混杂纤维布加固RC梁界面应力分析

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由于碳纤维布CFS本身具有延伸率低,固化后发脆、易折断等缺点,其脆性性能限制了构件应力的重分布,本文采用高强CFS与高延伸率玻璃纤维布GFS组成的混杂FRP(HFRP)对RC梁进行加固;另一方面为了有效地提高混凝土-FRP界面的传力能力,推迟裂缝的扩展,减小裂缝宽度和结构的挠度,解决纤维材料弹性模量相对较低无法发挥其高强度特性的矛盾,本文对施加预应力纤维布RC梁界面进行了数值分析。 由于混杂加固目前研究涉及较少,尤其是其界面行为和早期剥离破坏等关键力学问题。本文在试验和理论分析的基础上主要对混杂加固构件界面端部力学性能进行了数值分析,包括数值参数化分析,胶层界面空鼓模型分析,混凝土多裂缝模型分析,预张应力下含缺陷模型分析以及随机细观力学界面分析模型。论文主要的工作内容及结论如下: (1)通过对两种混杂纤维布(CFS-GFS、CFS-AFS)加固RC梁进行试验研究与非线性有限元分析,结果表明混杂加固在提高RC梁极限承载力和抗弯刚度的同时,可以有效改善其构件延性。当混凝土掺入0.1%聚丙烯纤维与0.9%钢纤维时,可以起到抑制开裂及改善裂缝形态的作用; (2)基于Rboerts解法与张福范双重三角级数和最小余能原理解法,通过等效刚度概念对解析解进行修正,使得界面应力解可以考虑纵向钢筋的影响。建立非线性混杂加固界面有限元模型与之比较,吻合较好。并进行了非线性界面参数分析,分别对载荷大小、胶层弹性模量、胶层厚度、纤维布宽度及纤维布长度进行分析。同时对8种不同形式纤维布加固界面应力进行了数值分析; (3)论文提出建立胶层界面空鼓缺陷分析新模型,模型胶层本构基于Monti双线性粘结滑移关系。研究由于空气未挤压净或混凝土疏松颗粒等产生的胶层缺陷引起的界面面内剥离及混凝土薄层剥离破坏的力学机理。分别对空鼓尺寸、空鼓位置以及空鼓数量三组界面模型进行了数值分析; (4)在研究胶层空鼓缺陷的基础上,建立了含空鼓预应力界面力学模型,分析了空鼓大小及位置对预应力混杂加固界面关键应力的分布影响。研究结果表明与未施加预应力相比预应力可以有效的减小胶层空鼓缺陷对混凝土开裂和剥离的影响; (5)通过奇异场应力分析,建立以Goursat应力函数为基础的三种不同位置奇异点应力场函数,求解奇异点特征方程。并在界面端部附近预设混凝土竖向短裂缝,建立界面端部数值分析模型。分别研究裂缝大小、裂缝位置及裂缝数量对界面力学性能的影响; (6)采用随机集料模型,建立基于瓦拉文公式的两维随机集料分布模型。细观模型中采用富勒曲线来确定不同粒径颗粒的比例。提出一种简单、快捷、高效干涉判断方法:交线方法(Intersect Line),该方法不仅对随机凸多边形骨料生成有效,而且对含凹面的随机多边形骨料也是可行的; (7)在细观力学基础上将损伤力学和计算力学相结合,将混凝土作为由骨料、砂浆及其二者之间的界面层所组成的三相复合材料,通过定义各组分材料的损伤本构,建立局部细观HFRP加固界面力学分析模型,研究HFRP加固构件裂纹扩展及破坏形态,直观的反映出界面端部附近混凝土材料的变形、损伤和破坏过程。
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