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混凝土-FRP筋相互作用的非线性数值模拟

作　者: 孙乐娟
导　师: 朱浮声
学　校: 东北大学
专　业: 结构工程
关键词: 混凝土-FRP筋相互作用 ABAQUS非线性数值模拟 FRP筋试件的拉拔试验数值模拟 FRP筋混凝土梁数值模拟
分类号: TU377
类　型: 硕士论文
年　份: 2008年
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内容摘要

FRP筋是一种新型的复合材料,它具有良好的力学性能和耐腐性能,用它代替增强混凝土结构中的钢筋可以大大提高混凝土结构的使用性能和耐久性能。与钢筋混凝土结构相同,两种不同性能的材料能够共同工作主要归功于两者之间的有效粘结作用,FRP筋与混凝土的粘结性能是FRP筋结构中最基本的力学行为,是设计、应用和推广该种结构的关键技术之一。本文在广泛收集国内外研究资料的基础上,采用有限元数值模拟的方法对FRP筋与混凝土的粘结性能展开研究。利用ABAQUS建立FRP筋混凝土拉拔试件的三维有限元模型,对FRP筋混凝土拉拔试验进行数值模拟,得到了拉拔过程中各个变量的分布情况,并与文献中的试验结果进行了对比分析。结果表明,FRP筋混凝土粘结应力沿FRP筋埋置长度方向的分布是很不均匀的,加载初期最大粘结应力出现在加载端附近的区域,随着荷载的增加,最大粘结应力有向自由端推进的趋势。通过对FRP筋混凝土拉拔试件的数值模拟结果进行统计,分析了FRP筋锚固长度、混凝土强度、FRP筋直径对FRP筋混凝土粘结性能的影响。在其他因素不变的情况下,当锚固长度在la=5d～6d范围内,FRP筋与混凝土之间的粘结强度达到最大,而且,当锚固长度la=5d时,粘结应力分布比较均匀；FRP筋混凝土的粘结强度随着FRP筋直径的增加而减小；不同混凝土强度时得到结果离散性较大,但可以得到在一定范围内FRP筋混凝土的粘结强度随着混凝土强度增加而增大的趋势。利用ABAQUS对FRP筋混凝土梁分别按不考虑FRP筋与混凝土相互作用和考虑FRP筋与混凝土相互作用两种情况进行了分析计算,并与试验结果进行了对比分析。计算结果显示,两种情况下模拟得到的FRP筋混凝土梁的开裂弯矩和极限弯矩与试验得到的结果比较接近,考虑FRP筋与混凝土的相互作用时,由于联结单元的作用,模拟得到的极限弯矩比不考虑时稍小。利用ABAQUS模拟FRP筋混凝土之间的粘结滑移,初步了解粘结滑移对结构的的影响是可行的。通过分析试件受力过程中变量的分布和发展情况,认识到FRP筋混凝土梁的裂缝开展情况与钢筋混凝土梁是类似的；分析了配筋率对FRP筋混凝土梁破坏形式的影响,当混凝土和FRP筋的强度确定后,其破坏模式主要因配筋率的大小而异。

