碳纤维增强复合材料（CFRP）加固钢管柱力学性能数值分析

发布时间：2017-09-05 07:45

  本文关键词：碳纤维增强复合材料（CFRP）加固钢管柱力学性能数值分析

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【摘要】：近些年来,随着我国钢材产量的提高以及生产技术的进步,越来越多的大型结构工程将采用钢结构。同时,钢结构以其质量轻、强度高、跨越能力强等独特的优势也被更多的桥梁工程师所青睐,2015年我国出台了《公路钢结构桥梁设计规范JTG D64 2015》,这更加说明钢结构已经成为桥梁的主要结构形式之一。然而桥梁运营环境恶劣以及荷载作用复杂等特点使钢结构所具有的稳定、疲劳、断裂、腐蚀等缺陷变得更为突出,一直是工程界的难题。而传统的钢结构加固技术往往存在缺陷,碳纤维增强复合材料(CFRP)加固技术的产生则恰好可以弥补传统加固方法的不足。钢管构件是桥梁工程中常用的受压构件,而目前,有关于碳纤维加固钢管受压构件的研究则较为有限,因此,本文将针对碳纤维加固钢管柱做进一步的研究。依托现有的碳纤维加固钢管柱试验结果,对其进行数值分析,并借助数值结果对纤维材料的受力性能、加固机理及稳定承载力的计算进行探讨。本文所做主要工作及结论如下:(1)提出一种碳纤维加固钢管柱的有限元分析方法,并将数值计算结果与碳纤维加固钢管短柱试验结果进行对比,验证有限元方法的合理性。在此基础之上,对加固构件中纤维材料的加固机理以及相关参数进行分析。结果表明,加固构件的稳定承载力随碳纤维加固层数的增加按线性增长,同时碳纤维布的加固效率随构件初始几何缺陷以及径厚比的增加而增加,随长细比的增加而减小,建议当钢管柱长细比大于15时采用纤维沿纵向铺设的加固方式。环向铺设碳纤维材料对于圆形截面钢管柱的加固效率大于矩形截面钢管柱。(2)对碳纤维布加固钢管长柱进行有限元分析,并根据试验及数值计算结果,分析加固构件中纤维材料的加固机理以及受力性能。结果表明,加固构件稳定承载力的提高主要源于纤维材料表现出了一定的抗压刚度,且其抗压弹模随加固层数的增加而增加。碳纤维加固钢管长柱稳定承载力的计算,可采用换算截面法按柏利公式或我国现行《钢结构设计规范GB50017-2003》进行计算。(3)通过编制计算程序,采用纤维模型法对碳纤维布加固钢管长柱进行数值分析,考虑纤维材料的脆性断裂和拉压异性性能。计算结果表明,纤维模型法可以更全面的考虑碳纤维材料在加载过程中的受力状态。(4)对碳纤维板加固钢管柱进行数值模拟,并与试验结果进行对比,分析碳纤维板的剥离及受压破坏过程。计算结果表明,纤维板与钢材之间的界面关系可以近似采用双线性粘结滑移模型进行分析。加固构件中纤维板的抗压刚度与抗拉刚度相当,在计算过程中可近似按相等考虑。
【关键词】：碳纤维增强复合材料 钢管柱 稳定性 有限元分析 纤维模型法
【学位授予单位】：长安大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：U445.72
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-11
• 第一章 绪论11-27
• 1.1 管结构在桥梁工程中的应用11-13
• 1.2 钢结构在桥梁中的常见病害13-14
• 1.2.1 腐蚀13
• 1.2.2 疲劳开裂13-14
• 1.2.3 杆件变形14
• 1.3 传统钢结构的加固方法及不足14-16
• 1.4 碳纤维增强复合材料加固技术16-18
• 1.4.1 碳纤维增强复合材料简介16-17
• 1.4.2 碳纤维增强复合材料加固钢结构的优势17-18
• 1.5 碳纤维材料加固钢结构的研究现状18-21
• 1.6 碳纤维材料加固钢管柱的研究现状及存在的问题21-23
• 1.6.1 国内研究现状21-22
• 1.6.2 国外研究现状22-23
• 1.6.3 现有研究存在的问题23
• 1.7 本文的研究意义23-24
• 1.8 本文主要研究内容24-27
• 第二章 碳纤维布加固钢管短柱有限元分析27-51
• 2.1 非线性有限元分析27-28
• 2.1.1 非线性分析27-28
• 2.1.2 ABAQUS软件简介28
• 2.2 有限元模型的建立28-35
• 2.2.1 单元类型的选择29-30
• 2.2.2 纤维材料各项异性的考虑方法30-31
• 2.2.3 约束及加载方式31
• 2.2.4 残余应力31-32
• 2.2.5 初始缺陷32-34
• 2.2.6 非线性的求解方法34-35
• 2.3 有限元计算结果35-40
• 2.3.1 残余应力的影响分析35
• 2.3.2 有限元结果与试验结果对比35-38
• 2.3.3 CFRP加固圆形钢管有限元分析38-40
• 2.4 纤维材料的加固机理分析40-43
• 2.4.1 环向铺设纤维材料受力分析40-41
• 2.4.2 纵向铺设纤维材料受力分析41-43
• 2.5 参数分析43-49
• 2.5.1 加固层数43-44
• 2.5.2 初始几何缺陷44-45
• 2.5.3 截面形状及径厚比45-47
• 2.5.4 长细比47-49
• 2.6 本章小结49-51
• 第三章 碳纤维布加固钢管长柱有限元分析51-67
• 3.1 有限元分析51-57
• 3.1.1 模型建立51-52
• 3.1.2 CFRP的受力性能分析52-55
• 3.1.3 结果验证55-57
• 3.2 碳纤维材料的加固机理分析57-59
• 3.3 稳定承载力计算59-64
• 3.3.1 基于Perry Robertson公式的稳定承载力计算方法61-62
• 3.3.2 基于规范的稳定承载力计算方法62-64
• 3.4 本章小结64-67
• 第四章 碳纤维布加固钢管长柱的纤维模型法67-87
• 4.1 纤维模型法简介67
• 4.2 基本假定67-68
• 4.3 纤维模型法68-80
• 4.3.1 模型建立68-79
• 4.3.2 程序编制流程图79-80
• 4.4 计算结果80-84
• 4.4.1 初始缺陷的确定80
• 4.4.2 纤维模型法的计算结果80-84
• 4.5 加载偏心的影响分析84-85
• 4.6 本章小结85-87
• 第五章 碳纤维板加固钢管长柱有限元分析87-95
• 5.1 有限元分析87-92
• 5.1.1 有限元模型的建立88-89
• 5.1.2 接触分析89-90
• 5.1.3 单元失效90-91
• 5.1.4 初始缺陷91-92
• 5.2 计算结果92-94
• 5.3 本章小结94-95
• 第六章 结论与展望95-97
• 6.1 结论95
• 6.2 展望95-97
• 参考文献97-103
• 攻读硕士学位期间取得的研究成果103-104
• 致谢104

