（道路与铁道工程专业论文）复合材料增强结构极限承载力研究.pdf

摘要 本文以碳纤维复合材料在混凝土结构、钢结构中的应用为背景，应用有限兀 法对碳纤维筋代替钢筋的混凝士柱、高温下的混凝土短柱、存在动荷载( 冲击荷 载、循环荷载) 作用的混凝土柱及压弯荷载作用下的钢构件进行了增强前后的分 析。 对以碳纤维筋代替钢筋配筋的混凝土柱进行了分析。研究了碳纤维筋分别代 替纵筋、箍筋以及整体代替钢筋配筋对混凝土柱承载力的影响。并以算例证明了 因代替可减少混凝土的用量，进而可减轻混凝土结构自重。 对高温下碳纤维增强混凝土柱进行了承载力分析。研究了在高温下碳纤维套 箍的厚度、弹性模量对混凝士柱受眶承载力的影韵，比较了碳纤维套箍对不同形 状截面混凝土柱的增强效果，研究了纵向碳纤维对于受弯混凝柱承载力的影响。 对分别存在冲击荷载、循环荷载作用的碳纤维增强的混凝土柱进行了承载力 分析，研究了碳纤维厚度对存在动荷载作用的混凝土柱承载力的影响，根据已有 的存在循环荷载作用的混凝土柱例题，将未经碳纤维增强的混凝士柱有限元计算 结果与已有解进行了对比。 对压弯荷载作用下的碳纤维增强的矩形截面钢柱进行了非线性屈曲分析。推 导了表面粘贴碳纤维矩形截面钢柱的弹塑性失稳公式，经与有限元解对比，证实 了公式的正确性和精确性。 关键词：碳纤维；弹塑性：极限承载力；鸯限元法；稳定 a b s t r a c t b a s e do nt h ea p p l i c a t i o no fc a r b o nf i b e ri nc o n c r e t es t r u c t u r ea n ds t e e ls t r u c t u r e ， c o n c r e t ec o l u m nw h o s er e i n f o r c e m e n t sa r er e p l a c e db yc b a ra n dw h i c hu n d e rh i g h t e m p e r a t u r e ，d y n a m i cl o a dr e s p e c t i v e l yb e f o r ea n da f t e rw r a p p i n gc a r b o nf i b e ri s a n a l y z e db yf i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，n o n - l i n e a r i t yb u c k l i n gc a p a c i t yo fs t e e lm e m b e rt h a t u n d e rt h ea x i a lc o m p r e s s i v el o a da n db e n d i n gm o m e n tb e f o r ea n da f t e rb e i n gw r a p p e d c a r b o nf i b e ri sp l a s t i c a l l ya n a l y z e db yf i n i t ee l e m e n tm e t h o d b e a r i n gc a p a c i t yo fc o n c r e t ec o l u m nw h o s er e i n f o r c e m e n t sa r er e p l a c e db yc b a r i sa n a l y z e d t h ee f f e c t so ft h el o n g i t u d i n a lr e i n f o r c e m e n t s h o o p sr e s p e c t i v e l ya n da l l b e i n gr e p l a c e db yc - b a r o nt h eb e a r i n gc a p a c i t yo fc o n c r e t ec o l u m na r es t u d i e d i ti s c o n f i r m e dt h er e p l a c e m e n tm e n t i o n e da b o v ec a nr e d u c et h eq u a n t i t yo fc o n c r e t ei n