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碳纤维布加固钢筋混凝土梁受力性能的研究

于天来  
【摘要】:随着国民经济的发展,交通运输任务量大幅度增长,行车密度及车辆载重越来越大,对桥梁的承载能力要求越来越高。而现有在役桥梁中,部分桥梁(特别是八十年代以前修建的桥梁)由于当初设计标准低,或结构陈旧老化,致使承载能力降低,已不能满足交通发展的需要,严重危及桥梁正常运行。此外,80年代后修建的桥梁由于设计或施工质量原因,亦有一部分桥梁出现不同程度的病害和损伤。因此,我国需加固改造的旧有桥梁的数量很大,任务繁重。在这种工程背景下,研究人员和工程师亟需研究开发一种快速、简捷、安全、可靠、经济、适用的旧有结构物加固改造方法。碳纤维材料作为一种新型复合材料,以其抗拉强度高、质量轻、耐腐性好、施工方便等优点,受到广大工程界人士的青睐。本文从2002年开始,对CFRP布加固钢筋混凝土梁的受力性能进行了较系统的试验研究和理论分析,共进行了16片抗弯梁、5片锚固梁、3片疲劳试验梁及3个温度试件的试验研究,研究内容包括CFRP布加固钢筋混凝土梁抗弯性能分析、刚度分析、附加锚固分析、温度应力分析及低温疲劳性能分析等。 本文通过碳纤维布加固钢筋混凝土梁与未加固梁的抗弯试验,分析了碳纤维布对加固梁的抗弯承载力、刚度、裂缝分布及钢筋应变等的影响;验证了CFRP布加固钢筋混凝土梁平面变形假设仍然成立;探讨了混凝土标号、碳纤维层数、配筋率等参数对加固效果的影响;根据非线性有限元原理采用分层法编制了碳纤维布加固钢筋混凝土梁极限承载力计算机仿真程序,并应用此程序对试验梁进行了仿真分析,在此基础上重点研究了碳纤维极限拉应变折减系数;对碳纤维布加固钢筋混凝土梁的极限破坏状态进行了分析,叙述了各种破坏状态下极限承载力的实用计算方法;采用《桥规》规定的材料强度取值,应用简化公式对试验梁及其他作者的试验梁进行计算,探讨了简化公式的安全储备。 本文在试验梁结果基础上,分析了碳纤维布加固钢筋混凝土梁截面刚度变化规律;参照结构设计原理中的钢筋混凝土梁刚度计算方法,考虑碳纤维布的约束作用,推导了使用阶段在短期荷载效应组合作用下加固梁刚度Bs的计算公式,并与试验值及其它计算方法进行了对比分析;利用分层法,编制了计算钢筋屈服至梁破坏阶段挠度计算的计算机仿真程序,并将程序计算结果与试验结果进行了对比分析。 本文分析了碳纤维布加固钢筋混凝土梁产生剥离的原因,并通过5片锚固梁的试验,分析了梁的破坏形态,探讨了U型箍条宽、间距等因素对碳纤维布加固梁抗剥离效果的影响。 本文通过3个温度试件的试验,分析了碳纤维布加固混凝土梁温度应力的变化规律;根据变形协调原理,推导了碳纤维布加固混凝土构件温度应力的解析解,并采用ANSYS软件对碳纤维布加固混凝土构件的温度应力进行了仿真分析。 本文利用低温自然环境,采用偏心起振机对试验梁施加疲劳荷载,通过低温疲劳试验分析了碳纤维布加固钢筋混凝土梁的低温疲劳性能。 最后,对论文的研究成果进行总结,指出本文的创新点及值得进一步研究的问题。


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