CFRP布加固空心钢管柱稳定性参数化数值模拟研究

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，国外虽然有一些对CFRP加固轴心受压钢柱的稳定性能研究，但研究的试件多为短柱或者缩尺长柱，且尚未形成一套系统完整的理论。本文采用有限元模拟计算与足尺试验相结合的研究方法，探究CFRP布加固轴心受力钢管杆件性能的影响因素及其规律，并提出修正后的轴心受压钢构件稳定承载力计算公式。
　　作者对比并总结了国内外学者的大量研究成果后，确定以英国建筑工业研究与情报协会（CIRIA）编著的《Strengthening metallic structures using externallybondedfibre-reinforced polymers(使用外粘接纤维聚合物加固金属结构)》中提出的换算受压截面法计算公式为理论基础进行研究。本文提出了CFRP加固轴心受压钢构件极限稳定承载力理论计算公式;建立了“壳-弹簧-壳”Ansys有限元模型，通过与CFRP加固空心钢管长柱的轴压试验结果的对比，验证了模型的有效性;利用有效的模型进行参数化分析，探究了CFRP粘贴方向、CFRP粘贴层数、钢管初始缺陷、钢管长细比对CFRP加固轴心受压空心钢管长柱加固效果的影响;最后根据参数化分析的结果，对提出的CFRP轴心受压加固构件极限稳定承载力理论公式进行了修正。
　　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

声明

致谢

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景

1．2 国内外CFRP研究现状

1．2．1 碳纤维复合材料的研究概况

1．2．2 碳纤维增强复合材料的材料特性

1．2．3 碳纤维复合材料的应用概况

1．2．4 加固受压构件性能研究

1．3 钢结构加固现状

1．3．1 钢结构加固原因

1．3．2 钢结构加固的主要方法

1．3．3 传统钢结构加固方法的不足

1．3．4 碳纤维增强复合材料加固钢结构

1．4 本文研究的目的和主要内容

1．4．1 本文选题背景

1．4．2 研究目标

1．4．3 本文主要研究内容

第二章 轴心受压构件极限承载力理论分析

2．1 纯钢结构轴心受压构件的稳定承载力计算

2．2 CFRP加固后复合截面轴心受压构件的稳定承载力计算

2．3 本章小结

第三章 有限元模型的建立

3．1 非线性有限元理论

3．1．1 有限元法的基本思想

3．1．2 有限元法分析方法的特点

3．1．3 结构非线性问题

3．2 模型单元的选择

3．2．1 钢管和CFRP层

3．2．2 端板

3．2．3 胶层

3．3 模型网格划分

3．3．1 有限元网格划分的基本原则

3．3．2 有限元网格划分的通用方法

3．3．3 划分网格

3．4 约束条件

3．5 模型的建立及求解收敛控制

3．5．1 模型建立步骤

3．5．2 旋转节点坐标系

3．5．3 节点偏移生成胶层界面节点并施加约束方程

3．5．4 直接法生成胶层弹簧单元

3．5．5 端部耦合及约束的施加

3．5．6 初始缺陷的施加

3．5．7 求解收敛控制

3．6 本章小结

第四章 抗压试验有限元分析

4．1 参照试验概要

4．1．1 材料的本构关系

4．1．2 构件尺寸

4．1．3 参照试验分组

4．1．4 试件初始偏心

4．2 有限元模型的有效性分析

4．2．1 极限承载力分析

4．2．2 模拟试验试件的加载云图

4．2．3 荷载与柱中挠度关系分析

4．2．4 模型有效性分析结果

4．3 本章小结

第五章 无初始应力的碳纤维布加固钢管有限元参数分析

5．1 材料参数

5．2 试件编号

5．3 圆钢管参数分析

5．3．1 CFRP粘贴方向的影响

5．3．2 CFRP层数的影响

5．3．3 初弯曲的影响

5．3．4 长细比的影响

5．4 方钢管参数分析

5．4．1 CFRP粘贴方向的影响

5．4．2 CFRP层数的影响

5．4．3 初弯曲的影响

5．4．4 长细比的影响

5．5 极限承载力计算结果汇总

5．5．2 B组数据

5．5．3 C组数据

5．5．4 数据整理

5．6 本章小结

第六章 考虑初始应力的碳纤维布加固钢管极限承载力计算

6．1 研究背景

6．2 二次受力有限元模型建立

6．2．1 生死单元使用方法

6．3 二次受力加固构件有限元模拟

6．3．1 试件参数及编号

6．3．2 模拟试件的加载云图

6．3．3 有限元计算结果

6．4 极限承载力计算结果

6．5 本章小结

第七章 结论与展望

7．1 结论

7．2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间的学术活动及成果情况