c o n c r e t ec o l u m nb ya l le x a m p l e ，a n dw h i c hc a l ll i g h t e nt h ed e a d w e j f g h to fc o n c r e t e s t m c t u r e b e a r i n gc a p a c i t yo fc o n c r e t ec o l u m ns t r e n g t h e n e dw i t hc a r b o nf i b r eu n d e rh i g h t e m p e r a t u r ei sa n a l y z e d n ee f f e c t so ft h i c k n e s s e l a s t i cm o d u l eo fc a r b o nf i b r eo nt h e b e a r i n gc a p a c i t yo fc o n c r e t ec o l u m na r es t u d i e d ，t h es t r e n g l 【h e n e de f f e c t so fc a r b o n f i b e ro nd i f f e r e n tc r o s ss e c t i o n s o fc o n c r e t ec o l u m n sa r cc o m p a r e d t h ee f f e c to f l o n g i t u d i n a lc a r b o nf i b e ro nt h eb e a r i n gc a p a c i t yo fc o n c r e t ec o l u m nu n d e rb e n d i n g m o m e n ti ss t u d i e d b e a r i n gc a p a c i t yo fc o n c r e t ec o l u m ns t r e n 9 1 h e n e dw i t hc a r b o nf i b r eu n d e ri m p a c t ， c y c l i c a ll o a dr e s p e c t i v e l yi sa n a l y z e d e f f e c t so ft h i c k n e s s ，e l a s t i cm o d u l eo fc a r b o n f i b e ro nt h eb e a r i n gc a p a c i t yo fc o n c r e t ec o l m n na r es t u d i e d a c c o r d i n gt ot h ee x i s t i n g e x a m p l e ，t h ef e ms o l u t i o na n da n a l y t i c a ls o l u t i o no ft h eb e a r i n gc a p a c i t yo ft h e c o n c r e t ec o l u m nu n d e rc y c l i c a ll o a da r ec o m p a r e d n o n l i n e a r i t yb u c k l i n gc a p a c i t yo fr e c t a n g l es e c t i o ns t e e lm e m b e rs t r e n g t h e n e d w i t hc a r b o nf i b e ru n d e rt h ea x i a lc o m p r e s s i v el o a da n db e n d i n gm o m e n ti sa n a l y z e d 。 