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《同济大学》 2007年
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碳纤维加固混凝土梁试验与理论研究

陈永秀  
【摘要】: 碳纤维增强复合材料(Carbon Fiber Reinforced Polymer,下文简称CFRP)由于其轻质高强、耐腐蚀、耐疲劳等优越性能,近十几年来广泛应用于混凝土结构改造加固工程中。国内外对CFRP加固混凝土结构进行了很多研究。但是这些研究主要集中在对简支梁的研究上,对于连续梁的研究却很少,而实际建筑工程中广泛采用连续梁;CFRP用于加固混凝土梁正截面承载力时并不能充分发挥其高强的特性,对梁的开裂荷载和屈服荷载的提高有限,因此采用预应力CFRP是更为有效的方法。本文主要研究CFRP加固钢筋混凝土连续梁的弯矩重分布能力和预应力CFRP加固混凝土梁的施工工艺和受力特性。 进行了两组CFRP加固T形截面连续梁的试验,A组试件加固连续梁支座负弯矩,B组试件加固连续梁跨中正弯矩。试验主要考察了CFRP加固连续梁受力性能,包括试件破坏模式、承载力提高幅度、荷载作用下各材料的应变发展、弯矩重分布过程和在负弯矩区段翼缘粘贴CFRP的有效性,并对试验现象进行分析。 从未加固的钢筋混凝土连续梁的弯矩重分布机理入手,对CFRP加固钢筋混凝土连续梁弯矩重分布进行了理论研究。理论研究和试验均证实现行《钢筋混凝土连续梁和框架考虑内力重分布设计规程》(CECS 51:93)规定的受压区高度法用于CFRP加固钢筋混凝土连续梁是不适合的。采用塑性铰法对CFRP加固支座的两跨钢筋混凝土连续梁的弯矩调幅系数进行理论推导,得出影响弯矩重分布的主要因素为跨高比n、加固截面延性系数ξ_1、加固截面刚度提高系数δ和加固截面极限弯矩与屈服弯矩之比ω等。最后在合理简化的基础上提出可供工程实际应用的CFRP加固钢筋混凝土连续梁的弯矩调幅系数的计算方法。 对A组试件采用ANSYS有限元程序进行分析,分析与试验结果基本一致,主要考察连续梁的承载力和翼缘CFRP应力随距腹板距离的变化情况。对翼缘CFRP的拉应力向腹板传递机理进行分析,并提出了为保证翼缘和腹板间不产生纵向裂缝CFRP最大用量的计算公式。对本文所引用的试验采用ANSYS有限元程序进行分析,验证了本文提出的弯矩重分布实用计算方法的可信性。 国内外已有的预应力CFRP加固混凝土梁正截面承载力的施工工艺均为有粘结预应力施工工艺,其缺点是需要在CFRP张拉后粘贴CFRP,因此必须在张拉时留出粘贴CFRP的施工空间,而在张拉后又必须提升CFRP到加固构件的粘贴面,此过程必须在粘结剂固化前完成张拉和粘贴工作,因此导致CFRP预应力水平较低,而且在提升CFRP过程中应力损失较大。另外采用外部反力架法张拉CFRP时张拉设备都比较复杂,难于用于工程实践。为克服这些弱点,提出采用无粘结预应力CFRP的施工工艺,并给出了详细的工艺流程、工艺难点和特点、预应力损失的计算等。 无粘结预应力CFRP加固梁与有粘结预应力CFRP相比,其显著特点是由于CFRP除在锚固点保持与加固梁保持同步位移外,其始终保持一条直线,即截面上CFRP与混凝土梁应变不协调。该特点导致了无粘结预应力CFRP的应力增量比有粘结的要小,加固梁的变形会产生二次效应。应力增量可以采用力法、塑性铰法和变刚度法计算。是否忽略二次效应对正截面极限承载力有一定影响。通过计算实例,力法、塑性铰法和变刚度法分别计算的应力增量误差在20%左右,考虑二次效应的影响梁的极限承载力降低为7%左右,采用无粘结预应力CFRP比非预应力CFRP要节约50%的材料。 最后,关于进一步工作的方向进行了简要的讨论。
【学位授予单位】:同济大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2007
【分类号】:TU375.1

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