纤维增强聚合物布加固简支木柱的稳定性

考虑加固层中纤维增强聚合物布(FRP布)拉伸与压缩时的双模量性质,基于考虑FRP加固木柱弯曲变形二阶效应的控制方程,研究了轴向压力作用下FRP布加固简支木柱中间部分的稳定性问题,计算了临界载荷的精确值,给出了基于能量法的临界载荷近似表达式,并考察了近似临界载荷与精确临界荷载的误差.数值结果表明:随着FRP布加固层厚度和长度的增加,FRP布加固简支木柱的临界载荷增加;当FRP布加固层长度比例δ=0.7～1.0时,FRP布加固木柱的临界荷载变化较小;而当加固层长度比例δ＜0.7时,增加比例δ可显著提高FRP布加固木柱的临界载荷.因此,为节省FRP材料,并得到较好的加固效应,应重点加固木柱的中间部位.另外,对于工程中的FRP布加固木柱,近似临界载荷与精确临界荷载的误差小于5％,所得近似临界载荷表达式具有一定的工程实用价值.     

THE FAILURE MODES OF CONCRETE BEAMS STRENGTHENED WITH NEAR SURFACE MOUNTED FRP BARS

为研究不同参数下表面内嵌纤维筋加固后T 形混凝土梁的破坏模式, 对5 根不同梁端锚固、FRP(fiber reinforced polymer) 筋表面特征和FRP 筋类型的T 形混凝土梁进行受弯性能试验. 结果表明, 无梁端锚固、光圆GFRP (glass fiber reinforced polymer) 筋和CFRP (carbon fiber reinforced polymer) 筋加固梁试件发生粘结破坏. 梁端锚固和FRP 筋表面特征影响加固梁试件的极限载荷, CFRP 筋加固梁试件的屈服载荷和极限载荷较大. 螺纹FRP 筋和有梁端锚固加固梁试件FRP 筋利用率较高. 因此, 有梁端锚固的表面内嵌螺纹GFRP 筋加固是最为有效的加固方式.     

FRP加固梁的FRP-混凝土界面脱胶分析

为了研究纤维增强聚合物(fiber reinforced polymer, FRP) 加固梁的FRP-混凝土界面脱胶破坏过程,本文将混凝土梁和FRP 板均视为线弹性的欧拉-伯努利梁(Euler-Bernoulli beams), 且两者通过粘结层胶结在一起. 对于FRP-混凝土结构,有两种形式的脱胶破坏：板端脱胶破坏和跨中裂缝导致的脱胶破坏.对于FRP-混凝土梁,利用合理的粘结模型按第2 种脱胶失效形式,详细讨论了FRP-混凝土界面的脱胶过程,得到了不同阶段的胶结滑移、界面剪应力和FRP 轴向力的解析解. 实验研究验证了理论分析的结果,参数研究进一步探讨了胶结长度和粘结层厚度对于FRP-混凝土界面脱胶行为的影响.     

FRP-混凝土界面剥离破坏过程并行数值模拟

FRP-混凝土界面粘结性能和抗拉裂能力是外贴FRP片材加固混凝土结构技术的关键问题。基于FRP与混凝土界面面内剪切试验的结果,采用材料真实破裂过程三维并行分析(RFPA3D-Parallel)系统,对FRP-混凝土界面的粘结性能进行了三维并行数值模拟研究。数值试验再现了FRP-混凝土构件的三维破裂过程演化过程,清晰地反映了拉伸载荷作用下FRP-混凝土构件界面剥离破坏的规律,FRP-混凝土界面剥离破坏是一个细观损伤不断产生和宏观裂缝形成的渐进过程,可通过监测FRP-混凝土结构损伤演化过程的声发射来揭示FRP-混凝土结构在外载荷作用下的损伤程度。FRP片材在加载过程中的变形剥离破坏过程大致可以划分为四个阶段：(1)弹性变形阶段;(2)弹性软化阶段;(3)弹性软化剥离阶段;(4)软化剥离阶段。本文的数值计算表明RFPA3D-Parallel并行数值模拟方法为FRP片材-混凝土界面剥离破坏过程和机理研究提供了一个很好的途径,同时也为研究FRP-混凝土工程结构等的损伤断裂机理提供了一个新的分析手段,这对于土木建筑工程中FRP-混凝土结构的工程设计施工、损伤断裂控制及混凝土结构加固等研究无疑具有重要的理论指导和实践意义。     