a n a l y t i c a ls o l u t i o no fe l a s t i c p l a s t i cb u c k l i n go fr e c t a n g u l a rs e c t i o nc o l u m nw r a p p e db y c o m p o s i t e su n d e rt h ea x i a lc o m p r e s s i v e1 0 a da n db e n d i n gm o m e n t i sd e r i v e d ，a n dw h i c h i st e s t i f i e dc o r r e c ta n da c c u r a t eb yb e i n gc o m p a r e dw i t ht h ef e ms o l u t i o n k e yw o r d s ：c a r b o nf i b e r ：e l a s t i cp l a s t i c i t y ：u l t i m a t eb e a r i n gc a p a c i t y ：f i n i t e e l e m e n tm e t h o d ；s t a b i l i t y 大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果， 撰写成博士硕士学位论文：复金挝魁擅强结擅握匿丞戴垄婴窥 ：。除论文中 已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中 以明确方式标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开 发表或未公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：铌蝣沂瓣；月夥r 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连海事大学研究生学位论文提交、 版权使用管理办法”，同意大连海事大学保留并向国家有关部门或机构送交学位 论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于：保密口 不保密匿y ( 请在以上方框内打“4 ”) 论文作者签名：勘陂竹导师签名：彳剐 r 期：力以年；月鸪日 第1 章绪论 1 1 课题背景 进入2 1 世纪以来，时代步伐不断加快，伴随经济的迅猛发展，十术工程得到 了快速发展。目前，钢筋混凝土结构已是工业与民用建筑、桥梁工程、海港码头 和各类水工结构及其他构筑物最常用的结构形式，成为我国乃至世界备国占主譬 地位韵建筑结构，在我国社会主义经济建设中发挥着不可代替的作用i l l 。因此，确 保混凝土结构安全使用具有重大的现实意义。 强烈地震是一种具有毁灭性的自燃灾害。由于地震引起建筑物破坏和倒塌将 给人民生命财产造成不必要的巨大损失。近年来，在地震中因为混凝土柱的破坏 而导致建筑物倒塌的例子并不少见。1 9 9 4 年，深圳市龙岗区一栋6 层钢筋混凝土 框架结构宿舍楼在地震中整体倒塌，造成2 1 人死亡，3 6 人受伤1 2 l o1 9 9 5 年闩本阪 神地震中，因立交桥、高架桥柱式墩倒塌而造成数亿美元损失【孤。分析表明，在地 震荷载作用下。钢筋混凝土柱承受的纵向力和水平力明显增大，一些抗震性能较 差的钢筋混凝土柱因为纵筋屈曲而导致柱的破坏，继而引发工程结构的倒塌。因 而，如何改善钢筋混凝土柱的抗震性能是钢筋混凝土结构中亟待解决的一个问题， 备受各国研究人员的高度重视【“。 由于经济快速发展，都市高楼林立、人e l 过度集中化，而意外火灾事件频传i ”。 综观国内外建筑物构造方式，主要皆为混凝土结构物，因而对其在高温下承载能 力的考虑不容轻视。事实证明，作为重要承载构件的钢筋混凝土柱，在火灾下失 去承载力是导致建筑物局部、甚至整体破坏的主要漂因之一l 】。高温下，混凝土将 产生热分解，从而改变了混凝士的力学和热学性能，致使混凝土的强度及弹性横 量随温度升高而显著降低；同样在火灾下，钢筋的温度也随着温度的井商丽降低， 因而高温条件下，钢筋混凝土柱整体承载力必然随着温度升高而下降1 ”。1 9 9 3 年5 月，南昌万寿宫商城1 、2 号楼在火灾轰燃后约2 小时发生整体倒塌，造成直接经 济损失约6 0 0 万元和较大负面社会影响【8 】。1 9 9 4 年6 月珠海市一厂房大楼在火灾 后倒塌，造成5 0 多人死亡、1 0 0 多人受伤凡惨重的事实告诫人们，寻求有效办 法提高钢筋混凝土柱耐火能力至关重要。 此外，钢筋混凝土结构在外界荷载作用下容易产生裂缝，雨水通过这螳裂缝 渗透到结构中，将引起钢筋腐蚀导致结构承载力下降。