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 李兆阳;高小育;陈沿辰;;碳纤维布加固钢管轴压短柱有限元分析[J];四川理工学院学报(自然科学版);2015年05期

2 袁菁颖;王春江;李向民;许清风;;CFRP布加固H型钢梁承载力试验研究[J];建筑结构;2011年10期

3 肖海珠;易伦雄;;南京大胜关长江大桥主桥上部结构设计[J];桥梁建设;2010年01期

4 李宁;王占飞;隋伟宁;;内置十字钢板补强圆形钢桥墩的抗震性能[J];辽宁工程技术大学学报(自然科学版);2009年02期

5 闻洋;罗国荣;郝铭科;;纤维模型法在矩形钢管混凝土梁中的应用[J];内蒙古科技大学学报;2008年04期

6 李苏苏;陈凤山;刘毅;;碳纤维增强复合材料力学性能的试验与分析[J];工业建筑;2007年05期

7 卢亦焱;张号军;刘素丽;;碳纤维布与钢板黏结剪切性能研究[J];土木工程学报;2006年10期

8 王俊华;陈宝春;黄文金;;现代钢管桁架桥[J];中外公路;2006年04期

9 李明华;高宗余;;武汉天兴洲公铁两用长江大桥正桥的设计[J];中国铁路;2006年03期

10 郑云,叶列平,岳清瑞;FRP加固钢结构的研究进展[J];工业建筑;2005年08期

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本文编号：796730