预应力碳纤维板围箍加固古砖塔的力学性能研究

摘要

对现存的古塔进行抗震修复和抗震加固，是我国今后一段时期古建筑保护的重要工作。而在加固修缮古塔时引入碳纤维板材料，则属于典型古塔的文物保护与新材料推广应用的结合，是建筑遗产保护的发展方向。与钢板、碳纤维布相比，碳纤维板在古砖塔的修复加固工程中有着潜在的应用前景。本文针对古砖塔沿竖向开裂的震害特征和增强结构整体性的要求，提出了预应力碳纤维板围箍加固的工艺方法，采用自主研制的张拉锚固装置进行了六边形古砖塔缩尺模型的围箍加固试验研究，考察了张拉锚固装置和碳纤维板在不同预应力比下的工作性能、预应力沿碳纤维板和砌体中的分布规律，并重点探讨了碳纤维板在张紧状态下工作应力随时间的变化规律。另外为使围箍力更加均匀，提出了微曲张拉碳纤维板的新工艺，并利用模型试验和有限元模拟的方法验证了加设微曲垫板的合理性和必要性。具体工作包含以下内容:
　　(1)完成两项专利研究:①结合预应力碳纤维板围箍工艺的模型试验和实际工程要求，研制了预应力碳纤维板张拉锚固的一体化装置。该装置能有效地锚固碳纤维板，能完成碳纤维板的有效张拉，并在古塔上形成预应力围箍体系;②提出微曲张拉碳纤维板加固钢筋混凝土梁的方法，并将此改良方案利用于古砖塔模型试验，文章介绍了微曲混凝土垫板的设计方案，以及微曲张拉碳纤维板加固砌体的工艺实施方法。
　　(2)进行短期张拉试验研究:包括一端张拉围箍加固古砖塔的模型试验研究，和加设微曲垫板的两端张拉围箍加固的模型试验研究（其中微曲垫板分大小两组矢跨比），并将设计的张拉锚固一体化装置应用于模型试验。分别完成了10％、30％、50％预应力比下的碳纤维板张拉围箍和超张拉试验，考察了张拉锚固装置和碳纤维板在不同预应力比下的工作性能，检验了超张拉对克服摩擦的作用，并分析了预应力沿碳纤维板和砌体中的分布规律。同时对比分析了两种张拉方式的优缺点和作用，验证了微曲垫板对改善应力不均的作用和不同大小矢跨比垫板对改善局部应力的效果。
　　(3)进行长期张拉试验研究:在完成50％预应力比施加后，维持该预应力比进行长期持荷试验，分别对一端张拉不加设垫板、两端张拉小矢跨比垫板、两端张拉大矢高垫板三组试验碳纤维板和砌体上的应变变化进行跟踪采集，直至应变仪数据基本稳定后结束。探讨碳纤维板在张紧状态下工作应力随时间的变化规律、砌体受压应力随时间的变化规律，并对比三组试验在长期荷载下的差异情况。
　　(4)利用ANSYS分别进行了一端张拉围箍和两端张拉加设垫板围箍的模拟，验证了模型试验的可靠性和准确性，并对实际围箍加固进行指导。其中对砌体和碳纤维板的划分方法及砌体和碳纤维板之间摩擦单元设置进行了探索，可对类似围箍加固模拟提供一定的借鉴作用。
　　本文进行的短期张拉研究和长期张拉研究，通过三组试验的归纳和对比，系统地研究了应变沿碳纤维板和砌体中的分布规律和应变随时间的变化规律，可对类似的碳纤维板加固研究提供理论和实践上的参考;而研制的预应力碳纤维板张拉锚固的一体化装置和同时提出的微曲垫板的施工工艺和加固方法，两者无论加固砌体结构古建筑还是现代混凝土梁桥等受弯构件都具有很强的适用能力，因此在面广量大的加固工程领域将有着广阔的应用前景。