与此同时，盱_ f 建筑年 代的久远、施工质量、设计缺陷、气候条件( 如风、雨、雪等) 、战争等多疗面的 原因，许多重要基础设施的使用功能受到严重影响1 1 0 l 。新的时代提出了新的要求， 现代化基础设施的规模、性能、使用要求和设计规范与过去相比发生了很大变化， 基础设施建设的技术标准不断更新，人们对建筑物的安全性、适用性和耐久性的 要求不断提高，因此科研工作者有必要对现有大量已不满足现代化建设要求的结 构进行增强及加固方面的分析研究。 土木工程的发展，很大程度上依赖性能优异的新材料的应用与发展。近3 0 年 来，复合材料以自身多种特性优点在航空、航天、能源、交通、建筑、机械等领 域日益得到广泛应用。有人预言，2 1 世纪将是复合材料的时代f l l l 。c f r p ( c a r b o n f i b e rr e i n f o r c e dp o l y m e r 碳纤维增强塑料) 是种性能优异的复合材料，具有比强 度高、比模量大、耐高温、耐腐蚀、重量轻、耐疲劳、非磁性、热稳定性好等优 点，它在土木工程中的应用，近几年来一直是国内外土木工程界研究的一个热点 1 1 2 】。目前在钢筋混凝士结构中，碳纤维复合材料的主要应用形式有以下三种： 在结构外部粘贴碳纤维布；在混凝土中掺入碳纤维；以碳纤维塑料筋代替粱 的受拉筋或拉索。其中、两方面，许多学者已进行了合理的研究，而方面 的研究却起步不久，对于碳纤维增强混凝土结构在高温或动荷载下的力学性能的 研究也并不多见，至于以碳纤维复合材料筋替代钢筋作为混凝士柱纵筋、箍筋研 究的相关报道更是很少见，然而这些研究却是十分必要的，本课题难是基于上述 背景下提出的。 1 2 课题研究的目的与意义 碳纤维复合材料力学性能优越已经得到了一定的肯定和应用，但这种优越性 尚未被充分利用。首先，试验已经验证，碳纤维棒材不仅具有很大的抗拉能力， 同时也具有很大的抗压能力【1 3 l 。在美国加利福尼亚州，人们正在研究建设主要以 碳纤维建筑材料的摩天大楼，摩天大楼将多根碳纤维棒每根棒的断面3 0 毫米宽、 3 0 0 毫米高沿着建筑物的外围从底部至顶部螺旋形上升而形成的菱形网络，组 成了一个刚度很大的筒体结构，来承受大楼的竖向和水平荷载。实例已经证明， 很多铡筋混凝土柱的破坏均始于纵筋的屈曲，若用抗拉、压强度商的碳纤维复合 材料筋代替纵筋及箍筋，则可以定程度上提高混凝土柱承载力；其次，碳纤维 布( c f r p ) 具有耐高温的特性，用它围覆混凝土柱，则可虬增强柱体在火灾高温 条件下的承载力：再次，碳纤维布具有耐疲劳的优点，钢筋混凝土拄在冲击、循 环荷载下的破坏目前也倍受关注，利用碳纤维布来围覆柱体，则可以增强其在冲 击、循环荷载下的抵抗破坏的能力。基于上述考虑，本课题以碳纤维布( c f r p ) 、 碳纤维棒为主要增强材料，针对混凝土柱纵筋屈曲以及在高温、冲击、循环荷载 条件下承载力一f 降的问题进行增强研究，从而达到有效提高混凝土柱承载力的i ；：l 标。可以说，本课题是对纤维增强复合材料增强德凝士结构技术更深层的探索 研究，使得建筑物更好地满足安全性、适用性、耐久性的要求，减少工程事放的 发生，减少国家和人民财产的损失。课题的产生来源于实际工程需要，研究的目 的和意义也在于满足这种需要。 1 3 碳纤维增强加固技术的特点及其应用现状 1 3 1 传统混凝土结构增强加图方法及其存在的问题 混凝土结构由于旆工、设计及使用等方面原因造成结构不能满足正常使用要 求，从综合因素方面考虑，有必要对其进行增强加固。传统棍凝土结构增强加围 有以下几种方珐 “l 。 ( 1 ) 外包混凝土加固法，是通过增大混凝土结构截面面积来提高结构承载力 和满足结构正常使用要求的一种加阎方法。该方法习前使用较多置适用范嗣较广， 可用来加固粱、板、柱、基础和屋架等。 ( 2 ) 外包钢加固法，是一种采用型钢包裹混凝土结构的加固方法，分于式和 澡式两种。这种方法能较大幅度地提高混凝土结构的承载力和延性，广泛运用于 加固混凝土结构梁、柱及行架旋腹杆。 ( 3 ) 预应力加固法，是采用外加预应力的钢拉杆或斜杆对结构进行加固的一 种方法，通过施加预应力改变原结构内力分布，降低原结构应力水平，能部分或 完全消除原结构应力集中现象，使后加部分结构与原结构能共同工作，该方法适 用于要求提高承载力、刚度及抗裂性且加固后占用空间不大的混凝土结构。 ( 4 ) 改变结构传力途径加固方法，它是通过增设支点( 柱或托架) 的方法使 结构受力体系得以改变的加固方法，蕾要分为以下两种方法：增设支点法，扒 结构受力体系得以改变的加固方法，主要分为咀下两种方法：增设支点法，扒 结构计算角度考虑，通过减小结构计算跨度和变形以提高结构承载力的加固方法， 托粱拔柱法，是在不拆或少拆除上部结构的情况下拆除、更换、加长柱了：的 种加固方法。 ( 5 ) 外贴粘钢加圃法，它采用建筑结构胶将钢板粘贴在钢筋混凝受弯构件 菠面，加固后的结构与钢板具有良好共同工作性能。此法加固占空间小施：i 胤 朗短、消耗材料少，粘钢加固部位、范围和强度可根据结构要求设计。 ( 6 ) 其它加固方法，如加掖加固法、喷射混凝土补强法等，这些方法适用范 围广，特别对大面积的建筑物和构筑物，如大基础、塔、墙和板的补强效果尤为 显著。 传统加固方法虽方法种类较多，且每种加固方法都有各自的优点，但每种方 法加固的综合效果都不尽如人意。外包混凝土加固法加大了结构几何尺寸，减少 了原有建筑物使用面积且增加了结构自重，且现场湿作业工作量大，养护期较长， 对居住在旆工现场周围人们的生产和生活有一定影响；外包钢加固法由于采用了 会属材科，当结构所处环境含有腐蚀性介质时，型钢容易发生腐蚀，影响加固效 果；预应力加固法不适用于在高温环境中工作的或收缩徐变大要求不改变结构外 观的混凝土结构；增设支点法使用于房屋净空不受限制的大跨度结构的加固，主 要适用于要求建筑物使用功能改变和增大空间的结构加固；外贴粘钢加固法适用 于承受静力作用妁一般受弯构件，且构件所处的环境温度不应超过6 0 ，相对湿 度不大于7 0 且无化学腐蚀。加固构件的混凝土强度须高于c 1 5 ，而其他加固方 法则均需要大型专用设备【1 5 l 。 这迫使人们努力寻求一种新工艺、新材料以解决混凝土结构增强加固问题。 随着c f r p 这种新型系列复合材料的出现及对其增强加圈混凝土结构效果研究的 深入，这种材料越来越受到土木工程师们的青睐，其应用范围和区域也越来越广 范。 1 3 2 碳纤维增强技术的特点 纤维增强复合材料是指由纤维基体材料和增强材料组成的材料。纤维复合材 料按纤维种类不同可分为碳纤维、玻璃纤维( 俗称玻璃铜) 、芳纶纤维、硼纤维等 复合材料；按基体材料不同可分为树脂基体、陶瓷基体、金属基体等【1 l l 。在所有 纤维复合材料中，以碳纤维复合材料用量最大、技术最成熟、应用范围最，“，这 t 要因为碳纤维材料的极限抗拉强度比其它纤维材料高，见图1 1 。 尊口sl mi j2 h2 j3 ) 盅堂i 图1 1 纤维复合材料与钢筋的应力- 应变曲线圈i 圳 f i g 1 1g r a p ho nt h es t r e s s - s t r a i no f f i b r er e i n f o r c e dc o m p o s i t e sa n dr e b a r 图1 1 表示碳纤维及其它纤维复合材料与钢材的应力一应变关系曲线。可以看 出碳纤维复合材料最大拉伸强度大大高于其它纤维材料和普通建筑钢材，虽然其 极限拉伸应变比其它材料小，但足以满足混凝士结构破坏前的变形要求。 c f r p 是采用多股碳纤维与基底材料( 如聚酰胺树脂、聚乙烯树脂、环氧树脂 等) 经过特定工艺复合丽成的纤维增强材料。采用c f r p 材料增强加固混凝土结 构具有以下一些特点1 1 6 】：由于c f r p 质强比大，比重小( 约为钢筋的1 ，4 1 5 ) ， 其抗拉强度明显高于普通钢筋，因此采用c f r p 增强混凝土结构在几乎不增加任 何重量的前提下就能达到预期的加固效果，且不改变结构的外观，这是其它增强 方法所无法比拟的；c f r p 材料的抗腐蚀性能好，不生锈且耐热、耐久性能良好， 能防磁，尤其适用于桥梁桥墩及其它近海岸工程结构构件等腐蚀性较大的环境中； 对于采用布状复合材料增强的混凝土结构，可按结构的表面形状进行粘贴，不 受结构外形的限制，材料成型很方便，能满足结构增强后的外观要求且不增加结 构的截面尺寸，且可采用多层纤维复合材料布进行粘贴：施工过程中无须大型 机械设备，占地面积少，工期较短。由于采用环氧树脂类粘贴材料，不会对结构 产生新的损伤；碳纤维复合材料蠕变小，弹性模量适中，对碱性反应不敏感。 碳纤维材料的应变值通常为1 2 1 5 ，虽小于钢筋的极限拉应变。但足以保证 e _ 至收谴 混凝土结构破坏前的充分变形和断裂。碳纤维增强材料的应用形式有很多，主要 形式如表1 1 所示。 