CFRP加固RC梁静载荷效应的有限元模拟

目的应用非线性有限元方法模拟碳纤维复合材料（CFRP）加固钢筋混凝土（RC）梁承载过程中结构的载荷效应（挠度、应力应变和承载力）．方法以4根CFRP加固RC试验梁的抗弯试验为依据，讨论了三维有限元分析模型的建立，包括：混凝土、钢筋、CFRP及CFRP和混凝土界面等单元的选择及本构关系原理。并选择了合适的裂面剪力传递系数．采用商业有限元计算软件ANSYS。模拟了4根CFRP加固RC梁加载的全过程．结果有限元模拟破坏承载力与实际破坏载荷基本接近，误差可控制在15％以内；有限元模拟压区混凝土、受拉钢筋、CFRP应变与实际测量应变在受拉钢筋屈服前基本一致；有限元模拟跨中挠度与试验测量挠度基本吻合．结论证明有限元方法可较好的预测CFRP加固RC梁的静载荷效应．     

侧嵌式CFRP板加固损伤RC梁抗弯性能研究

在预先制作的6根损伤RC梁两侧面受拉区开相互垂直的纵槽、竖槽,嵌入CFRP板,进行三点弯曲试验。研究纵槽间距、竖槽间距对加固RC梁抗弯性能的影响。结果表明,此加固方法可以提高加固梁正截面抗弯刚度,控制原有裂缝的发展、数量;竖槽CFRP板可作为锚固件,防止加固梁出现粘结破坏;随着纵槽间距增大,加固梁的抗弯性能减弱;本文推导的加固RC梁跨中挠度及抗弯承载力计算公式可作为构件设计依据。     

FBG传感器实时监测CFRP加固RC梁荷载效应研究

用埋入布拉格光栅（FBG）光纤传感器的CFRP加固RC梁可实现加固和实时健康监测双重功能。通过监测RC梁承载过程中FBG传感器波长来监测CFRP层应变，根据加固梁实时荷载效应计算理论得出受拉钢筋、压区混凝土的实时应变和实时测算荷载。通过4根RC梁的荷载效应实验发现，FBO光纤传感器与传统应变片有完全一致的线性关系；计算所得RC梁受拉钢筋、压区混凝土实时应变和实时荷载与实测值都吻合得较好。     

有弱界面的CFRP抗弯加固中U型箍防剥离研究

锈蚀钢筋混凝土梁置换保护层或直接粘贴CFRP加固时,可能因新老混凝土结合面或锈胀裂缝产生水平削弱面.设计了9根加固梁,研究弱界面对CFRP剥离的影响及传统U型箍约束的有效性.结果发现,2种弱界面均使加固梁的整体受力性能受到削弱,局部剥离破坏更易发生,且界面越弱,剪切传递能力越差.U型箍约束能够防止纵向CFRP发生脆性剥离破坏,保证其有效参与受力.然而弱界面仍有可能导致局部保护层剥离,纵向CFRP易过早拉断.实际应用中,宜适度降低纵向CFRP的容许拉应变,并采取更为严格的约束和锚固措施.     

CFRP加固钢筋混凝土梁的抗弯力学性能试验研究

对采用碳纤维增强复合材料(CFRP)加固的钢筋混凝土梁和未加固的钢筋混凝土梁进行了三点式弯曲加载试验,研究CFRP加固技术对钢筋混凝土梁的抗拉、抗压承载力以及抗弯性能等各方面的影响.试验表明,CFRP加固后能够有效延长梁的裂缝出现的时间,并能抑制裂缝的扩展,CFRP加固后的钢筋混凝土梁的极限承载力、抗拉和抗压能力以及抗弯性能均有较大提升,同时通过有限元软件对CFRP加固后的钢筋混凝土梁的力学性能进行分析,模拟结果与实验结果相一致.     

