CFRP-钢组合板受压性能研究及在加固中的应用

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碳纤维(CFRP)加固、修复工程结构是近年来热门研究课题之一,其应用日益广泛。目前,CFRP加固、修复混凝土结构、砌体结构已经有了比较系统的研究,但是在加固、修复钢结构方面尚显不足。本文对CFRP-钢组合板面内受压性能进行了系统的研究。本文自行设计了可以进行组合板面内受压性能测试的实验装置和组合板试件,设计试验参数包括不同贴布方式、边界情况、试件宽厚比、长宽比,对36块CFRP-钢组合板受压性能进行了试验研究,观察了组合板的受力特点、破坏形态、极限承载力和荷载-挠度曲线等。试验结果表明:基体为较薄的钢板制作而成的CFRP-钢组合板,极限承载力提高很明显;无论哪种宽厚比、单双面贴布还是长宽比不同,三边简支时组合板极限承载力提高程度对于四边简支时大,尤其当宽厚比越大时,三边简支的组合板极限承载力提高越明显;长宽比对组合板的极限承载力影响不大。长宽比较大的组合板极限承载力略微增大,可以忽略不计。对CFRP-钢组合板进行了有限元模拟分析。首先建立了考虑胶层的CFRP-钢组合板模型,胶层采用内聚单元模拟,将有限元数值模拟得到的极限承载力、破坏模式、荷载-挠度曲线分别与试验得到的极限承载力、破坏模式、荷载-挠度曲线进行对比,结果表明本文建立的有限元模型能够准确的模拟CFRP-钢组合板极限承载力、破坏模式、荷载-挠度曲线,具有良好的可靠性和适用性。再基于假定的等效应力应变曲线建立了组合板有限元模型进行了验证,该本构模型可以较为准确的模拟出组合板的极限承载力。基于有限元模型对影响CFRP-钢组合板参数进行了扩展分析。最后结合有限元结果和数值模拟结果拟合出四边简支,三边简支一边自由时组合板变形能力的稳定曲线和承载力的稳定曲线,这些曲线大致能得出常见宽厚比范围内的三边简支一边自由和四边简支时CFRP-钢组合板的承载力;相对钢板的稳定曲线,组合板的极限承载力得到提高。再按照层合板理论,推导出CFRP-钢组合板的四边简支、三边简支一边自由时弹性屈曲荷载,分析这些公式可知碳纤维布对钢板弹性屈曲荷载的提高基本没有影响,并将公式运用在钢结构加固中的板件设计上。
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