CFRP-混凝土界面粘结的疲劳性能试验研究

外贴FRP是重要的混凝土结构加固技术,但目前对外贴FRP加固混凝土结构的疲劳性能研究尚不充分,尤其对FRP-混凝土粘结界面的疲劳退化规律和破坏模式的研究更为缺乏。本文采用双面剪切试件,通过2个静载试件和4个疲劳试件的试验研究,考察了粘结长度和胶层厚度等因素对FRP-混凝土界面粘结疲劳性能的影响。通过分析沿粘结长度的FRP应变分布在疲劳循环过程中和疲劳后静载过程中的变化情况,讨论了不同粘结长度和粘结胶层厚度条件下的粘结界面疲劳退化规律和疲劳后静载性能。试验结果表明:胶层树脂-混凝土粘结界面是发生疲劳剥离破坏的薄弱环节;胶层厚度增大时,由于疲劳引起的界面损伤累积发展显著减小,疲劳后静载中胶层厚度较大试件的粘结承载力也更大;粘结长度增大时,界面粘结呈现更为明显的损伤退化,但由于试验粘结长度小于有效粘结长度,疲劳后的静粘结承载力仍更大。     

FRP约束钢管混凝土柱轴力-弯矩相关关系研究

为了建立FRP(Fiber Reinforced Polymer)约束钢管混凝土压弯构件轴力-弯矩相关关系曲线,分析组合结构中各组份对柱体压弯性能的影响,建立了FRP约束钢管混凝土截面分析计算模型,考虑不同FPR-钢复合约束程度和荷载偏心率对混凝土本构的影响。与现有CFRP(Carbon Fiber Reinforced Polymer)-钢管混凝土压弯试验结果对比,验证了模型的合理性。对模型开展参数分析,结果表明,FRP约束混凝土压弯性能主要受环向FRP影响,环向FRP层数的增加在提高柱体轴压承载力的同时可有效降低其界限偏心率,提高大偏心状态下柱体的轴压比;纵向FRP层数仅会影响柱体承载力,对其界限偏心率及大偏心受压状态下的轴压比影响不显著;随着环向FRP约束程度的提高,柱体对P-Δ效应的敏感性增强。     

FRP约束混凝土快速荷载下应力应变关系初探

在四种不同约束比下FRP(fiberreinforcesplastic)约束混凝土柱静力性能试验的基础上,选定一种约束比,进行了FRP约束混凝土柱在三种应变速率下的快速加载试验,研究其在快速荷载下的力学行为。结果表明,FRP约束混凝土在快速荷载作用下,其强度与极限应变随应变速率的增加而增大并与对数应变速率成较好的线性关系,其应变速率敏感性远高于无约束混凝土,且应力应变关系曲线大致呈一条平滑曲线。根据试验结果拟合了FRP约束混凝土在快速荷载下强度与极限应变的经验公式,并对其应力应变关系进行了初步探索。     

双材料界面断裂力学模型与实验方法

纤维增强聚合物(FRP)质轻、高强, 可提高结构的刚度、强度、抗震性能和耐久性, 近年来在结构加固及工程改造中得到广泛应用. FRP与传统复合材料之间形成双材料黏结界面, 界面断裂特性是决定双材料结构性能的关键因素. 对双材料界面裂纹尖端应力场理论、界面裂纹模型、黏结界面I型、II型及混合型断裂试验及理论研究现状进行综合评述和分析. 界面模型主要有经典梁/板理论和刚性节点模型、考虑剪切变形的双亚层理论和半刚性节点模型、基于双亚层理论的柔性节点模型、考虑剪切变形的多层亚层理论和多亚层柔性节点模型、弹性地基梁模型以及黏聚模型. 还介绍了双材料界面断裂力学在FRP-混凝土研究中的应用.      

FRP片材在土建修复加固工程中应用的力学问题

纤维增强复合材料(FRP)片材由于其优异的力学性能和施工的便捷性而备受国内外土木建筑领域的高度关注,并得到了迅速的推广应用.本文结合国内外的研究现状及本课题组的研究工作,对FRP片材(纤维布、纤维板和纤维薄板)在土木建筑修复加固工程中应用的主要力学问题-FRP片材加固钢筋混凝土(RC)构件的静力学性能、疲劳性能、界面的力学性能、以及构件的耐久性等进行综述和讨论,并试图指出今后有关FRP片材修复加固RC构件力学性能的研究方向.     

