面尚显不足。本文对CFRP-钢组合板面内受压性能进行了系统的研究。
　　本文自行设计了可以进行组合板面内受压性能测试的实验装置和组合板试件，设计试验参数包括不同贴布方式、边界情况、试件宽厚比、长宽比，对36块CFRP-钢组合板受压性能进行了试验研究，观察了组合板的受力特点、破坏形态、极限承载力和荷载-挠度曲线等。试验结果表明:基体为较薄的钢板制作而成的CFRP-钢组合板，极限承载力提高很明显;无论哪种宽厚比、单双面贴布还是长宽比不同，三边简支时组合板极限承载力提高程度对于四边简支时大，尤其当宽厚比越大时，三边简支的组合板极限承载力提高越明显;长宽比对组合板的极限承载力影响不大。长宽比较大的组合板极限承载力略微增大，可以忽略不计。
　　对CFRP-钢组合板进行了有限元模拟分析。首先建立了考虑胶层的CFRP-钢组合板模型，胶层采用内聚单元模拟，将有限元数值模拟得到的极限承载力、破坏模式、荷载-挠度曲线分别与试验得到的极限承载力、破坏模式、荷载-挠度曲线进行对比，结果表明本文建立的有限元模型能够准确的模拟CFRP-钢组合板极限承载力、破坏模式、荷载-挠度曲线，具有良好的可靠性和适用性。再基于假定的等效应力应变曲线建立了组合板有限元模型进行了验证，该本构模型可以较为准确的模拟出组合板的极限承载力。基于有限元模型对影响CFRP-钢组合板参数进行了扩展分析。
　　最后结合有限元结果和数值模拟结果拟合出四边简支，三边简支一边自由时组合板变形能力的稳定曲线和承载力的稳定曲线，这些曲线大致能得出常见宽厚比范围内的三边简支一边自由和四边简支时CFRP-钢组合板的承载力;相对钢板的稳定曲线，组合板的极限承载力得到提高。再按照层合板理论，推导出CFRP-钢组合板的四边简支、三边简支一边自由时弹性屈曲荷载，分析这些公式可知碳纤维布对钢板弹性屈曲荷载的提高基本没有影响，并将公式运用在钢结构加固中的板件设计上。

目录

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摘要

英文摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景

1．2 国内外相关领域的研究现状

1．2．1 胶粘剂的研究现状

1．2．2 受弯构件的研究现状

1．2．3 受拉(压)构件的研究现状

1．2．4 疲劳加固的研究现状

1．2．5 FRP加固钢结构有限元模拟的研究现状

1．2．6 板件面内受压研究现状

1．2．7 研究中存在的问题

1．3 本文主要内容

第二章 CFRP-钢组合板面内受压性能试验设计

2．1 试件设计

2．2 试验装置设计

2．3 材性性能试验

2．3．1 钢板材性

2．3．2 组合板材性

2．3．3 CFRP和胶粘剂

2．4 CFRP粘贴工艺

2．5 测试方案

2．6 加载制度

2．7 本章小结

第三章 CFRP-钢组合板面内受压性能试验结果及分析

3．1 一般实验现象

3．2 破坏形态

3．3 极限承载力

3．4 荷载-挠度曲线

3．5 分析和讨论

3．5．1 钢板宽厚比对试验的影响

3．5．2 边界情况对试验的影响

3．5．3 长宽比情况对试验的影响

3．6 本章小结

第四章 CFRP-钢组合板面内受压性能数值研究

4．1 概述

4．2 内聚力单元

4．2．1 内聚力单元概况

4．2．2 内聚力单元的损伤起始准则

4．2．3 内聚力单元的损伤扩展准则

4．3 材料属性中破坏起始判据和扩展判据的定义

4．3．1 钢板材料属性及破坏准则

4．3．2 纤维层的材料属性及破坏准则

4．4 有限元模型的建立

4．4．1 钢板-胶层-碳纤维布有限元模型建立

4．4．2 CFRP-钢组合板拉伸模型

4．5 有限元分析和试验分析结果比较

4．5．1 破坏模式的对比

4．5．2 极限承载力的对比

4．5．3 荷载挠度曲线的对比

4．6 CFRP-钢组合板面内受压性能的参数分析

4．6．1 CFRP厚度的影响

4．6．2 板件长宽比的影响

4．6．3 组合板件初始弯曲的影响

4．7 CFRP-钢组合板等效应力应变曲线模型数值模拟验证

4．8 本章小结

第五章 CFRP-钢组合板面内受压性能的理论与应用

5．1 均匀受压组合板的变形及承载能力

5．1．1 四边简支板件

5．1．2 三边简支，一边自由板件

5．2 CFRP-钢组合板弹性屈曲公式

5．2．1 屈曲方程和边界条件

5．2．2 CFRP-钢组合板的弹性屈曲荷载

5．3 CFRP-钢组合板在加固构件中的应用

5．3．1 组合板弹性屈曲荷载公式的应用

5．3．2 组合板稳定曲线的应用

5．4 本章小结

第六章 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

在校发表论文

致谢