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碳纤维布加固混凝土柱的试验研究与数值模拟

作　者: 杨剑
导　师: 章青
学　校: 河海大学
专　业: 防灾减灾工程及防护工程
关键词: 碳纤维布加固混凝土方柱本构模型数值模拟人工神经网络
分类号: TU375.3
类　型: 硕士论文
年　份: 2006年
下　载: 301次
引　用: 9次
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内容摘要

碳纤维加固混凝土结构在我国自90年代后期进行研究和工程应用以来,得到了快速的发展,已取得了大量的科研成果,但其加固机理并没有得到很好地解决,仍存在许多值得研究的课题。本文在综述国内外加固方法的基础上,指出了现有加固方法存在的问题,总结了碳纤维加固的优点。结合试验资料分析了碳纤维加固混凝土方柱的加固效果,针对不同加固量下的碳纤维布约束混凝土方柱,从理论和数值分析两个方面对碳纤维约束混凝土柱的加固机理等问题进行了研究。论文的主要工作和获得的成果如下: (1)开展了碳纤维布约束混凝土柱的试验研究。通过15根碳纤维布加固素混凝土柱以及3根未加固柱的受压试验分析表明:碳纤维布加固混凝土方柱可以显著提高混凝土的强度和韧性,使混凝土的塑性变形性能得到充分发挥,改善了构件延性。同时,混凝上强度的提高并不随加固量呈几何级数提高,存在最佳加固率。 (2)通过线性回归和非线性回归提出了碳纤维布约束混凝土方柱的峰值应力、峰值应变、极限应力、极限应变简化计算公式。在此基础上,提出了有软化段和无软化段碳纤维布约束混凝土方柱不同的本构模型,所得成果与试验结果吻合得较好。 (3)基于有限元程序ANSYS,对碳纤维布约束混凝土方柱进行了数值模拟。对碳纤维布约束混凝土柱的受力机理和有缺陷混凝土柱的加固效应进行了计算分析,获得了有益的认识。论文还研究了各种情况下碳纤维布和混凝土界面粘结剪应力和剥离正应力的分布特征。研究结果表明,当不考虑界面粘结滑移时,得到的界面剪应力和正应力都要小于考虑了界面粘结单元的结果。 (4)建立了碳纤维布约束素混凝土柱加固率计算的人工神经网络模型。在理论分析的基础上,确定了网络输入变量。通过变换隐层结点个数,最终确立了合理的网络模型。通过训练成熟的网络可以成功的预测最佳加固率,预测值与试验值吻合得较好。

