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CFRP加固木梁承载性能的理论与试验研究

作　者: 刘俊杰
导　师: 郝际平
学　校: 西安建筑科技大学
专　业: 结构工程
关键词: 木梁 CFRP 加固抗弯性能抗剪性能 ANSYS
分类号: TU312.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

故宫是我国现存最大、最完整的古建筑群,是古建筑木结构的杰出代表,具有极高的文物、历史和艺术价值。故宫自1407年始建至今,经历了多次的重修和扩建,现正进行自辛亥革命以来规模最大的一次维修。现针对故宫博物院慈宁宫七架梁及其随梁挠度过大的现状,本课题开展了木梁的加固研究工作。通过20根单木梁和叠合木梁(3000mm×180mm×240mm)的加固试验,研究了CFRP加固木梁的极限荷载、挠度、破坏类型、横截面应变分布及碳纤维环箍应力状态等结构性能。加固单木梁承载力提高约25%,加固叠合木梁承载力提高8.7%-79%,而且加固梁的刚度也有一定程度的提高。对于加固木梁和未加固木梁荷载-挠度曲线在加载初期均呈现线性趋势,在加载后期均出现不同程度的非线性。试验中木梁除主要发生弯曲破坏外,还存在顺纹剪切破坏和剪弯破坏。弯曲破坏以木材轴向拉、压应力达到极限强度为破坏的极限状态,顺纹剪切破坏以木材纵截面剪应力达到顺纹剪切强度为破坏的极限状态,剪弯破坏则以木材剪弯段中点截面轴向拉应力达到斜纹抗拉强度为破坏的极限状态。据此,基于弹塑性理论和强度折减方法提出了简单实用的加固木梁抗弯和抗剪承载力公式。通过试验方案对比分析,研究了不同的加固方法,如界面结构胶加固、梁底CFRP加固和CFRP环箍加固等,对木梁承载力、抗弯刚度和叠合木梁上、下梁协同工作的影响。采用通用有限元软件ANSYS来分析未加固和加固木梁的承载力和变形情况。通过计算,得到了木梁荷载—挠度曲线和应力云图,并且通过与试验荷载—位移曲线和极限承载力相比较,验证了该模型能够较好的模拟加固木梁和未加固木梁的变形和受力情况。

全文目录

摘要  3-4
ABSTRACT  4-10
1 绪论  10-20
  1.1 课题研究背景和国内外研究情况  10-12
    1.1.1 课题研究背景  10
    1.1.2 国内外CFRP 加固木结构的研究  10-12
  1.2 木材的材料性能  12-14
    1.2.1 木材的轴向拉应力和压应力  12
    1.2.2 木材的应力-应变关系  12-14
  1.3 木材的尺寸效应、缺陷效应  14-15
    1.3.1 尺寸效应和应力分布效应  14-15
    1.3.2 木材天然缺陷的影响  15
  1.4 已有的典型加固木梁抗弯和抗剪承载力理论  15-17
    1.4.1 已有的典型加固木梁抗弯承载力理论  15-16
    1.4.2 已有典型的加固木梁抗剪承载力理论  16-17
  1.5 本文主要研究内容  17-18
  1.6 本章小结  18-20
2 CFRP 加固木梁试验研究  20-50
  试验目的  20
  2.1 试件设计与制作  20-24
  2.2 量测及加载方案  24-27
  2.3 试验结果  27-30
    2.3.1 破坏形式及极限荷载  27
    2.3.2 荷载—跨中挠度曲线  27-30
  2.4 单木梁试验现象及结果分析  30-33
    2.4.1 单木梁试验现象及典型破坏图片  30-31
    2.4.2 单木梁结果分析  31-33
  2.5 叠合梁试验现象及结果分析  33-40
    2.5.1 叠合梁试验现象及典型破坏图片  33-35
    2.5.2 叠合梁结果分析  35-40
  2.6 平截面假定验证  40-45
    2.6.1 单木梁沿梁高的应变  41-42
    2.6.2 未加结构胶加固的叠合木梁沿梁高度的应变  42-43
    2.6.3 加结构胶加固的叠合木梁沿梁高度的应变  43-45
  2.7 荷载—应变关系  45-48
    2.7.1 单木梁荷载—应变关系  45-46
    2.7.2 未加结构胶的叠合木梁荷载—应变关系  46-47
    2.7.3 加结构胶的叠合木梁荷载—应变关系  47-48
  2.8 本章小结  48-50
3 基于弹塑性模型和强度折减的承载力计算  50-60
  3.1 计算基本假定  50-52
  3.2 抗弯承载力计算  52-55
    3.2.1 木梁的弯曲破坏模式  52
    3.2.2 木纤维弯曲受拉破坏  52-54
    3.2.3 木纤维弯曲受压破坏  54-55
  3.3 抗剪承载力计算  55-58
    3.3.1 顺纹剪切破坏  55-56
    3.3.2 剪弯破坏  56-58
  3.4 计算值与理论值比较  58-59
  3.5 本章小结  59-60
4 CFRP 加固木梁的方案对比分析  60-70
  4.1 试验木梁刚度分析  60-62
    4.1.1 单木梁的抗弯刚度  60-61
    4.1.2 叠合木梁的抗弯刚度  61-62
  4.2 剪力栓的作用  62-64
  4.3 界面结构胶的作用  64-66
    4.3.1 整体刚度分析  64-65
    4.3.2 界面结构胶错动分析  65-66
  4.4 CFRP 布环箍的作用  66-67
    4.4.1 承载力比较  66
    4.4.2 抗剪CFRP 布环箍作用机理分析  66-67
  4.5 钢箍与CFRP 布环箍的作用  67-68
  4.6 梁底钢板加固与CFRP 布加固的作用  68-69
    4.6.1 端部应变分析  68-69
    4.6.2 跨中底面应变分析  69
  4.7 本章小结  69-70
5 CFRP 加固木梁的数值模拟分析  70-86
  5.1 有限元模型的建立  70-75
    5.1.1 单元类型  70-73
    5.1.2 非线性求解控制  73-74
    5.1.3 材料模型  74-75
  5.2 荷载-挠度曲线比较  75-78
  5.3 ANSYS 计算承载力  78-79
  5.4 应力云图  79-84
    5.4.1 单木梁应力云图  79-83
    5.4.2 叠合梁应力云图  83-84
  5.5 本章小结  84-86
6 结论与展望  86-90
  6.1 结论  86-87
  6.2 研究展望  87-90
参考文献  90-93
致谢  93-94
附录  94

CFRP加固木梁承载性能的理论与试验研究

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