纤维织物增强高延性混凝土加固RC梁的受弯性能

为了提高钢筋混凝土（RC）梁的受弯承载力,采用纤维织物增强高延性混凝土（TRHDC）对RC梁进行受弯加固,设计2个对比试件和8个TRHDC加固试件.通过四点弯曲试验,研究纵筋配筋率、织物层数和持载水平对RC梁受弯性能的影响.试验结果表明：TRHDC加固梁均发生纵筋屈服、织物被拉断、受压区混凝土被压碎的弯曲破坏;纵筋配筋率为0.93%的TRHDC加固梁在纵筋与混凝土界面出现脱黏裂缝.与RC梁相比,TRHDC加固使梁的开裂荷载、屈服荷载和峰值荷载显著提高,最大提高幅度分别为1.61倍、65.9%和39.2%,裂缝发展被有效限制,但RC梁的位移延性系数降低2.6%～74.5%.增加织物层数将使加固梁的屈服荷载和峰值荷载的提高幅度非线性增加,该变化与纵筋配筋率有关;当持载水平由对比梁屈服荷载的50%升至80%时,加固梁的屈服荷载减小8.6%,峰值荷载及相应挠度分别增大3.2%和13.9%.提出TRHDC加固层滞后应变和TRHDC加固梁受弯承载力的计算方法,所得计算结果与试验结果吻合良好.     

CFRP加固损伤钢筋混凝土梁的性能试验

为研究碳维纤复合材料（CFRP）加固初始损伤钢筋混凝土梁的性能,进行了17片试验粱的加载试验。结果表明：腐蚀损伤、预加载损伤对CFRP加固试验梁的性能影响不大;同时黏贴纵、横向CFRP加固对试验梁的极限承载力提高效果显著;CFRP的加固作用主要体现在梁开裂以后的工作阶段;有腐蚀和预加载损伤的CFRP加固试验梁的荷载一挠度曲线接近双直线的折线形状;梁的承载试验结果略高于按照中国《碳纤维片材加固修复混凝土结构技术规程》（CECS146：2003）中抗剪承载力公式计算的结果;出于安全考虑。CFRP加固损伤钢筋混凝土梁抗剪承载力公式可参照该规程,并引入合适的折减系数。     

CFRP加固损伤RC梁抗弯性能试验研究

为研究CFRP加固修复不同损伤RC梁的抗弯性能,共设计4根钢筋混凝土梁进行抗弯试验研究,对2根构件预加荷载损伤后进行加固修复,分析采用CFRP加固修复后对损伤构件在破坏形态、挠度变化及极限承载力等方面的影响.结果表明:采用CFRP加固修复损伤构件后其极限承载力、刚度均有显著提升,提升幅值约为12.2％～17.5％,但构...     

CFRP加固大偏压RC柱二次受力时的机理分析

柱外部粘贴碳纤维布(Carbon fiber reinforced polymer,以下简称CFRP)加固,是一种安全、经济和快捷的加固方法,当今已经广泛地应用于工程中.钢筋混凝土(Reinforced concrete,以下简称RC)柱加固时一般难以完全卸载,因此加固后的RC柱存在明显的二次受力问题.比较了一次受力与二次受力的区别,针对CFRP加固的大偏心受压柱,推导了1种破坏模式下的承载力计算公式.分析了纵、横向加固CFRP后对柱受压侧混凝土强度的提高作用,并且提出界限状态下纵向CFRP界限加固量计算公式.     

ECC混凝土桩板墙支挡边坡抗震性能振动台模型试验研究

在强震作用下，传统桩板墙支护结构易出现不可恢复的损伤和变形，工程水泥基复合材料（ECC）具有较高的抗拉强度和拉应变硬化特性，在约束裂缝开展、抗弯承载力及耗能能力上优于普通钢筋混凝土，但ECC桩板墙支护结构的抗震性能尚不明确。由此，开展ECC桩板墙支护结构（ECC桩板）和普通钢筋混凝土浇筑的桩板墙支护结构（RC桩板）振动台试验，对比其动力响应和破坏特性。结果表明：ECC桩板的抗震性能优于RC桩板；在相同的地震动作用下，ECC桩板支护下边坡的动力响应小于RC桩板支护时，在更高强度的地震动作用下，相同材料强度的ECC桩板可保证边坡稳定性；在动力作用下，ECC桩板和RC桩板表现出较明显的弹性和弹塑性，在输入地震动较小时，两种支护结构的动力响应较为一致；当输入地震动峰值较大时，ECC桩板支护下边坡的加速度放大系数为RC桩板支护下的0.77~0.9倍，ECC桩板和RC桩板的桩背动土压力分布都表现为“双峰型”，RC桩背动土压力峰值为ECC桩背的5倍左右；两种支护结构的桩顶残余位移与震级呈指数关系，RC桩板的桩顶残余位移为ECC桩板的2倍。破坏阶段，ECC桩板仅在嵌固端面出现多条细微裂缝，RC桩板出现抗弯破坏特征，钢筋和混凝土相对滑移明显，位移不可控。     