全文目录

摘要  5-6
ABSTRACT  6-11
第一章绪论  11-23
  1.1 钢筋混凝土结构的腐蚀问题  11-12
  1.2 FRP筋在土木工程中的发展和应用  12-13
  1.3 FRP筋混凝土粘结滑移研究现状  13-21
    1.3.1 FRP筋与混凝土的粘结机理  13-14
    1.3.2 影响FRP筋与混凝土粘结性能的因素  14-19
    1.3.3 FRP筋与混凝土粘结滑移本构关系模型  19-21
  1.4 本文主要研究内容  21-22
  1.5 本章小结  22-23
第二章 FRP筋混凝土粘结滑移理论  23-31
  2.1 FRP筋的主要性能和特点  23-25
    2.1.1 FRP筋组成  23
    2.1.2 FRP筋的物理力学性能  23-25
  2.2 粘结滑移的试验方法  25-26
    2.2.1 拉拔试验  25
    2.2.2 梁式试验  25-26
    2.2.3 局部粘结-滑移试验  26
  2.3 粘结应力传递原理  26-29
    2.3.1 FRP筋混凝土粘结滑移基本概念  26-27
    2.3.2 粘结应力的分析  27-29
      2.3.2.1 钢筋混凝土粘结应力分析  27-28
      2.3.2.2 FRP筋与混凝土的粘结应力  28-29
  2.4 粘结锚固基本方程  29
  2.5 本章小结  29-31
第三章拉拔试验的ABAQUS数值模拟  31-54
  3.1 ABAQUS软件介绍  31-32
  3.2 粘结滑移的模拟  32-35
    3.2.1 粘结滑移单元  32-33
      3.2.1.1 双弹簧连接单元  32
      3.2.1.2 四边形滑移单元  32-33
    3.2.2 ABAQUS中的弹簧单元  33-34
    3.2.3 Spring2单元刚度及F-D曲线的确定  34-35
    3.2.4 弹簧单元的生成  35
  3.3 FRP筋、混凝土材料选取  35-41
    3.3.1 混凝土  35-41
      3.3.1.1 混凝土弥散开裂模型  35-37
      3.3.1.2 混凝土损伤塑性模型  37-41
    3.3.2 FRP筋  41
  3.4 FRP筋、混凝土单元选取  41-42
    3.4.1 混凝土  41-42
    3.4.2 FRP筋  42
  3.5 有限元模型的建立  42-45
    3.5.1 ABAQUS中定义塑性  42-44
    3.5.2 模型建立  44-45
  3.6 模拟结果分析  45-53
    3.6.1 弹簧单元的力S11、位移E11曲线  45
    3.6.2 粘结特征强度和特征滑移  45-46
    3.6.3 粘结滑移基本变量  46-49
      3.6.3.1 FRP筋应力-应变曲线  46
      3.6.3.2 混凝土和FRP筋应力、应变分布  46-48
      3.6.3.3 粘结应力分布  48-49
      3.6.3.4 滑移分布  49
    3.6.4 影响FRP筋与混凝土粘结强度的因素  49-53
      3.6.4.1 埋置长度的影响  49-50
      3.6.4.2 混凝土强度的影响  50-51
      3.6.4.3 FRP筋直径的影响  51-53
  3.7 本章小结  53-54
第四章 FRP筋混凝土简支梁的ABAQUS数值模拟  54-69
  4.1 FRP筋混凝土梁设计理论  54-56
    4.1.1 正截面承载力  54-55
    4.1.2 挠度  55-56
  4.2 不考虑粘结滑移的FRP筋混凝土简支梁的数值模拟  56-61
    4.2.1 数值模拟模型建立  56-60
      4.2.1.1 单元类型  56
      4.2.1.2 材料模型  56
      4.2.1.3 修正的Riks算法  56-58
      4.2.1.4 建立模型  58-60
    4.2.2 结果分析  60-61
      4.2.2.1 荷载-位移曲线  60
      4.2.2.2 开裂荷载、极限荷载计算值与试验值对比  60-61
  4.3 考虑粘结滑移的FRP筋混凝土简支梁的数值模拟  61-67
    4.3.1 数值模拟模型建立  61-62
      4.3.1.1 单元类型和材料模型  61
      4.3.1.2 建立模型  61-62
    4.3.2 结果分析  62-67
      4.3.2.1 荷载-位移曲线  62
      4.3.2.2 开裂荷载、极限荷载计算值与试验值对比  62-63
      4.3.2.3 混凝土、FRP筋应力、应变发展过程  63-64
      4.3.2.4 FRP筋、混凝土的应力分布  64
      4.3.2.5 裂缝发展过程及分布  64-66
      4.3.2.6 破坏形式分析  66-67
  4.4 本章小结  67-69
第五章结论与展望  69-71
  5.1 结论  69-70
  5.2 展望  70-71
参考文献  71-77
致谢  77

混凝土-FRP筋相互作用的非线性数值模拟

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