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碳纤维布增强钢筋混凝土构件的非线性有限元分析

作　者: 余流
导　师: 王铁成
学　校: 天津大学
专　业: 结构工程
关键词: 碳纤维布非线性有限元粘结滑移均匀化理论延性混合模型弹塑性损伤断裂本构关系。
分类号: TU375
类　型: 博士论文
年　份: 2003年
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内容摘要

我国在碳纤维布加固混凝土结构技术中基础研究相对薄弱，应用中还存在一些问题，尤其是对斜向水平荷载作用下碳纤维布加固混凝土柱的双向抗剪性能与抗震性能的研究还无人问津。而实际上在地震区，混凝土构件（柱）在地震荷载作用下，将在构件的两个主轴方向上同时受到地震作用，因此对此问题的研究意义重大。本文在分析国内外已有的碳纤维布增强混凝土结构研究成果基础上，结合天津市自然科学基金（993603911）项目，通过一系列碳纤维布增强混凝土构件（柱）的斜向水平荷载作用破坏试验，采用非线性有限元法，研究了碳纤维布增强混凝土构件的开裂、变形、滞回耗能特性、失效模式、受力破坏机理等，为以后的研究和设计提供理论依据和技术参考。首先，本文通过三根碳纤维布增强钢筋混凝土梁在单调竖向荷载作用下的剪切破坏试验和十二根碳纤维布增强钢筋混凝土矩形截面柱在斜向反复荷载作用下的破坏试验研究，探讨了碳纤维布加固量或荷载作用方向对碳纤维布增强钢筋混凝土构件受剪承载力（梁）、变形（梁和柱）、滞回特性和延性（柱）的影响，研究发现：碳纤维布可明显地提高钢筋混凝土构件的斜截面受剪承载力；同时碳纤维布还可以提高构件的刚度，明显地改善构件的变形性能，增强构件的滞回耗能特性和延性，使钢筋混凝土构件的破坏模式由脆性剪切破坏向延性弯曲破坏转化；同时，首次发现侧向水平荷载作用方向对碳纤维布增强钢筋混凝土柱的承载力、变形、滞回耗能特性和延性的影响效果不明显。基于三维非线性有限元分析中单元网格划分不均匀的实际情况，本文首次提出了较完善的碳纤维布（纵向）、钢筋（纵筋）与混凝土之间的六面体空间粘结滑移模型。该模型可随碳纤维布、钢筋或混凝土单元尺寸定义粘结单元长度，同时选取相邻的碳纤维布、钢筋或混凝土单元位移函数为粘结单元位移函数，从而可以得到更为协调的碳纤维布、钢筋与混凝土之间的粘结滑移关系。基于柱承受较大侧向位移时柱脚锚固钢筋应力分布的光滑性，而其应变和与混凝土之间相对滑移在非线性响应阶段（特别是软化段）的非光滑性，选择锚固钢筋应力插值函数而非位移插值函数作为基点，采用柔度法对碳纤维增强钢筋混凝土柱中锚固钢筋滞回特性进行了分析，该方法计算性能稳定，采用较少的单元网格划分便可产生足够精确的计算结果。基于均匀化理论，采用整体式非线性有限元模型，将箍筋和碳纤维布箍弥散于整个单元中，并将单元视为连续介质材料，通过修正碳纤维布增强混凝土构件的横向屈服条件和破坏条件，研究箍筋和横向碳纤维布对构件承载力、刚度、裂缝扩展、变形、滞回特性和延性的影响。本文采用“混合模型”，应用基于塑性理论的混凝土的三维弹塑性损伤断裂本构关系模型，假定裂缝方向垂直于主应变方向且混凝土材料的主应力轴与主应变轴不共轴，同时考虑钢筋和碳纤维布与混凝土间的粘结滑移，首次编制了碳纤维布增强钢筋混凝土构件的三维非线性有限元全过程分析程序，分析碳纤维布增强钢筋混凝土构件的裂缝形成、扩展、闭合、再扩展直至构件破坏的全过程，分析结果与试验结果相比，该方法既节省计算成本，同时又不失精确性。最后，应用本文的三维非线性有限元程序，首次分析了参数变化对碳纤维布增<WP=3>强钢筋混凝土构件承载力、变形和延性的影响，特别是纵筋配筋率对碳纤维布增强钢筋混凝土构件承载力、变形和延性的影响。分析结果表明，纵筋配筋率、箍筋配筋率、碳纤维布配箍特征值越大，碳纤维增强钢筋混凝土构件的承载力越大，刚度越高，变形越小，延性越好；剪跨比越大、轴压比越小，构件的受剪承载力越小，但延性却越大，甚至使构件破坏模式由脆性剪切破坏向延性弯曲破坏过渡。

全文目录

第一章绪论  8-17
  1．1 引言  8-10
  1．2 碳纤维布加固补强技术的研究现状  10-14
  1．3 选题依据和意义  14-15
  1．4 本文的主要研究工作  15-17
第二章混凝土的本构关系  17-41
  2．1 引言  17
  2．2 混凝土单轴应力应变关系  17-19
  2．3 混凝土的破坏准则  19-21
  2．4 混凝土的弹塑性损伤断裂本构关系  21-40
  2．5 本章小结  40-41
第三章钢筋的本构关系  41-60
  3．1 引言  41
  3．2 单调荷载下钢筋的应力－应变关系  41-43
  3．3 反复荷载下钢筋的应力－应变关系  43-55
  3．4 钢筋的屈服准则  55-56
  3．5 钢筋的应力应变增量关系  56-59
  3．6 本章小结  59-60
第四章钢筋与混凝土之间的粘结滑移本构关系  60-69
  4．1 引言  60
  4．2 单调荷载下钢筋与混凝土之间的粘结滑移本构关系  60-63
  4．3 反复荷载下钢筋与混凝土之间的粘结滑移本构关系  63-68
  4．4 本章小结  68-69
第五章碳纤维布及碳纤维布与混凝土之间的粘结滑移本构关系．．  69-78
  5．1 引言  69
  5．2 碳纤维布的本构关系  69-70
  5．3 碳纤维布与混凝土之间的粘结滑移本构关系  70
  5．4 碳纤维布与混凝土之间的粘结强度  70-72
  5．5 碳纤维布与混凝土之间的粘结破坏机理  72-77
  5．6 本章小结  77-78
第六章碳纤维布增强钢筋混凝土构件的非线性有限元法实施  78-97
  6．1 引言  78
  6．2 箍筋和横向包裹碳纤维布箍的均匀化法  78-80
  6．3 单元网格划分和单元状态确定  80-82
  6．4 混凝土单元破坏后处理  82-83
  6．5 空间粘结单元  83-85
  6．6 非线性方程组的解法  85-92
  6．7 非线性有限元分析程序及流程图  92-93
  6．8 本章小结  93-97
第七章碳纤维布增强钢筋混凝土构件的试验研究分析  97-119
  7．1 引言  97
  7．2 碳纤维布增强钢筋混凝土梁的试验研究  97-104
  7．3 碳纤维布增强钢筋混凝土梁的非线性分析  104-106
  7．4 碳纤维布增强钢筋混凝土柱的试验研究  106-116
  7．5 碳纤维布增强钢筋混凝土柱的非线性分析  116-118
  7．6 本章小结  118-119
第八章结论与展望  119-122
参考文献  122-130
致谢  130

碳纤维布增强钢筋混凝土构件的非线性有限元分析

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