FRP带载约束加固混凝土柱力学性能有限元分析

摘要

\对现有结构进行加固与修复，可以充分发挥结构的潜力，满足结构不同使用功能的要求，同时能够带来巨大的经济效益和社会效益。纤维增强塑料（英文简称FRP）凭借其高强、轻质、耐腐蚀、抗疲劳、无磁性、施工便捷等诸多优点，已广泛应用于混凝土结构的加固和改造工程当中。针对FRP约束加固混凝土柱的力学性能，国内外学者进行了大量的试验研究和理论分析，结果表明其不仅可以提高混凝土的强度，而且能够改善混凝土柱的变形能力。随着计算机在结构工程分析中的广泛应用，有限单元法已经成为解决各种复杂结构问题的强有力武器。ABAQUS是一套功能十分强大的通用有限元分析软件，以非线性求解能力强而著称。本文在总结国内外对FRP约束混凝土柱研究成果的基础上，利用有限元软件ABAQUS对包括FRP带载加固在内的混凝土柱的轴压和推覆力学性能展开研究。
　　 基于现有的FRP约束混凝土柱轴心受压试验，通过ABAQUS建立相应的有限元分析模型，并将有限元计算结果与试验数据作比较，通过对比分析表明本文建立的分析模型可以较好的反映混凝土柱的轴压力学行为。在此基础上，分析了不同带载应力水平下配筋、混凝土强度、FRP约束刚度等因素对FRP约束混凝土柱承载力和变形曲线的影响。结果表明：带载加固柱的极限承载力和纵筋配筋率、体积配箍率近似成正比关系；随着负载应力水平的提高，约束效果逐渐降低；在较低负载水平下，其强度降低不足5％，变形能力仍可通过加大FRP约束刚度而改善；在较高负载水平下，加大FRP用量其极限强度的降低幅度并没有减小的趋势。
　　 基于FRP带载约束加固混凝土柱的推覆性能试验，利用有限元方法建立了相应的三维分析模型对试验进行全过程模拟，然后将计算结果与试验结果对比分析，同时利用规范公式对试件的承载力进行了计算，验证了模型的正确性与合理性。在此基础上，对推覆性能的主要影响因素如纵筋配筋率、纵筋屈服强度、体积配箍率、混凝土强度和FRP用量展开参数分析。结果表明：纵筋配筋率和纵筋屈服强度主要影响构件的水平承载力，对曲线的形状影响不大；体积配箍率主要影响P-△曲线的延性，配箍率越大，延性越好，但是其对水平承载力的影响不明显，随着配箍率的提高，承载力的改善非常有限；FRP用量的影响与体积配箍率相似；混凝土强度不仅影响混凝土柱的水平承载力，而且影响构件的延性，混凝土强度越高，承载力越大，延性越差；带载应力水平对P-△曲线的承载力和形状都有重要影响，随着带载应力水平的提高，水平承载力先提高后降低，转折点在0.45左右，而且带载应力水平越高，构件延性越差。
　　 在前文分析的基础上，对FRP条带约束加固和不同高度FRP全包加固混凝土柱做了相关的计算和比较分析，得出了如下结论：在FRP条带宽度确定的情况下，条带间距越大，加固效果越差，当达到一定间距后加固效果不再改变；在条带间距一定的情况下，条带宽度越大加固效果越好；FRP全包加固有效高度随着带载应力水平的提高而不断增加，实际加固中应考虑待加固柱实际的应力水平已决定有效经济的加固高度；条带加固从加固效果和FRP用量角度都逊于全包加固，建议实际加固工程中采用全包方式对混凝土柱进行加固。此外，对高带载应力水平下混凝土柱的加固方法做了简要的探讨，给出了加固建议。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 研究背景和意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 FRP约束混凝土柱的轴压性能

1.2.2 FRP约束混凝土柱的抗震性能

1.3 本文主要研究内容

第二章 FRP约束混凝土柱轴压性能分析

2.1 引言

2.2 ABAQUS软件介绍

2.3 ABAQUS中的混凝土塑性损伤模型

2.3.1 力学行为

2.3.2 流动法则和屈服函数

2.4 材料的本构模型

2.4.1 混凝土单轴应力应变模型

2.4.2 FRP的本构模型

2.4.3 钢筋的本构模型

2.5 有限元模型的建立

2.5.1 塑性的定义

2.5.2 模型与边界条件

2.5.3 离散化与单元选取

2.5.4 受力特点及分析

2.6 FRP直接约束柱对比

2.6.1 极限强度预测值与试验值对比

2.6.2 误差分析

2.7 FRP带载约束柱对比

2.7.1 带载加固柱有限元模型的建立

2.7.2 极限强度预测值与试验值对比

2.7.3 荷载-应变关系对比

2.8 参数分析

2.8.1 纵筋配筋率

2.8.2 体积配箍率

2.8.3 混凝土强度

2.8.4 FRP的约束刚度和带载应力水平

2.8.5 计算与现有模型比较

2.9 本章小结

第三章 FRP约束混凝土柱推覆性能分析

3.1 引言

3.2 有限元模型的建立

3.2.1 材料的本构关系

3.2.2 混凝土损伤的定义

3.2.3 单元类型

3.2.4 模型及边界条件

3.2.5 收敛调整

3.3 计算结果分析

3.3.1 应力和变形云图

3.3.2 混凝土开裂及损伤情况

3.4 计算结果与试验数据对比分

3.4.1 试验测点布置

3.4.2 未加固柱UD-P-000-0C对比

3.4.3 加固柱UD-P-000对比

3.4.4 加固柱UD-P-050-U对比

3.4.5 加固柱UD-P-100-U对比

3.4.6 带载加固柱UD-P-050-N对比

3.4.7 带载加固柱UD-P-100-N对比

3.4.8 带载加固柱UD-P-100-N-G对比

3.4.9 未加固柱UD-P-075-0C对比

3.5 承载力分析

3.5.1 约束混凝土计算模型

3.5.2 承载力计算

3.6 带载加固与直接加固对比分析

3.7 参数分析

3.7.1 纵筋配筋率

3.7.2 纵筋屈服强度

3.7.3 体积配箍率

3.7.4 混凝土抗压强度

3.7.5 FRP用量

3.7.6 带载应力水平

3.8 本章小结

第四章 FRP约束混凝土柱方法比较与分析

4.1 引言

4.2 有限元模型

4.3 FRP加固方式的比较与分析

4.3.1 低带载水平

4.3.2 中带载水平

4.3.3 高带载水平

4.3.4 不同带载水平下加固高度比较

4.3.5 条带加固比较

4.3.6 全包与条带加固比较

4.4 高带载水平下的加固探讨

4.4.1 加固策略

4.5 本章小结

结论

参考文献

附录A 符号变量表

附录B 试验数据

攻读硕士学位期间发表的学术论文

致谢