预应力CFRP布加固混凝土梁的剥离承载力研究

【摘要】： FRP加固钢筋混凝土结构技术近年来得到迅速的发展和广泛的应用,国内外为此做了大量的试验和理论研究。总体来说,大多的研究都是在试验的基础上,对试验数据进行归纳、总结,对于不发生剥离破坏的FRP加固混凝土梁有比较成熟的分析理论,而对于预应力碳纤维布加固梁的剥离承载力这方面的研究较少。本文以国内近期所做的比较有代表性的八个试验为基础,通过ANSYS对非预应力和预应力CFRP布加固钢筋混凝土梁的剥离破坏进行数值模拟与理论分析,并与试验结果进行比较,验证有限元模型的合理性,分析研究了剥离破坏机理。希望本课题的研究对预应力CFRP布加固混凝土结构这项新技术在工程实践中的应用具有重要的理论意义和工程应用价值。本文研究的主要内容包括: 1.本文介绍了现有的混凝土结构加固方法,总结了非预应力和预应力CFRP布加固法的优缺点;结合已有的文献资料,概述了FRP受弯加固钢筋混凝土梁破坏模式,并详细描述了剥离破坏模式;总结了预应力CFRP布加固钢筋混凝土梁的国内外研究概况,阐明预应力CFRP布在工程结构加固中的重要性。 2.针对CFRP布各向异性,抗剪强度低、抗挤压刚度差,以及它自身对缺陷的敏感性等弱点,探索适合于CFRP布的夹持方法,开发出一套受力合理、操作简单、经济实用的适宜于夹持CFRP布的张拉夹具,并对张拉夹具的夹持能力进行初步的张拉试验研究。本文设计的新型CFRP布张拉夹具夹持CFRP布的方法与以往的CFRP布夹具不同,它为以后预应力碳纤维布加固系统的开发奠定了基础。 3.基于有限元分析理论,根据CFRP布加固梁的组成材料,分别叙述了混凝土、钢筋、碳纤维布和胶粘剂的材料属性,并分别选择ANSYS相应的单元类型,采用SOLID45单元来模拟CFRP布与混凝土表面之间的粘结滑移,建立有限元模型。 4.考虑CFRP布与混凝土表面之间的粘结滑移,利用ANSYS对文献[29]的普通CFRP布加固钢筋混凝土梁的剥离破坏模式进行数值模拟,分析了梁的荷载-挠度关系曲线,剥离时的胶层和碳纤维布的应力状态等,并把计算结果与试验结果进行了对比,模拟结果与试验结果吻合很好,证明有限元模型的合理性。 5.考虑CFRP布与混凝土表面之间的粘结滑移,利用ANSYS的降温法对碳纤维布施加预应力以及利用单元生死对文献[29]的预应力CFRP布加固混凝土的剥离破坏进行了数值模拟,分析了预应力碳纤维布加固梁的荷载-挠度关系曲线,剥离时的胶层和碳纤维布的应力状态等,并把计算结果与试验结果进行了对比,模拟结果与试验结果吻合很好,证明有限元模型的合理性,最后还比较了预应力加固法与非预应力加固法的补强加固效果及碳纤维布的利用率等的不同之处以及最佳预应力水平的估计。数值分析结果表明,对粘贴的CFRP布施加预应力以后,加固梁的剥离荷载有较大的提高,碳纤维布得到更充分的利用,改善构件的受力性能。 6.根据混凝土基本理论,在试验资料和本文有限元计算的基础上,对由跨内弯曲裂缝引起的界面剥离破坏过程及其内在机理进行了研究;结合已有的文献资料,总结并对比了现有的抗弯剥离承载力计算模型,并提出了预应力碳纤维布加固梁的最佳预应力水平。