表1 1 碳纤维增强材料的应用形式【1 7 】 t a b 1 1a p p l i c a t i o no fc a r b o nf i b r er e i n f o r c e dc o m p o s i t e s 其中，碳纤维布材形式纤维材料易批量生产和方便旌工，且能适应各种表面 形状构件，是目前纤维增强复合材料最主要的应用形式；由于实际工程的需要， 碳纤维塑料筋也开始逐渐地应用于工程之中；而其他形式的应用相对少见。 虽然采用碳纤维复合材料增强混凝土结构技术有诸多优点，但也存在些曩： 足之处。人们在设计和施工c f r p 增强混凝土结构时应引起注意。一是碳纤维复 合材料为线弹性材料，决定其破坏方式为脆性破坏；二是c f r p 材料和混凝十材 料一样，在长期高应力荷载作用下，纤维布最终因蠕变作用丽导致材料失效。在 设计c f r p 增强混凝土结构时，必须使结构增强后的最大应变值低于所用纤维的 最大应变值。 1 3 _ 3 碳纤维增强技术的应用现状 由于碳纤维材料性能优越，其在土木工程中的应用范围比较广泛，不仅可用 于桥梁、涵洞、隧道及其它近海岸工程中且可应用于一般民用建筑中。目前， c f r p 材料在国内外的应用形式主要有以下几种。 在需要增强的混凝土结构上粘贴c f r p 布。 美国为解决近海地区和气候寒冷地区钢筋混凝土结构遭受盐蚀侵害问题，在 二十世纪六十年代首次采用玻璃纤维复合材料加固钢筋混凝土结构，从而开始了 纤维增强材料在混凝土结构中的应用1 4 3 j 。但二十年后，才逐渐认识到纤维增强加 固混凝土结构在土木工程中的发展潜力。目前，该项技术在美国已广泛应用于桥 梁工程、民用建筑及其它基础设施中。日本兵库县大地震后，开始大量采用碳纤 维布加固建筑结构。欧洲对c f r p 增强加固混凝土结构的研究始于：f 世纪七 年代，在8 0 年代后期开始了此类增强结构的应用与开发【1 8 】。国外采用纤维布增强 加固混凝土结构技术不仅应用于受损的混凝土结构，还应用于许多新建混凝土结 构中，且应用于桥梁工程中的项目远多于民用建筑。总体来看，国外研究、应用 c f r p 增强技术较早，目前已进入该项技术应用的成熟阶段。 国内在近几年才开始纤维布增强钢筋混凝士结构的研究和应用。至1 9 9 8 年上 半年，国内有了纤维增强材料加固混凝土结构的第个工程实例。目前该项技术 在国内主要应用于民用建筑结构中，在桥粱建筑中的应用相对较少，这一点与国 外有所不同。 碳纤维棒材可代替钢筋作为混凝土梁的受拉筋或预应力筋和桥梁结构中的 拉索。 日本于1 9 8 8 年将c f r p 筋作为预应力筋应用到一座预应力混凝土板高速公路桥 中。其采用七股总壹径为1 2 5 m m 的线材组成的跨长为5 7 6 m 、宽为7 0 m 的c f r p 带。六束纤维被用于粱的一个下翼缘和两个上翼缘。外涂环氧树脂的钢筋被作为 箍筋。这种材料的保证强度p u 是t 3 7 k n ，其容许抗拉强度在张拉期间、张拉之后瞬 间和设计荷载分别为0 6 0 ，0 5 5 和0 4 5 p u 1 9 l 。加拿大舍布茹克大学的b r a h i m 1 6 l 。教 授为解决钢筋锈蚀问题，利用含g f r p 的c f r p 棒代替一段粱的受力钢筋考察了纤维 棒与混凝土的粘结情况及应力传递机理，为c f r p 棒代替普通钢筋做出了初步探索。 丹麦海宁建造一座长6 0 r e 斜拉桥大量应用了c f r p 合成材料，是迄今全部采用 c f r p 作斜索的已建桥梁中最长的，桥由1 6 根锚固于中央桥塔的斜索及其所支承的 桥面组成，桥面板用6 根直径1 2 1 5 m m 的7 股绞线c f r p 绞索做预应力后张拉，另 外4 0 m 长度段内用钢筋和不锈钢筋混合配筋i ”l 。 以短碳纤维的形式掺入混凝土中，达到增强混凝土抗压强度及延性目的。 碳纤维混凝土( c f r c ) 是在普通混凝士中均匀分散地加入短切连续的碳纤维， 经复合而成的水泥基复合材料。在混凝土中加入适量的短切纤维，可以提高其抗 拉强度，减少干缩变形，提高韧性，从而较大幅度地改善混凝士的性能，使其具 有优良的物理力学性能，而且使其具有压敏、电热等多种功能。研究表明，纤维 增强混凝的效果主要取决于基体强度、纤维掺量、碳纤维与基体间的粘结强度、 纤维的长度及纤维在基体中的分散程度。其中，改善纤维与基体间的粘结强度是 提高纤维增强效果主要途径之一。 此项技术是在1 9 8 9 年由美国的c h u n g d d l 首先发现。