CFRP板加固钢梁刚度及界面性能试验研究

摘要

碳纤维复合材料(CFRP)加固钢结构技术作为一种具有独特优势的加固方法，近年来成为国内外学者研究的热点。目前，关于加固后复合钢梁刚度和胶层界面应力计算方法的研究较多，但普遍未考虑结构初始应力作用，且使用的刚度计算公式忽略了CFRP板与钢梁之间粘结滑移的影响，界面应力公式形式也较复杂。本文通过试验研究与有限元软件分析，对现有的计算公式进行了修正，为工程应用提供了理论基础。　　本文在对比和总结国内外学者的大量研究成果后，确定以英国土木工程师协会(ICE)推行的设计手册《FRP composites Life extension and strengthening ofmetallic structures》中提出的复合钢梁刚度计算公式和英国建筑工业研究与情报协会(CIRIA)推行的设计手册《Strengthening metallic structures using externallybonded fibre-reinforced polymers》中提出的界面应力计算公式为理论基础进行研究，分别进行了单面连接剪切试验研究、考虑初始应力影响下CFRP板加固钢梁抗弯静载试验研究。根据试验结果，考虑CFRP板与钢梁之间粘结滑移的影响，对ICE提出的刚度计算公式进行了修正;并对CIRIA提出的界面应力计算公式进行验证。最后，利用ANSYS有限元分析软件对抗弯静载试验进行了数值模拟分析。　　本课题为国家标准“钢结构加固设计规范”资助课题，本文的研究成果为编制该标准提供理论与试验依据。

目录

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致谢

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景

1．2 国内外的研究现状

1．2．1 CFRP板加固混凝土结构的研究现状

1．2．2 CFRP板加固钢结构的研究现状

1．3 CFRP材料的特点及优势

1．4 界面胶结材料的性能及特点

1．5 本文研究的目的及内容安排

第二章 界面粘结性能基本理论与试验研究

2．1 基本粘结机理相关理论

2．1．1 CFRP与钢结构构件之间的粘结机理

2．1．2 钢材与粘结剂之间的粘结过程

2．1．3 钢材与粘结剂之间粘结力的来源

2．1．4 影响钢材与粘结剂之间粘结力的因素

2．1．5 CFRP加固钢结构后的破坏模式

2．1．6 CFRP加固结构粘结前界面处理与构造措施研究

2．2 拉伸剪切试验计算胶层容许主应力基本理论

2．2．1 单面粘结剪切试验

2．2．2 双面粘结剪切试验

2．3 胶层实际主应力理论计算基本理论

2．3．1 计算胶层最大剪应力τmax

2．3．2 计算胶层最大剥离应力σmax

2．3．3 几种减小胶层实际主应力σ的方法

2．4 单面连接剪切试验

2．4．1 实验目的

2．4．2 试件设计

2．4．3 试验设计方案

2．4．4 试验前的注意事项

2．4．5 试验加载过程

2．4．6 试验结果

2．4．7 粘结剂容许主应力理论计算

2．5 本章小结

第三章 CFRP板加固受弯钢梁刚度理论研究

3．1 一些基本参数的定义及推导

3．2 CFRP板加固钢梁后的挠度推导

3．2．1 不考虑初始应力下CFRP板加固受弯钢梁挠度

3．2．2 考虑初始应力下CFRP板加固受弯钢梁挠度

3．3 本章小结

第四章 CFRP板加固受弯钢梁刚度及界面性能试验研究

4．1 实验前的准备

4．1．1 试验所用的仪器设备

4．1．2 仪器设备的标定

4．1．3 材料性能

4．2 试验方案

4．2．1 试验的目的

4．2．2 试件的设计与加工

4．2．3 试验测试的内容

4．2．4 试验的特征荷载

4．2．5 试验应变片布置

4．2．6 试验过程中的注意事项

4．3 试验的过程及现象的描述

4．3．1 试验现象

4．3．2 试验结果

4．4 试验结果分析

4．4．1 荷载-挠度分析

4．4．2 剥离破坏分析

4．5 本章小结

第五章 CFRP板加固受弯钢梁刚度及界面性能有限元模拟分析

5．1 ANSYS分析模型的建立

5．1．1 基本假定

5．1．2 材料属性

5．1．3 单元类型的选取

5．1．4 约束方程

5．1．5 网格的划分

5．1．6 加载及求解

5．2 ANSYS数值模拟结果与试验结果的对比

5．2．1 跨中荷载-挠度曲线分析

5．2．2 界面应力分析

5．3 本章小结

第六章 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间的学术活动及成果情况