基于CZM的FRP-混凝土界面有限元分析

发布时间：2017-06-09 07:11

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【摘要】：纤维增强复合材料(FRP)-混凝土界面的粘结性能是FRP加固技术的关键所在。国内外学者进行了大量试验研究,获得了多种粘结承载力、局部粘结滑移公式。实际加固构件的破坏往往不是FRP材料被拉断,而是FRP-混凝土界面附近混凝土的剥离,所以最理想的有限元方法是直接模拟混凝土的破坏。但是这种方法不仅需要非常精细的网格,而且常常遇到数值收敛困难,另外混凝土本构中诸多有重大影响的参数缺乏理论依据。基于断裂力学的CZM (Cohesive Zone Model)方法正引起越来越多的关注,多位学者已经推导了跨中裂缝引起FRP剥离、FRP粘贴边缘起裂等不同剥离破坏形式的封闭解。但是受限于严格的边界荷载条件,这些理论解无法推广到一般情况。基于CZM,本文进行FRP-混凝土界面破坏的有限元分析,主要内容和结论如下：1.对单剪试验进行有限元分析。计算得到的荷载位移曲线、粘结承载力与试验结果吻合较好。得到了不同荷载水平下FRP应力、FRP-混凝土界面剪切应力和滑移量的分布情况；参数研究表明,若FRP锚固长度足够长,则粘结强度对粘结承载力的影响不大,界面断裂能越大,承载力越大。2.对FRP加固带缝素混凝土梁进行平面有限元分析,计算得到的荷载峰值与试验结果均吻合较好。加载过程中先后出现两个荷载峰值,后一个峰值与FRP-混凝土界面粘结性能相关,不受初始裂缝高度的影响。同时分析了跨中混凝土裂缝引起的FRP剥离的全过程。3.对FRP加固带缝素混凝土梁进行三维有限元分析,考虑了初始裂缝口FRP未粘结段的影响,同时混凝土软化段采用指数型表达式,FRP采用壳单元而非实体单元模拟,更真实地再现了跨中裂缝引起的FRP剥离过程,而且能方便地直接揭示加载过程中界面剪切应力的分布和变化过程。4.分析了界面参数对FRP加固钢筋混凝土梁数值计算结果的影响,结果表明在一定范围内粘结强度对加固梁承载力的影响不大,但是却影响加固梁的破坏形式,本文建议对陆新征粘结滑移本构预测的粘结强度进行0.4倍的折减,断裂能仍采用该本构的预测值。在此基础上,进一步研究了FRP端部剥离引起的加固梁破坏的全过程。
【关键词】：FRP CZM 界面粘结滑移 剥离破坏 数值模拟
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TU37
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 1 绪论9-19
• 1.1 FRP材料及其在混凝土结构加固中的应用9
• 1.2 FRP-混凝土界面粘结性能影响因素9-11
• 1.3 FRP-混凝土界面粘结承载力模型和粘结滑移本构11-16
• 1.4 FRP-混凝土界面性能数值分析与CZM模型16-18
• 1.5 本文主要研究内容18-19
• 2 CZM的断裂力学基础及有限元实现19-28
• 2.1 断裂力学简介19-20
• 2.2 CZM的概念20-21
• 2.3 CZM的有限元实现21-23
• 2.4 CZM的验证23-27
• 2.4.1 DCB与ENF23-25
• 2.4.2 混凝土Ⅰ型断裂25-27
• 2.5 本章小结27-28
• 3 FRP-混凝土界面力学性能平面有限元分析28-45
• 3.1 引言28
• 3.2 单剪试验28-35
• 3.2.1 问题描述28
• 3.2.2 有限元模型28-30
• 3.2.3 计算结果30-34
• 3.2.4 参数研究34-35
• 3.3 跨中裂缝引起的FRP剥离35-43
• 3.3.1 问题描述35-36
• 3.3.2 有限元模型36-38
• 3.3.3 计算结果分析38-41
• 3.3.4 参数研究41-43
• 3.4 本章小结43-45
• 4 跨中裂缝引起的FRP剥离三维有限元分析45-56
• 4.1 引言45
• 4.2 三维实体有限元模型45-47
• 4.3 计算结果分析47-52
• 4.3.1 荷载-CMOD曲线47-48
• 4.3.2 CFRP应力分析48-49
• 4.3.3 CFRP-混凝土界面剪切应力与滑移量分析49-51
• 4.3.4 混凝土应力分析51-52
• 4.4 与平面模型计算结果的比较52-55
• 4.5 本章小结55-56
• 5 FRP-混凝土界面端部剥离的有限元分析56-69
• 5.1 引言56
• 5.2 有限元模型56-59
• 5.3 结果分析59-68
• 5.3.1 界面参数的影响59-65
• 5.3.2 FRP应力分析65
• 5.3.3 界面粘结滑移分布65-67
• 5.3.4 混凝土应力应变分析67-68
• 5.4 本章小结68-69
• 结论69-70
• 参考文献70-75
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况75-76
• 致谢76-77

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本文编号：434683