预张拉碳纤维布加固钢筋混凝土梁受弯性能研究

摘要

本文以预张拉碳纤维布加固后的钢筋混凝土梁为研究对象，在全面总结国内外现有张拉锚固技术的基础上，开发出一套预张拉碳纤维布加固梁的施工机具，提出了实用的张拉加固施工工艺。主要研究内容如下： ⑴采用开发出的张拉装置和施工工艺，对14根设计参数不同的梁实施了加固和静力加载试验。通过试验全面认识了加固梁的破坏过程和机理，分析了预应变、加固量和持荷等因素对构件受弯性能的影响。预应变的增加使碳纤维布工作应变大大提高，增大了碳纤维布与胶层粘结破坏时的荷载值，提高了碳纤维布断裂的极限应变，充分利用了其受拉强度。试验中预张拉碳纤维布加固梁破坏形式均是受拉钢筋屈服后，碳纤维布断裂，梁顶混凝土未压碎。在这一破坏模式下，随着碳纤维布预应变和加固量的增加，加固梁的承载力和刚度均增大；不同持荷水平对加固梁极限承载力并没有影响，但对刚度有减小的作用。试验中碳纤维布加固梁的裂缝间距比未加固梁要小，预压区的存在使预张拉碳纤维布加固梁在相同荷载值下裂缝宽度比非预张拉碳纤维布加固梁小。试验结果证实使用预张拉加固工艺能有效提高碳纤维布强度利用率，增强构件受力性能。另外试验中发现，有强锚固的预拉碳纤维布能使梁剪压区混凝土保持较大面积，显著提高抗剪承载力。 ⑵以试验数据为基础，根据预张拉碳纤维布加固梁的受力特点，使用Diana软件建立有限元模型，采用分阶段分析和单元生死技术，对梁受力的全过程进行模拟，构件的受力、变形和裂缝形态的计算结果与试验结果吻合较好。使用所建立的有限元方法，设计不同参数进行了数值模拟分析，了解了不同因素对构件受力性能的影响。其中受拉钢筋配筋量、混凝土强度、碳纤维布预应变和加固量的增加能显著提高构件承载力。计算中加固梁发生受拉钢筋屈服后梁顶混凝土压碎而碳纤维布未断裂的破坏模式时，持荷水平增大到一定程度会显著降低构件承载力；配筋率、碳纤维布预应变和加固量对构件刚度均有明显的增大作用，混凝土强度对构件刚度影响不大，持荷水平对构件刚度有减小的作用。有限元分析结果显示采用预张拉碳纤维布加固梁，能消除碳纤维布应变滞后现象，显著改善持荷给构件所带来的不利影响。 ⑶在对预张拉碳纤维布加固梁的破坏模式进行全面的总结后，对加固梁的受力全过程进行了分析，考虑碳纤维布预应变和构件上持荷水平的作用，推导出加固梁的开裂、屈服和极限承载力计算公式；用大量试验和有限元数据进行了验证；与其他计算方法进行比较后显示，所建立的方法计算过程简单，计算结果精度较好，偏于安全；随后提出相应的受弯承载力设计计算流程。 ⑷根据试验现象对加固梁的刚度和裂缝变化规律做出总结，采用普通混凝土理论，对处于正常使用阶段的构件刚度和裂缝进行解析。发现预张拉碳纤维布加固梁比采用非预张拉碳纤维布加固梁刚度要大，预应变越大刚度越大，能明显减弱持荷对构件刚度的减小作用；碳纤维布预应变对裂缝间距没有影响，但预拉力使钢筋应力减小从而使裂缝宽度减小。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1研究背景

1.2碳纤维布加固混凝土结构理论与技术研究现状

1.3预张拉碳纤维布加固混凝土结构理论与技术研究现状

1.3.1加固梁的受弯性能

1.3.2碳纤维布的预张拉方法

1.4主要研究工作

第2章预张拉碳纤维布加固钢筋混凝土梁试验研究

2.1试验内容与目的

2.2试件设计与制作

2.2.1构件设计

2.2.2张拉和锚固系统

2.2.3施工工艺

2.2.4材性试验

2.3试验结果

2.3.1构件破坏过程

2.3.2构件荷载-挠度关系

2.3.3碳纤维布荷载-应变关系

2.3.4跨中截面各位置荷载-应变关系

2.3.5跨中截面应变分布

2.3.6梁受弯段裂缝形态和平均裂缝间距

2.4试验结果分析

2.4.1关于预应力损失

2.4.2预拉应变对卸荷状态加固梁的受力性能影响

2.4.3碳纤维布加固量对卸荷状态加固梁的受力性能影响

2.4.4持荷水平对预张拉加固梁的受力性能影响

2.4.5极限状态下加固梁中碳纤维布断裂应变取值

2.5本章小结

附表

第3章预张拉碳纤维布加固钢筋混凝土梁单调加载受力过程的数值模拟分析

3.1概述

3.2有限元模型

3.2.1模型尺寸和网格划分

3.2.2单元类型

3.2.3材料本构模型及破坏准则

3.2.4加载工况和边界条件

3.2.5迭代方法和计算步长

3.3模拟结果与试验结果对比

3.3.1构件最终破坏裂缝形态、荷载-挠度和荷载-应变关系

3.3.2裂缝的发展变化图

3.3.3特征荷载及其相应挠度值比较分析

3.4有限元数值模拟试验分析

3.4.1数值模拟试验结构模型设计

3.4.2数值模拟试验结果分析

3.5本章小结

第4章预张拉碳纤维布加固钢筋混凝土梁抗弯承载力

4.1概述

4.2基本假定

4.3加固梁的破坏模式

4.4碳纤维布应变与梁底混凝土应变差值

4.4.1一次受力状态

4.4.2二次受力状态

4.5开裂和屈服荷载

4.6极限荷载

4.6.1超筋界限

4.6.2适筋界限

4.6.3适筋破坏

4.6.4碳纤维布断裂破坏

4.7承载力计算结果验证

4.8承载力计算方法比较

4.9建议设计方法

4.10本章小结

附表

第5章预张拉碳纤维布加固钢筋混凝土梁刚度和裂缝

5.1概述

5.2加固梁截面刚度变化过程

5.3截面刚度分析和计算

5.3.1开裂前弹性阶段

5.3.2开裂后至屈服阶段

5.3.3各参数取值

5.3.4试验数据验证

5.4裂缝分析和计算

5.4.1裂缝分类

5.4.2裂缝间距分析

5.4.3裂缝宽度分析

5.4.5试验数据验证

5.5本章小结

附表

第6章结论与展望

6.1结论

6.2研究工作展望

参考文献

个人简历及在读期间发表的学术论文及专利

致谢