预应力钢丝绳加固钢筋混凝土梁桥抗剪性能

通过对24片RC梁的抗剪试验,系统研究了抗剪加固的机理以及原梁设计参数、带载水平、损伤度、钢丝绳布置方式对抗剪加固效果的影响。研究结果表明:预应力钢丝绳可有效延迟RC梁的斜截面开裂,限制斜裂缝的发展,提高极限抗剪承载能力;钢丝绳对抗剪承载力提高的作用机理与RC梁的腹筋作用相似;原梁的设计参数对抗剪加固效果具有较明显的影响;随着带载水平的提高,抗剪极限承载能力提高的程度逐渐降低;原梁损伤度对抗剪加固效果有一定的影响,原梁裂缝宽度小于0.2 mm时,注胶效果不理想,提高幅度较小,宽度大于0.2 mm后注胶效果改善,承载力有所提高,但当裂缝宽度大于0.5 mm后,加固效果处于稳定阶段;U型布束加固效果优于斜向布束;对于T梁,U型部束方案优于U型闭布束。     

内置FBG的CFRP加固钢混结构安全测评

为实现碳纤维复合材料对钢筋混凝土结构集先进加固与实时在线安全测评双重功能,将布拉格光栅光纤传感器固化于CFRP中.实验表明FBG与CFRP相容性及应变传感特性理想.根据钢筋混凝土结构理论和ANSYS有限元软件编制CFRP加固RC梁受弯荷载效应模拟计算程序.采用基于MATLAB的MonteCarlo计算程序,完成被加固结构可靠度模拟.制备的钢筋混凝土实验梁,采用预置FBG传感器的CFRP加固.梁内部钢筋粘结FBG传感器,压区混凝土上粘接电阻应变片.实验表明:全部实验梁承载过程中,根据CFRP中FBG的实时应变值,通过编制模拟计算程序得到实验梁内部受拉钢筋、压区混凝土应变与实测值较好吻合.据此不仅补偿了在已建成结构内部不能再装置传感器的限制,而且可实时判断加固结构的损伤状态,完成安全测评.     

CFRP加固梁U型锚固效果的数值分析

CFRP与混凝土层间剥离是纤维加固钢筋混凝土梁中最常见的破坏形式,在CFRP端部或沿全梁设置横向U型锚固是目前工程中使用最广泛的防止过早剥离破坏的方法。采用数值计算方法,对比了无U型锚固,端部设置U型锚固以及沿全梁施加U型锚固3种情况下,加固梁的承载力、变形、粘结层的滑移量以及CFRP应变分布,分析研究U型锚固在CFRP加固钢筋混凝土梁中的作用。由计算分析结果可知,U型锚固可有效提高加固梁的承载力和刚度,防止过早剥离破坏的发生。在钢筋屈服后,沿全梁设置U型锚固比端部设置U型锚固能够更有效防止发生剥离破坏,但同时也引起CFRP应变分布不均匀,当CFRP被拉断破坏时,沿全梁锚固时加固梁的极限承载力低于端部锚固情形。     

混凝土率相关单轴塑性损伤本构的开发及应用

为了对爆炸作用下钢筋混凝土(reinforced concrete,RC)构件动力响应进行简化分析,需要合理描述混凝土和钢筋的应变率效应,而LS-DYNA中缺乏能够考虑混凝土应变率效应的单轴本构模型,因此,结合Faria单轴塑性损伤模型,通过黏性规则化方法调整率无关模型的损伤阈值演化律以考虑应变率效应,并利用LS-DYNA将该模型编制为用户材料子程序VUMAT.以单个单元测试了高应变率下材料的基本性能;基于纤维模型模拟了RC梁在爆炸、冲击作用下的动力响应.结果表明:该本构模型能反映混凝土受拉应变率效应高于受压应变率效应的事实,同时也能较准确地模拟爆炸与冲击作用下RC梁的动力响应.     

碳纤维布加固损伤混凝土梁的抗剪疲劳试验

对钢筋混凝土受剪梁疲劳损伤后进行了粘贴U型碳纤维布加固钢筋混凝土损伤梁的疲劳试验。试验结果表明：钢筋混凝土梁粘贴U型碳纤维布后箍筋应变减小了20％～40％，斜裂缝宽度减小了34％～39％，且碳纤维布用量越大效果越明显。因此，粘贴碳纤维布可以较大提高损伤混凝土梁的抗剪疲劳性能，延长损伤混凝土结构的使用寿命。     

CFRP加固钢筋混凝土T形梁抗剪性能试验研究

制作了5根钢筋混凝土T形梁,经过预裂模拟梁在受荷后的实际状况,采用粘贴碳纤维布(CFRP)方法对其进行加固,研究了U形箍宽度对加固效果的影响.分析了试验梁的斜裂缝宽度、位移、碳纤维布的应变和抗剪极限承载力.结果表明:CFRP有效约束了加固梁的裂缝开展,提高了梁的抗剪承载力;受粘贴效果和U形箍锚固效果的影响,抗剪承载力的提高并不与宽度的增加成比例.     

