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FRP加固钢筋混凝土梁/板的逐渐破坏和承载能力研究

栗青  
【摘要】: 钢筋混凝土结构在应用中由于种种原因常常出现承载能力不足的问题。为了提高承载能力,在许多情况下对原有结构进行加固比新建更加合理,如果采用简便可靠的加固方法将会十分有效。因此,用纤维增强塑料(Fiber-reinforced plastic/polymer, FRP)加固混凝土结构的方法得到了广泛应用,同时进行了大量研究。FRP加固混凝土结构承载能力的提高,取决于纤维布的粘接强度,所以除试验之外,有必要用适当的分析模型和数值方法,深入研究粘接层的破坏、粘接层对于FRP加固混凝土结构承载能力的影响和作用机理以及提高加固效果的途径。为此,本文基于高阶剪切模型建立相应的FRP混凝土单元和程序,用非线性有限元法分析FRP受弯加固钢筋混凝土梁和板的承载能力、失效过程和纤维增强及预应力的影响,并进行了FRP粘接特性试验。主要工作如下: (1)用FRP与混凝土的粘接层(称为胶层)模拟粘接剪切效应和失效行为,在胶层只受横向剪切,纤维布只受薄膜应力和经典梁、板假设下,参考Rabinovitch等人关于梁的研究,提出了一个简化的高阶剪切FRP加固钢筋混凝土板模型,根据这一模型建立了虚功形式的控制方程及有限元增量表达式。 (2)基于上述模型,采用改进的Darwin-Pecknold混凝土非线性本构关系,建立了一个四结点28个自由度FRP加固混凝土矩形板单元。如果采用单向应力本构关系,该单元也适用于梁。将梁和板分为若干层,以模拟沿厚度的破坏情况。 利用该单元编写了FRP加固混凝土梁的非线性分析有限元程序(Fortran,约4800条),并用于FRP加固混凝土梁的破坏过程和承载能力分析。算例表明,混凝土梁下表面中部受拉区在较低载荷下首先破坏,引起FRP的跨中分层,并向端部扩展,另一方面端部胶层剪切破坏产生的FRP端部分层,两者汇合,使FRP剥离失效和梁总体破坏,这一过程是FRP加固梁的主要破坏形式。计算结果与已有的试验结果符合很好,比Rabinovitch等人的解精度更高。讨论了粘接特性、FRP厚度和梁的初始破坏程度等参数的影响。 (3)对于FRP加固纤维增强混凝土梁进行承载能力有限元分析,结果表明,三种纤维分布方式下,与普通FRP混凝土梁比较,承载能力均有较大提高,讨论了纤维增强与FRP的相互作用,及添加纤维位置的影响。 (4)对于预应力FRP加固混凝土梁的承载能力分析表明,预应力可以有效地改善粘结区混凝土的受拉破坏行为,降低胶层应力,推迟破坏,提高加固效果。 (5)目前有关FRP加固混凝土板的研究,无论是试验研究、理论分析还是数值模拟都很少。本文采用高阶剪切模型和自编有限元程序,分析了FRP加固混凝土板的逐渐破坏过程和承载能力,对于Darwin-Pecknold本构关系在用于接近单向受压状态时出现的问题加以改进。计算结果与Liman等人的FRP加固板的试验结果符合良好,进一步证明本文模型和方法对于分析FRP加固混凝土板的有效性。算例表明,经过FRP修补的双向混凝土板的承载能力可以提高114%(与FRP和板的参数有关),与梁相比,板的FRP粘接不易破坏。讨论了粘接层的破坏特点及粘接层尺寸参数的影响。 (6)对三种FRP粘接混凝土试件进行剪切试验。试验表明了粘接破坏过程和机理,给出界面最大平均剪应力的估计值,发现纤维增强的混凝土界面抗剪性能可以提高15~27%。


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