碳纤维加固钢筋混凝土梁正截面承载力计算和有限元分析

摘要

对现有及受损结构进行加固和修复是结构工程师所面临的主要问题之一.近年来,碳纤维增强聚合物(CFRP)加固钢筋混凝土结构作为一种新兴而高效的方法,受到越来越多的重视并被广泛应用.与传统的结构加固方法相比,它具有强度高、重量轻、耐腐蚀等优点,并且施工快捷,不影响原结构的使用,因此有极其广泛的应用前景. 本文对CFRP抗弯加固梁的设计理论进行了研究,并对加固梁进行了非线性有限元分析.主要工作如下: 首先,结合前人的试验资料,对碳纤维加固材料的力学性能进行了分析和总结,并对CFRP抗弯加固梁的破坏机理和影响CFRP抗弯加固效果的一些主要因素进行了分析. 其次,通过分析国内外CFRP加固钢筋混凝土梁的研究现状,根据我国现行《混凝土结构设计规范》(GB50010-2002),提出了考虑二次受力情况下碳纤维加固钢筋混凝土梁抗弯承载力的计算方法.同时还推导了CFRP加固梁粘结破坏承载力的计算公式,并对影响粘结破坏承载力的主要因素进行了分析. 最后,利用有限元分析软件ANSYS,对CFRP加固钢筋混凝土梁的抗弯性能进行了数值模拟分析.文中数值模拟的结果与试验结果比较吻合,表明本文提出的数值模拟研究的理论及方法是正确韵,可以用于工程设计计算和作为模型试验的参考.

目录

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第一章绪论

1.1钢筋混凝土结构加固研究的意义

1.2钢筋混凝土结构加固方法简介

1.3 CFRP加固钢筋混凝土结构的主要技术优点

1.4 CFRP加固技术研究和应用概况

1.5本文研究的主要内容

第二章碳纤维加固材料及钢筋混凝土抗弯加固梁特性分析

2.1碳纤维增强聚合物简介

2.1.1碳纤维增强聚合物简介

2.1.2碳纤维材料的分类

2.2碳纤维加固材料的主要性能

2.2.1碳纤维材料的主要性能

2.2.2粘结材料的主要性能

2.3 CFRP抗弯加固梁的力学特性

2.3.1 CFRP加固机理

2.3.2 CFRP抗弯加固试验方案

2.3.3 CFRP加固梁的主要力学特性

2.3.4 CFRP抗弯加固梁破坏形态及其破坏机理分析

2.4小结

第三章CFRP加固钢筋混凝土梁正截面承载力计算

3.1 CFRP加固混凝土梁的工作原理

3.2 CFRP加固梁正截面承载力计算

3.2.1基本假定

3.2.2材料本构关系

3.2.3破坏形态

3.2.4 CFRP加固梁的极限状态

3.2.5正截面抗弯承载力计算

3.2.6抗弯承载力计算公式验证

3.3粘结破坏的承载力计算

3.3.1最大粘结剪应力和正应力的计算

3.3.2端部弯矩的调整

3.3.3粘结破坏承载力计算

3.3.4粘结破坏承载力计算公式验证

3.4小结

第四章CFRP加固钢筋混凝土结构非线性有限元分析方法

4.1结构非线性问题

4.2单元类型及其联结

4.2.1钢筋混凝土单元

4.2.2 CFRP单元

4.2.3钢板单元

4.2.4单元之间的联结

4.3材料属性

4.3.1混凝土

4.3.2钢筋

4.3.3 CFRP

4.3.4钢板

4.4单元开裂和屈服后的处理

4.4.1混凝土单元开裂或破坏后的处理

4.4.2钢筋单元屈服后的处理

4.4.3 CFRP壳单元的破坏处理

4.5材料非线性问题求解

4.5.1求解非线性方程组的增量法和迭代法

4.5.2平衡迭代的收敛标准

4.5.3非线性求解的平衡迭代过程

4.5.4模型破坏的定义和时间步大小

4.6非线性有限元分析步骤

4.7小结

第五章CFRP加固钢筋混凝土梁有限元结果分析

5.1分析对象简介

5.1.1试验模型

5.1.2有限元分析模型

5.1.3有限元分析结果

5.2结果分析

5.2.1荷载—应变曲线

5.2.2荷载—挠度曲线

5.2.3混凝土开裂模式和裂缝分析

5.2.4混凝土的破坏荷载

5.3小结

第六章总结和展望

6.1总结

6.2展望

参考文献

发表论文和科研情况说明

致谢