局部屈曲FRP增强薄壁钢管混凝土抗震性能

为了研究FRP(Fiber Reinforced Polymer)增强薄壁钢管混凝土的抗震机理,提出FRP约束钢管局部屈曲应力-应变关系并建立FRP约束钢管恢复力模型,在此基础上建立FRP增强薄壁钢管混凝土柱滞回模型,开展FRP增强薄壁钢管混凝土柱拟静力试验以验证滞回模型的合理性,同时考查FRP布置方式对柱体抗震性能的影响,利用滞回模型对FRP增强薄壁钢管混凝土的耗能机理进行分析。研究表明,薄壁钢管局部屈曲所导致的强度退化是柱体抗震性能劣化的主要原因,基于纤维力学特性合理设计FRP的增强方式可有效提升柱体的抗震性能。CFRP宜采用环向约束方式抑制薄壁钢管的局部屈曲;GFRP宜采用纵向抗弯方式提高柱体大变形下的承载能力。FRP增强薄壁钢管混凝土的耗能主要由钢管承担,在本文研究参数范围内,薄壁钢管耗能占比超过80%,混凝土耗能介于10%～20%,纵向FRP耗能小于8%,对薄壁钢管实施有效约束后,其耗能可提高40%以上。     

FRP加固RC梁界面疲劳损伤红外检测分析

FRP-混凝土界面剥离损伤的探测是界面力学分析的一个难点。基于三个标准试件探讨了红外检测方法对FRP-混凝土界面剥离探测的精度、可行性以及剥离判断的标准,并对常幅疲劳荷载下FRP加固钢筋混凝土(RC)梁界面的疲劳行为进行了跟踪记录,分析了界面的疲劳破坏过程。试验结果表明,FRP加固RC梁界面存在初始的未粘结区,在疲劳加载的初期界面剥离快速增加,随后在大部分疲劳寿命期内保持稳定,在最后数千次加载循环内界面损伤失稳发展导致整个加固构件的破坏。文中基于红外数据给出了每个阶段的疲劳加载次数和界面剥离损伤的面积。     

基于"梁段"跨中FRP-混凝土界面剪应力数值计算

纤维复合材料(FRP)加固混凝土梁跨中可能发生剥离破坏,研究者已提出几种计算FRP-混凝土粘结界面剪应力τ的方法,但所得结果有较大的差异.本文先通过典型的FRP-混凝土界面的粘结-滑移本构关系和FRP加固梁实验结果,评估既有计算方法存在的问题.进而提出一个简单的"梁段"有限元计算模型,并证实其合理性和可靠性.再用此模型计算讨论了多种参数影响下的FRP-混凝土界面剪应力τ分布特征.基于实验研究和有限元计算结果,指出FRP-混凝土界面剪应力最大值τu不适合作为剥离破坏准则,并建议考虑将滑移量最大值δ作为FRP-混凝土界面的剥离破坏准则.     

纤维增强聚合物加固带裂缝矩形截面木梁的弯曲

对具有纵向贯穿裂缝的矩形截面木梁采用侧贴纤维增强聚合物布(FRP布)的方式加固。将FRP布视为正交各向异性材料,在组合梁小挠度变形的假定下,建立了侧贴FRP布加固具有纵向贯穿裂缝矩形截面木梁弯曲变形的控制方程;研究了FRP加固简支木梁在跨中集中力作用下的弯曲行为,得到了木梁挠度的解析表达式,在此基础上通过参数分析,考察了材料参数、几何参数、加固方式等对梁弯曲挠度的影响。数值结果表明:当FRP布纤维方向与梁轴线夹角=0°时,CFRP布的加固效果好于GFRP布的加固效果,而当为10°~15°时,FRP布的加固效果最为显著;当FRP布量纲为一的厚度(FRP布厚度与木梁的宽度之比)<0.02、剪切模量(FRP布OXZ方向的剪切模量与木梁弹性模量之比)<0.5时,和对FRP布加固木梁的挠度有较显著的影响。     

冻融循环下预应力CFRP板加固钢筋混凝土梁的耐久性研究

预应力CFRP加固混凝土结构技术由于具有显著优势,越来越多地被应用在桥梁加固中,本文针对冻融循环作用下预应力CFRP板加固钢筋混凝土梁的耐久性能进行了实验研究。通过12片加固梁试件的实验研究了不同次数冻融循环作用下预应力CFRP板加固梁的破坏形态和承载性能,分析了混凝土强度等级、冻融循环次数、CFRP初始应力水平等因素对加固梁耐久性能的影响。实验结果表明:经历冻融循环后试件的开裂荷载和极限承载能力都有了不同程度的下降,冻融侵蚀对CFRP加固混凝土结构产生了明显的不利影响;随着冻融循环次数的增加,加固试件的破坏模式逐渐由混凝土保护层剥离转变为界面剥离的破坏形态;冻融循环作用对预应力加固试件的整体不利影响要大于非预应力试件;混凝土强度为C60的预应力CFRP加固试件在冻融侵蚀作用下的退化要较强度为C30的加固试件显著。     

抗震加固用消能减震结构的弹塑性时程分析研究

对用于抗震加固的消能减震结构进行了弹塑性时程分析研究,主要解决以下几个问题:确定结构的振动模型;质量矩阵和阻尼矩阵的处理;确定结构或构件在反复荷载下的力-位移关系,或恢复力特性;附加阻尼矩阵及附加刚度矩阵;阻尼器的优化布置等.提出了简化优化设计法,针对加固工程,确定控制函数.最后给出了四层混凝土框架加固工程实例分析.     

