CFRP-钢组合板构件受压性能试验及理论研究

发布时间：2020-05-05 09:36

【摘要】：钢结构凭借其强度高、自重轻、工业化程度高等优点在现代工程结构中得到了广泛的应用。但由于恶劣的使用环境及开孔等原因,结构不可避免地存在一些损伤,当损伤累积到一定程度时,其力学性能就会受到明显影响,需要进行加固维修。相比于焊接、螺栓连接及粘贴等传统钢结构加固方法存在种种问题,纤维增强复合材料(Fiber Reinforced Polymer,简称FRP)凭借其轻质、高强、耐腐蚀、可设计性强及加工方便等诸多优点在钢结构加固领域得到较为广泛的应用,该方法是使用结构粘结剂将FRP布粘贴在钢结构表面的一侧或两侧,形成共同受力的FRP-钢组合板整体,这种方法也逐渐应用于受压钢结构的加固及维护。目前,国内外众多学者对FRP加固受压钢结构进行大量的试验研究,但基本都是从构件的角度对其加固效果进行定性的研究,很难提出一个普遍适用的设计及承载力计算方法。本文尝试将使用CFRP加固后的钢结构看为由多个不同边界条件的CFRP-钢组合板构成的组合板构件,并结合已有的钢结构屈曲及极限承载计算方法,从试验、理论及数值研究等三方面对CFRP-钢组合板及其构成构件的屈曲及极限承载性能进行较为深入的研究,具体研究内容和成果包括:1、FRP-钢组合板受压性能的试验研究设计了板平面内受压的试验装置,并通过试验对其可靠性进行验证。进而设计了完好FRP-钢板组合板及缺陷FRP-钢组合板试件进行试验研究,考虑的参数包括板件宽厚比、边界条件、开孔大小、孔洞位置及单(双)面贴布等。试验结果表明,贴布方向及贴布量对组合板极限荷载有很大的的影响;贴布效果的影响为,双层内纵外横向贴(LT2)单层内纵外横向贴(LT1)单层内横外纵向贴(TL1)单层纵向贴(L1)单层横向贴(T1)不贴布;其他条件相同,不同边界条件下组合板极限荷载的关系为:2边固支2边简支(2C2S)4边简支(4S)2边固支1边简支1边自由(2C1S1F)3边简支1边自由(3S1F)。2、FRP-钢组合板屈曲应力的理论及数值参数化研究基于大挠度理论,得到了组合板屈曲平衡方程及其抗弯刚度的计算方法,进而提出了考虑CFRP正交异性及孔洞参数的FRP-钢组合板屈曲应力的计算公式。对ABAQUS软件提供的参数化建模方法进行改进,根据板件尺寸、是否有孔以及孔洞位置的特征,建立了四个模块模型input文件及一个脚本psf文件参数化模型,通过脚本psf文件自动对组合板的相关参数进行识别并选择合适的模块模型input文件,自动化批量生成CFRP-钢组合板的数值模型,该方法克服了传统参数化建模无法对结构几何及网格尺寸进行参数化建模的缺点。并通过试验验证了改进后参数化建模方案的可行性,进而对屈曲应力计算公式中的刚度修正系数α_D及屈曲系数Ku进行大量参数分析及研究,得到了的计算公式及的影响曲线。3、FRP-钢组合板极限荷载的计算方法研究基于组合板屈曲应力的计算方法,提出了CFRP-钢组合板极限荷载的winter强度计算公式。并采用该公式对CFRP-钢组合板试验的极限荷载进行计算,与已有的钢板极限荷载的计算公式计算得到的结果进行对比,验证了使用winter强度计算公式计算FRP-钢组合板极限荷载的可靠性。4、FRP-钢组合板构件的试验研究进一步研究FRP-钢组合板构成构件的受压性能,设计了CFRP-钢组合板构成组合管的受压性能试验,试验主要包括3个方钢管及12个CFRP-钢组合管构件。采用三维数字图像采集系统对构件四个面的位移及变形进行监测,获得了构件荷载-位移曲线及承载性能。为组合板构件设计方法的提出及验证提供试验基础。5、FRP-钢组合板构件轴压极限荷载的计算方法研究介绍并比较了目前各国规范中受压构件承载能力的计算方法,提出了体现构件整体稳定及局部屈曲稳定状态的构件长细比因子λ_c及板长细比因子λ_p。结合第3及5章组合板屈曲应力的计算方法、第5章组合板极限荷载的winter强度公式、第7章等效截面模型以及第7章北美冷弯薄壁型钢结构的计算方法,提出了考虑了边界条件、开孔大小及位置等参数的FRP-钢组合板受压构件极限荷载的计算方法。按照此方法对已有试验的极限荷载进行计算,并与试验结果进行对比,验证了该方法计算FRP-钢组合板受压构件极限荷载的可行性。
【图文】：

焊接法,裂纹,螺栓连接

裂纹焊接法[19]

螺栓连接,焊接法,裂纹

螺栓连接[19]
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TU398.9

【参考文献】