碳/芳纶/玻璃层间混杂纤维布加固腐蚀梁抗弯性能

为了研究用良好延性的混杂纤维增强聚合物(HFRP)加固腐蚀结构的可行性.研究了碳(CFRP)/芳纶(AFRP)/玻璃纤维(GFRP)层间混杂纤维布加固腐蚀梁的抗弯性能,结果表明:CFRP/AFRP/GFRP层间混杂纤维布加固腐蚀梁的开裂、屈服、峰值、极限荷载比未加固腐蚀梁分别提高了14%、35%、102%和109%,而位移延性系数降低了11%.在试验研究的基础上,给出了HFRP布加固腐蚀梁的承载力计算方法,理论计算值与试验值吻合良好.     

CFRP板加固混凝土梁不同锚固方式受弯性能试验研究

近年来,碳纤维板在桥梁加固领域得到广泛应用.为了提高碳纤维板的加固效率,本文在总结施工工艺的基础上,利用自己研发的一套CFRP板锚固装置,对4根CFRP板加固混凝土梁进行了抗弯试验.试验结果表明,加固后的混凝土梁开裂荷载略有提高但不显著,而屈服荷载和极限荷载却有30%的提高幅度;U型箍式、钢板压条式、内嵌式锚固方式在抑制钢筋受拉区和混凝土受压区应变的增长、提高CFRP板强度利用率、减小裂缝间距方面依次增强但加固梁的延性都不同程度降低;加固梁在提高后期刚度方面效果显著.     

CFRP与钢板条复合加固钢筋混凝土双向板有限元分析

在CFRP与钢板条带复合加固钢筋混凝土(RC)双向板试验研究的基础上,采用有限元软件对CFRP与钢板条带复合加固RC双向板的受力性能进行非线性有限元分析.研究了复合加固板的荷载-挠度变化关系以及加固板的裂缝分布.分析了CFRP与钢板条带复合加固RC双向板的受力机理.分析结果表明,通过合理选取有限元模型,可以较好地模拟CFRP与钢板条带复合加固双向板的受弯性能.有限元分析结果和试验结果均表明,复合加固方法充分发挥了CFRP和钢板各自的优点,两者能很好地协调工作,显著提高板的开裂荷载、极限承载力以及变形刚度,并且使加固板保持较好的延性.     

荷载与湿热环境耦合作用下粘钢加固RC梁的耐久性能

粘贴钢板在钢筋混凝土结构加固领域得到了广泛的关注,但关于加固结构耐久性的研究较少涉及,尤其是荷载与湿热环境耦合作用下的耐久性研究。为探究粘钢加固RC梁在湿热环境与荷载耦合作用下的耐久性与损伤机理,开展了空载、静载和交变荷载与湿热环境耦合作用下7片粘贴钢板加固钢筋混凝土梁的15、30 d高温高湿老化试验,最后进行了加固梁的三点弯曲试验,获取了不同荷载与环境工况耦合作用下加固梁的破坏形态、挠度、钢板与钢筋应变等力学参数,进一步分析了荷载与湿热环境耦合作用对加固RC梁的力学性能及耐久性能的影响。结果表明:经过15、30 d的湿热老化后,粘贴钢板加固RC梁的力学性能有所退化,耦合静载作用的加固梁力学性能退化更加明显,耦合交变荷载作用的加固梁力学性能退化最为显著;交变荷载与湿热环境作用下加固梁的极限强度、弯曲性能、钢板极限应变较对比梁分别下降17.26%、17.21%、41.92%;荷载与湿热环境耦合作用对梁体受力性能影响较大,对破坏模式影响较小,加固梁在荷载与湿热环境耦合作用下的破坏模式分为混凝土开裂、裂缝发展、钢板剥离破坏3个阶段;湿热腐蚀介质渗透入钢筋混凝土梁及粘结界面,对加固结构耐久性造成了损伤,荷载耦合作用进一步加剧了损伤演化。