考虑二次受力预应力CFRP布加固混凝土梁受弯性能研究

摘要

碳纤维增强材料(CFRP)作为一种新材料在混凝土结构加固领域中得到了广泛应用,尤其在非预应力CFRP布加固混凝土受弯构件方面,国内外学者已做了大量的试验和理论研究,我国已有CECS146:2003《碳纤维片材加固修复混凝土结构技术规程》,但是这种加固方法不能有效的减小梁的挠度变形和裂缝宽度,也不能承受原结构的初始荷载,抵消初始变形,无法充分发挥CFRP布的高强性能。对CFRP布施加预应力可以有效的解决上述问题,目前国内关于预应力CFRP布加固的研究大多限于试验研究,理论分析和数值模拟方面很少。本文进行了考虑构件二次受力情况下预应力CFRP布加固钢筋混凝土梁受弯性能的数值模拟与理论分析,主要的研究内容和结论如下：
　　1、基于平截面假定、无粘结滑移假定和无粘结剥离破坏假定,对文献中的三根预应力CFRP布加固钢筋混凝土试验梁运用ANSYS软件进行了数值模拟,在模拟计算中,采用升温法对CFRP布施加预应力以及利用单元生死实现梁的不卸载加固后的受弯性能研究,通过对比试验结果和有限元分析结果进行了误差分析,ANSYS计算值与试验值吻合较好,说明本文建立的非线性有限元模型可以较好地模拟预应力CFRP布加固钢筋混凝土梁的受弯过程,该计算方法可供实际加固工程没计参考。
　　2、在已有合理的数值模型基础上,研究参数包括CFRP布的加固量、预应力度、初始弯矩三个因素对加固效果的影响规律。研究结果表明：采用预应力CFRP布加固混凝土梁,CFRP布的高强度性能可以得到有效发挥和利用,改变构件的破坏模式,显著提高构件的极限承载力；与非预应力CFRP布加固法相比,预应力CFRP布加固混凝土梁可以延缓开裂,减小试件挠度和裂缝宽度,提高屈服荷载,从而满足构件正常使用极限状态的要求；提高CFRP布的加固量和预应力度均可使构件的受弯性能有所提高,但不是无限制的；初始弯矩的存在使构件的受弯性能有所降低,并且随着初始应力水平的增加,CFRP布加固作用的降低程度更加明显。
　　3、在现有相关试验研究的基础上,结合钢筋混凝土结构正截面承载力计算方法和现行《碳纤维片材加固混凝土结构技术规程》,对预应力CFRP布加固钢筋混凝土梁进行理论分析。提出了预应力CFRP布加固钢筋混凝上梁的正截而承载力理论计算公式,文献试验梁的理论计算值和试验值及ANSYS计算值可以较好地吻合,故该理论公式可供实际加固工程设计参考。

目录

摘要

Abstract

1 绪论

1.1 研究背景

1.2 国内外研究现状与文献综述

1.2.1 非预应力CFRP片材加固钢筋混凝土受弯构件

1.2.2 预应力CFRP片材加固钢筋混凝土受弯构件

1.2.3 CFRP布预应力施加方法

1.2.4 现有研究存在的不足

1.3 本文的研究目的和内容

1.3.1 本文的研究目的

1.3.2 本文的主要内容

2 钢筋混凝土构件非线性分析基本理论

2.1 非线性分析基本原理

2.1.1 几何非线性

2.1.2 材料非线性

2.2 有限元法简介

2.2.1 有限元法概述

2.2.2 有限元法分析问题的基本步骤

2.2.3 有限元的常用术语

2.3 ANSYS软件简介

2.3.1 ANSYS功能模块

2.3.2 结构分析模块简介

2.3.3 有限元模型的建立方式

2.3.4 混凝土破坏准则

3 预应力CFRP布加固混凝土梁非线性有限元分析

3.1 试验介绍

3.1.1 试验设计

3.1.2 材料性能

3.1.3 加载方案及试验量测内容

3.1.4 主要试验结果

3.2 ANSYS有限元模型的建立

3.2.1 有限元分析的基本假定和几点说明

3.2.2 材料本构关系

3.2.3 建立模型

3.2.4 单元类型选取与网格划分

3.2.5 数值计算方案简介

3.2.6 影响程序收敛的问题

3.2.7 CFRP布预应力的施加

3.2.8 荷载施加和初始弯矩的实现

3.3 数值计算结果分析

3.3.1 数值计算结果与试验结果对比分析

3.3.2 初始弯矩对梁抗弯承载力的影响

3.3.3 CFRP布用量对梁抗弯承载力的影响

3.3.4 预应力度对梁抗弯承载力的影响

3.4 本章小结

4 预应力CFRP布加固混凝土梁受弯性能理论分析

4.1 基本假定

4.2 加固梁的截面换算

4.3 预应力施加时梁的应力、应变分析

4.4 张放后梁的应力、应变分析

4.4.1 张放后梁的裂缝状况分析

4.4.2 放张后,CFRP布相对于钢筋和混凝土的超前滞后应变

4.4.3 加固梁的开裂弯矩

4.5 加固梁屈服弯矩的计算

4.6 加固梁极限承载力计算

4.6.1 破坏形式

4.6.2 界限破坏

4.6.3 抗弯极限承载力的计算

4.7 理论分析与试验结果对比

4.8 本章小结

5 结论与展望

5.1 结论

5.2 展望

致谢

参考文献

附录