1 9 8 2 年，c f r c 复合板首 次用于巴格达市的一座纪念碑上；日本东京的a r k 大厦一次使用c f r c 幕墙板 3 2 0 0 0 m 2 。c f r c 耐磨、耐干缩、抗渗、耐化学腐可作为理想的路面材料。9 0 年代 后期开始，我国开展碳纤维混凝土自损伤诊断、自适应、自调节的研究，其中李 卓球、唐祖全等研究了碳纤维混凝土的s e e b e c k 效应和电热效应1 2 0 】。 目前碳纤维复合材料在国内外土木工程中应用的数量越来越多，在来来几年 中还会加大对此种材料的需求，其应用范围将越来越广，尤其在桥梁工程和近海 岸工程中。全面了解这种材料的性能，才能更好地将其运用于实际工程中。 1 4 拟解决的问题及应用前景 本论文以复合材料力学、结构力学、材料力学为理论基础，以有限元单元法 为计算工具，采用数值模拟与理论推导相结合的方法，将从以下几方面进行研究： 一是研究采用碳纤维棒代替钢筋混凝土柱的纵筋、箍筋后对混凝土柱受压承载力 的影响；二是以不同弹性模景、厚度c f r p 布增强混凝土柱承载力的分析；三是 研究高温下用c f r p 布增强混凝土柱后对承载力的影响；四是以c f r p 增强在冲击 或者循环荷载作用下的混凝柱承载力的分析：五是在轴压和弯矩作用下钢柱体 弹塑性失稳解析式的推导。 碳纤维增强混凝土技术是一门新兴的方便、有效的混凝土结构加固技术，它 极大的满足了目前对混凝土结构增强效果的需求，充分利用了现有有限资源，减 少了资源浪费，符合我国实施的可持续发展战略的要求。从长远利益来看，谈纤 维增强技术直接影响到我国国民经济的发展，对我国社会主义现代化建设也将产 生积极而深远的影响。因此，c f r p 增强混凝土结构技术在我国未来的应用前景是 十分广阔的。 1 5 论文的组成结构 根据本课题的研究内容，本论文主要分成以下七部分： 第一部分为绪论，主要包括研究课题的背景、目的及意义和碳纤维增强结构 技术的特点及应用现状； 第二部分为a n s y s 建模以及构件非线性屈曲分析的基本理论。主要阐述了 a n s y s 建模的方法及本文a n s y s 分析模型的建立、非线性屈强的类型和楣关雕 涂、弹塑性屈曲的有限元理论： 第三部分为用碳纤维棒筋代替钢筋混凝土柱的纵筋、箍筋后的屈曲承载力分 析，分析了混凝士柱受压承载力随着纵筋、箍筋配筋率变化而变化的规律，并以 实例说明了此代替可减少混凝土柱的结构自重。 第四部分为高温下碳纤维布增强混凝土柱屈曲承载力的分析，分别分析了混 凝土、钢筋的高温性能，继而分析了混凝土柱的高温性能，在不同温度条件以c f r p 市增强混凝土柱，并对结果进行了比较分析： 第五部分为以c f r p 提高混凝土柱在冲击、循环荷载作用下承载力的分析， 分析了碳纤维布增强厚度、弹性模量对有冲击荷载作用的混凝土柱承载力的影响， 同时对碳纤维布增强的混凝土柱在循环荷载作用下的滞回特性进行了分析，分析 了在轴压比和碳纤维增强厚度不同的情况下混凝土柱滞回性能； 第六部分为在轴压，弯矩作用下矩形截面钢柱体弹塑性失稳解析式的推导， 分别推导了仅受压侧出现塑性区以及受压，受拉侧均出现塑性区的失稳公式，并 以实例证明了公式的正确性和精确性。 第七部分为结论，此部分主要总结了本论文研究得出的结论，并对碳纤维增 强混凝土结构及钢结构的研究方向提出了一些建议。 1 6 本章小结 本蕈主要阐述了论文研究课题的背景、目的和意义，指出了传统加固混凝：l 结构方法的不足，通过介绍碳纤维复合材料的材料特性和应用现状，并将之与传 统增强方法作比较，表明了采用碳纤维增强钢筋混凝士结构的优越性。此外，简 要介绍了本论文的基本组成结构。 第2 章a n s y s 建模及屈曲分析基本理论 2 1 前言 目前，国内外已发表了不少有关纤维复合材料增强钢筋混凝土结构的文章， 绝大多数研究成果是通过试验研究得到的。由于受试验条件和经费的限制，试验 所能提供的信息通常是有限的。有限元法为研究钢筋混凝土结构的受力性能提供 了一种有效工具，可作为试验研究的扩充手段对混凝土结构系统地进行参数分析。 商业有限元软件的出现为利用有限元方法分析实际工程问题提供了方便、快 捷的途径。目前，运用比较广泛的有限元软件有a n s y s 、i d e a s 以及m a r c 等。