全文目录

摘要  5-8
目录  8-11
第一章绪论  11-19
  1．1 研究背景和意义  11
  1．2 国内外研究现状及存在的问题  11-17
    1．2．1 加固的涵义  12
    1．2．2 加固方法综述  12-13
    1．2．3 碳纤维增强塑料加固的技术特点  13-14
    1．2．4 碳纤维增强塑料加固国内外研究现状  14-16
    1．2．5 碳纤维增强加固混凝土柱有待深入研究的问题  16-17
  1．3 研究内容  17-18
  1．4 研究方法及技术路线  18-19
第二章碳纤维布加固混凝土柱的试验研究  19-44
  2．1 试验概况  19-21
    2．1．1 试验目的  19
    2．1．2 试验原材料及试件制作  19-21
  2．2 试件加载与量测  21-22
  2．3 试验结果及理论分析  22-42
    2．3．1 碳纤维布体积加固率的确定  22-24
    2．3．2 破坏现象  24-28
    2．3．3 碳纤维布加固混凝土柱的约束力  28-30
    2．3．4 碳纤维布加固混凝土柱的承载力  30-31
    2．3．5 碳纤维布加固混凝土柱的应力～应变曲线  31-40
    2．3．6 碳纤维布加固混凝土柱的纵横向应变  40-42
  2．4 本章小结  42-44
第三章碳纤维布加固混凝土柱三维有限元模型  44-55
  3．1 ANSYS有限元软件简介  44-45
  3．2 碳纤维布加固混凝土柱单元类型  45
    3．2．1 混凝土  45
    3．2．2 碳纤维复合材料  45
  3．3 碳纤维布加固混凝土柱的材料特征  45-49
    3．3．1 混凝土  45-48
    3．3．2 碳纤维复合材料  48-49
  3．4 裂缝处理模式  49-50
    3．4．1 离散裂缝模式  49
    3．4．2 分布式裂缝模式  49-50
  3．5 模型几何尺寸  50
  3．6 单元的离散化  50-52
  3．7 荷载和边界条件  52
  3．8 非线性求解  52-54
    3．8．1 有限单元模型的荷载步  52-54
    3．8．2 计算终止条件  54
    3．8．3 影响非线性计算收敛的因素  54
  3．9 本章小结  54-55
第四章碳纤维布加固混凝土柱的计算成果分析  55-74
  4．1 碳纤维布加固混凝土柱的应力～应变曲线  55-57
  4．2 混凝土裂缝模式的扩展分析  57-61
  4．3 碳纤维布约束混凝土柱受力机理分析  61-71
    4．3．1 碳纤维布拉应变与外荷载关系曲线  61-62
    4．3．2 碳纤维布拉应变的纵向分布规律  62-64
    4．3．3 碳纤维布拉应变的横向分布规律  64-66
    4．3．4 水平截面混凝土应力分布规律  66-68
    4．3．5 混凝土与碳纤维布界面剪应力分布规律  68-70
    4．3．6 混凝土与碳纤维布界面正应力分布规律  70-71
  4．4 有缺陷混凝土柱加固效果的分析和讨论  71-73
    4．4．1 有缺陷柱加固后的应力～应变曲线  72-73
  4．5 本章小结  73-74
第五章碳纤维布加固混凝土柱界面粘结剪应力与剥离正应力的研究  74-86
  5．1 有限元分析碳纤维布-混凝土界面粘结问题的难点  74-75
  5．2 有限元模型的建立  75-77
    5．2．1 界面单元的主要形式  75
    5．2．2 已有的有限单元模型中界面剥离存在的问题  75-76
    5．2．3 界面粘结-滑移模型  76-77
  5．3 ANSYS程序中的COMBIN39单元  77-80
    5．3．1 COMBIN39单元描述  77-78
    5．3．2 COMBIN39单元的输入数据  78-80
    5．3．3 COMBIN39单元假定与限制  80
  5．4 碳纤维布加固简支梁界面粘结应力分析  80-82
    5．4．1 简支梁计算模型  80-81
    5．4．2 简支梁碳纤维布-混凝土界面应力  81-82
  5．5 碳纤维布加固混凝土柱界面粘结剪应力分析  82-84
  5．6 碳纤维布加固混凝土柱界面剥离正应力分析  84-85
  5．7 本章小结  85-86
第六章基于神经网络方法的碳纤维布加固混凝土柱最佳加固率的计算  86-99
  6．1 人工神经网络概述  87-89
    6．1．1 神经元模型  87-88
    6．1．2 神经网络模型  88
    6．1．3 神经网络的学习规则  88-89
  6．2 BP神经网络模型及其应用研究  89-91
    6．2．1 BP学习算法  89-90
    6．2．2 BP学习算法步骤  90-91
  6．3 碳纤维加固混凝土方柱加固率的BP网络预测  91-98
    6．3．1 训练数据和系统模型  91-92
    6．3．2 BP程序和模拟  92
    6．3．3 隐层单元数的确定  92-95
    6．3．4 神经网络模型预测碳纤维布加固混凝土柱最佳加固率的运用  95-98
  6．4 本章小结  98-99
第七章结论与展望  99-102
  7．1 结论  99-100
  7．2 主要创新点  100
  7．3 讨论与展望  100-102
参考文献  102-107
在读期间发表的论文  107-108
致谢  108

碳纤维布加固混凝土柱的试验研究与数值模拟

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