目录

摘要

符号说明

第1章 绪论

1．1 研究背景与意义

1．2 研究现状

1．2．1 古砖塔加固研究现状

1．2．2 碳纤维板加固研究现状

1．3 本论文研究内容

1．4 研究的特色及创新之处

第2章 预应力碳纤维板围箍加固一体化装置的研制

2．1 碳纤维板的工程应用特点

2．1．1 碳纤维板优点

2．1．2 碳纤维板缺点

2．2 碳纤维板锚具

2．2．1 普通夹片式锚具

2．2．2 楔形夹片式锚具

2．2．3 粘结型锚具

2．2．4 组合式锚具

2．3 现有碳纤维板张拉装置

2．4 预应力碳纤维板张拉锚固的一体化装置

2．4．1 背景技术

2．4．2 锚固装置

2．4．3 张拉装置

2．4．4 一体化装置特征

2．4．5 具体实施方法

2．5 本章小结

第3章 一端张拉围箍加固古砖塔的模型试验研究

3．1 试验目的

3．2 试验模型的制作

3．3 预应力碳纤维板围箍加固古砖塔的实施工艺

3．4 墙面编号与应变片布置方案

3．5 试验材料的基本力学性能

3．5．1 烧结普通砖

3．5．2 砂浆

3．5．3 碳纤维板

3．6 试验加载方案

3．7 试验方法和试验现象

3．7．1 试验方法

3．7．2 试验现象

3．8 模型加载试验结果分析

3．8．1 碳纤维板的水平向张拉应变

3．8．2 碳纤维板下砌体的水平向压应变

3．8．3 沿塔身竖向砌体的压应变分布

3．9 本章小结

第4章 微曲垫板两端张拉围箍加固古砖塔的模型试验研究

4．1 试验目的

4．2 微曲垫板加固法的介绍

4．3 微曲垫板的设计及施工工艺

4．3．1 微曲垫板的设计

4．3．2 微曲垫板的施工工艺

4．4 试验加载方案

4．5 试验方法和试验现象

4．5．1 试验方法

4．5．2 试验现象

4．6 小矢跨比垫板试验结果分析

4．6．1 碳纤维板的水平向张拉应变

4．6．2 碳纤维板下砌体的水平向压应变

4．6．3 沿塔身竖向砌体的压应变分布

4．7 大矢跨比垫板试验结果分析

4．7．1 碳纤维板的水平向张拉应变

4．7．2 碳纤维板下砌体的水平向压应变

4．7．3 沿塔身竖向砌体的压应变分布

4．8 本章小结

第5章 模型持载试验和长期应变状态研究

5．1 试验方法和试验现象

5．1．1 试验方法

5．1．2 试验现象

5．2 一端张拉持载下长期应变状态分析

5．2．1 碳纤维板水平张拉应变随时间的变化

5．2．2 碳纤维板下砌体水平压应变随时间的变化

5．3 小矢跨比垫板两端张拉持载下长期应变状态分析

5．3．1 碳纤维板水平张拉应变随时间的变化

5．3．2 碳纤维板下砌体水平压应变随时间的变化

5．4 大矢跨比垫板两端张拉持载下长期应变状态分析

5．4．1 碳纤维板水平张拉应变随时间的变化

5．4．2 碳纤维板下砌体水平压应变随时间的变化

5．5 本章小结

第6章 模型试验的有限元模拟分析

6．1 古砖塔模型的建立

6．2 有限元模拟分析方法

6．3 一端张拉围箍加固的模拟分析

6．3．1 碳纤维板上模拟情况

6．3．2 砌体上模拟情况

6．4 两端张拉加设小矢跨比垫板的模拟分析

6．4．1 碳纤维板上模拟情况

6．4．2 砌体上模拟情况

6．5 两端张拉加设大矢跨比垫板的模拟分析

6．5．1 碳纤维板上模拟情况

6．5．2 砌体上模拟情况

6．6 本章小结

第7章 结论与展望

7．1 主要研究结论

7．2 需进一步研究的问题

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的学术论文

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