FRP加固钢筋混凝土梁界面开裂分析

应用理论分析及有限元模拟和模型试验相结合的方法分析了FRP加固钢筋混凝土(RC)梁界面的开裂破坏规律。研究结果表明:FRP加固RC梁界面开裂可以应用断裂力学的方法解析,理论分析结论与有限元模拟结果一致。在FRP的剥离角度较大时界面是Ⅰ型和Ⅱ型混合开裂;同时考虑到混凝土剪切裂缝上下错动的尺寸与构件的尺寸相比很小,FRP-RC梁界面主要表现为Ⅱ型断裂。界面的应力强度因子随着加载的增加分为三个发展阶段,分别以混凝土开裂和钢筋屈服为分界点,界面的临界应力强度因子约为5.91MPa·m0.5。并结合试验给出了FRP的极限剥离应变,在工程应用中控制FRP应变在剥离应变以内可以有效地避免界面开裂破坏的发生。     

钢板-混凝土组合加固钢筋混凝土梁的非线性有限元分析

以10根采用钢板-混凝土组合加固技术加固的钢筋混凝土梁的试验为基础,建立了钢板-混凝土组合加固钢筋混凝土梁的非线性有限元模型.沿用了钢板-混凝土组合梁有限元分析中栓钉的荷载-滑移曲线及断裂模型,提出了新老混凝土界面的剪切-滑移模型,可以较好地模拟界面受力性能.采用有限元软件ABAQUS,模拟了一次加固、不同损伤加固及持载加固等加载情况下加固构件受力全过程和受弯破坏以及新老混凝土剥离破坏等破坏形态下加固试件的受力性能.在验证了有限元模型的准确性后,分析了钢板厚度、加固部分高度及长度等参数对加固构件承载能力及刚度的影响.最后提出了几点对钢板-混凝土组合加固RC梁的设计建议.     

纤维增强聚合物加固黏弹性Timoshenko木梁的弯曲变形

假定木梁和纤维增强聚合物(FRP)布分别服从标准线性固体黏弹性本构和弹性本构,且FRP布与木梁紧密粘贴,建立了FRP布加固黏弹性矩形截面Timoshenko木梁弯曲变形的控制方程.在此基础上,利用Laplace变换及其逆变换,给出了突加集中和均布载荷作用下FRP布加固简支黏弹性Timoshenko木梁弯曲变形的轴向位移、转角和挠度解析表达式.根据花旗松(DF)木材标准线性固体本构的材料参数,数值分析了芳纶纤维聚合物(AFRP)含量和梁跨高比对AFRP布加固黏弹性Timoshenko DF梁弯曲蠕变行为的影响.结果表明:Timoshenko DF梁的弯曲蠕变效应显著,AFRP布加固可有效减小Timoshenko DF梁的蠕变挠度;随着DF梁跨高比减小或AFRP含量的提高,AFRP布加固Timoshenko DF梁的最大压应力和最大拉应力减小.     

纤维增强聚合物布加固裂纹木梁的稳定性

梁中横向裂纹等效为无质量内部转动弹簧，假定纤维增强聚合物(FRP)布与梁表面紧密粘贴，建立了考虑轴向压力二阶效应FRP 布加固裂纹梁线性弯曲的控制方程，并得到其显式解析通解．在此基础上，研究了FRP加固简支裂纹木梁的稳定性，通过数值求解方程，分析了纤维增强聚合物(CFRP)布含量、裂纹深度和位置以及数量等因素对CFRP 布加固简支裂纹杉木梁临界载荷的影响，结果表明：CFRP 加固可明显减小裂纹深度和数量等对裂纹杉木梁临界载荷的影响，且裂纹处弯矩较大或裂纹较深时加固效应愈加显著；CFRP 加固裂纹木梁临界载荷随CFRP 布加固层含量的增加而增加，但当CFRP 布含量达到一定值后，进一步增加CFRP 含量对CFRP加固裂纹梁临界载荷提高并不明显．     

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通过对预应力FRP放张后端部应力状态的分析后发现,适当加大粘结层的厚度和提高 粘结层的变形性能可大幅度提高端部粘结锚固的能力,满足预应力加固的需要. 附加 的简易锚固措施可进一步提高锚固能力和可靠性. 分析为预应力FRP加固技术的成本降低 和施工工艺简化提供理论依据.