FRP抗剪加固混凝土梁锚固效果的有限元分析

摘要

FRP材料在土木工程领域得到了广泛的应用，在工程应用中对于混凝土梁的加固主要分为抗剪和抗弯加固。抗剪加固形式包括条形加固、U形加固和全裹加固三种。钢筋混凝土梁失效的主要原因是剪切裂缝和弯曲裂缝引起的纤维布与混凝土之间的界面剥离。目前工程中常用的方法是在FRP端部或沿全梁粘贴FRP-U型箍，防止FRP布与混凝土界面的剥离。本文进行FRP抗剪加固及锚固效果的有限元分析，研究内容和主要结论如下： 1、基于混凝土塑性损伤模型（CDP），对试验梁开展抗剪加固效果的有限元分析。建立条形加固、U型加固和全裹加固的有限元模型，将计算得到的荷载位移曲线与试验结果进行对比，验证数值模型及混凝土本构模型的合理性。在此基础上，分别研究了三种加固方式下，加固间距取25mm、50mm和100mm，加固条宽度取25mm、50mm和75mm时18根加固梁的数值计算结果，得到FRP抗剪加固的最优加固形式、加固条宽度和间距，为实际工程设计提供参考。 2、基于扩展有限元（XFEM）方法以及界面黏结应力（CZM）分析方法，研究FRP条粘贴方向对混凝土梁抗剪加固的作用效果。分别建立了竖向FRP条和斜向45°的FRP条加固钢筋混凝土梁的扩展有限元模型，将竖向FRP条加固梁的荷载位移曲线与试验结果对比，验证扩展有限元计算模型的可靠性。在此基础上，分别开展了两种加固方式下，剪切斜裂缝穿过FRP布时界面应力以及FRP布应力变化，对比了竖向FRP条加固和斜向45°的FRP条加固时在同一荷载水平下的裂缝高度、界面单元应力以及FRP布应力，得到斜向45°的FRP条加固效果优于竖向加固的结论。 3、基于第三章的计算方法对端部及全梁U型锚固的FRP加固钢筋混凝土梁的锚固效果进行分析，建立了包含混凝土弯曲裂缝、剪切裂缝以及弯剪裂缝的FRP加固钢筋混凝土梁的有限元分析模型，对比了两种U型锚固形式下，BFRP加固钢筋混凝土梁在不同荷载等级下的加固效果、裂缝高度、界面应力以及BFRP布应力，结果表明两种锚固形式对提高加固梁的承载力，抑制混凝土裂缝扩展效果差别不大，但BFRP布端部锚固时界面应力和BFRP布应力分布更均匀，在裂缝附近易发生剥离破坏；而全梁锚固情况下，界面应力下降，不易发生界面剥离，但U型锚固间的BFRP布应力较大，易发生BFRP材料拉断破坏。 4、研究了工程中常用的FRP抗剪加固设计方法。根据美国规范和中国规范中抗剪加固混凝土梁的承载力计算公式，将试验结果与基于规范得到的设计结果进行了比较，结果显示规范中的计算结果偏于保守，结合对比分析结果，对钢筋混凝土梁的抗剪加固设计提出了建议。

目录

声明

1 绪论

1.1 研究背景

1.2 FRP加固钢筋混凝土梁的主要破坏形式

1.3 国内外研究现状

1.3.1 国内研究现状

1.3.2 国外研究现状

1.4 存在的问题

1.5 本文研究内容

2 基于混凝土塑性损伤模型的抗剪加固分析

2.1 引言

2.2 FRP抗剪加固混凝土梁试验介绍

2.3 混凝土塑性损伤模型

2.4 有限元数值计算分析

2.4.1 有限元模型

2.4.2 数值计算与试验结果对比

2.5 FRP加固条宽度及间距对加固效果的影响

2.5.1 加固条宽度的影响

2.5.2 加固条间距的影响

2.6 本章小结

3 FRP条粘贴方向对混凝土梁抗剪加固效果研究

3.1 引言

3.2 试验梁模型

3.3 有限元数值计算分析

3.3.1 有限元模型

3.3.2 基于扩展有限元的裂缝扩展分析

3.3.3 FRP与混凝土界面模型

3.4 数值计算结果

3.4.1 竖向加固的效果分析

3.4.2 45°方向加固的效果分析

3.4.3 界面应力对比分析

3.4.4 FRP布应力对比分析

3.5 本章小结

4 端部及全梁U型锚固的锚固效果分析

4.1 引言

4.2 试验梁介绍

4.3 数值计算模型

4.4 弯曲裂缝下U型锚固效果分析

4.4.1 弯曲裂缝扩展分析

4.4.2 界面应力分析

4.4.3 BFRP布的应力分布分析

4.5 剪切裂缝下U型锚固效果分析

4.5.1 剪切裂缝扩展分析

4.5.2 界面应力分析

4.5.3 BFRP布的应力分布分析

4.6 弯剪裂缝下U型锚固效果分析

4.6.1 弯剪裂缝扩展分析

4.6.2 界面应力分析

4.6.2 BFRP布的应力分布分析

4.7 结论

5 FRP抗剪加固的工程设计方法

5.1 引言

5.2 美国规范中FRP抗剪加固计算方法

5.3 中国规范中FRP抗剪加固设计方法

5.3.1 加固梁抗剪承载力计算公式

5.3.2 未加固梁斜截面承载力计算公式

5.4 基于规范的设计结果与试验结果对比

5.4.1 中美规范设计方法对比

5.4.2 计算结果与试验结果对比

5.5 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢

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