各种 软件分析问题一般都含三大模块：前处理模块( p r e p r o c e s s ) 、求解模块( s o l u t i o n ) 和后处理模块( p o s t p r o e e s s ) 。商业软件提供的前、后处理模块弥补了传统有限元 方法的不足，前处理模块能够自动生成复杂结构的刚度矩阵等大量数据，取代了 以往手动输入数据方法，大大提高了分析问题的效率，而后处理模块可提供大量 丰富的动静态图象和列表，便于人们分析问题f 2 i j 。 本文采用a n s y s 软件分析计算了纤维复合材料增强混凝土构件在受压或动荷 载作用下的最大承载力及碳纤维增强压弯钢构件的屈曲承载力，并将其计算结果 与未增强构件的承载力进行了比较。a n s y s 软件的优越性不仅在于提供了其它有限 元软件的接口，且还提供了强大的设计功能( a n s y sp a r a m e t r i c d e s i g nl a n g u a g e ， 简称a p d l ) 。 2 2 模型的基本假设 由于钢筋混凝土构件实际受力问题是极为复杂的，这种复杂性是由多方面原 因造成的。如果不分主次地将与问题相关的所有因素都考虑进来，势必造成计算 求解过程的极其复杂，实际上也不可能求解。一般说来，在进行任何有限元计算 之前，按照结构的特性以及求解的范曝，应忽略一些次要因素，对所求解的问题 进行简化，特别是对计算模型的简化。为简化计算模型且可合理地模拟结构实际 受力状态，本文作以下一些假设【2 2 】： ( 1 ) 诗算主要考虑混凝土增强后结构的整体性能，鉴于采用箍箴均匀分布于 混凝土单元的模型产生误差较大，本文主筋箍筋分别采用单元建模，假设主筋与 混凝土材料之间无滑移，二者可视为刚性联结。 ( 2 ) 混凝士材料视为初始各向同性材料，开裂后按各向异性材料考虑，钢筋 假设为宏观各向同性； ( 3 ) 碳纤维复合材料为芷交各向异性材料，其应力一应变关系为线弹性。 于试验主要研究钢筋混凝土构件增强后的整体受力性能，试验过程未进行至纤维 布或纤维棒的破坏，计算时也未计算至纤维布的破坏； ( 4 ) 设碳纤维布与混凝士材料之间粘结完好，无脱落现象，碳纤维布和混凝 土之间无相对婿移。试验结果表明该假设完全成立。这在有限元模型中反映为 c f r p 单元与混凝土单元在粘结界面上的结点为同一结点； ( 5 ) 有限元模型在整个受力过程中始终保持平截面。 2 3 计算模型的建立 2 3 1 单元类型f 2 1 】 混凝土采用8 结点六面体单元( s o u d 6 5 ) ，单元形状见图2 1 。该单元只有x 、 y 、z 三个方向的自由度，无旋转自由度。考虑了混凝土材料断裂、压碎等非线性 特征。单元断裂或压缩发生在积分点处，并假设裂缝可按任轴向方向延伸。裂 缝采用弥散裂缝模式( s m e a r e db a n dm o d e ) ，裂缝是通过调整材料参数来模拟的， 断裂后的混凝土单元为各向异性。 图2 1 混凝土单元( s o u d 6 5 ) 模型 f i g 2 1m o d e lo fc o n c r e t eu n i t ( s o l i d 6 5 ) 乒 j 十 图2 , 2 配筋单元( u n 硒) 模型 f i g 2 2m o d e lo fr e i n f o r c e m e n tu n i t ( l i n k 8 ) f rr i a n g u l ar0 p l i o r l n o tr e c o m m en d ed ) 图2 3 复合材料单元( s 脏l l l 8 1 ) 模型 f i g 2 3m o d e lo fc e m p o s i t eu n i t ( s h e l l l 8 1 ) kl 纵筋及箍筋单元采用两结点三维杆单元( l 1 n k 8 ) ，单元形状见图2 2 。该单元 可以承受轴向拉伸、压缩荷载，具有初始应变的性质，可以用来模拟预应力钢筋 的初始应变，单元的每个结点只具有x 、y 和z 轴三个方向自由度，从而保证了 配筋单元和混凝土单元联结结点的自由度不会发生冲突。纤维复合材料片材单元 采用四结点薄膜单元( s h e l l l 8 1 ) ，单元形状见圈2 3 。该单元有平面内刚度而无平 面外刚度，单元的材料性质为正交各向异性，单元的每个结点也只具有x 、y 和z 轴三个方向自由度，从而保证了体单元和膜单元联结结点的自由度不会发生冲突。 2 3 2 单元采用的形函数及积分公式 单元分析在有限元分析中是很重要的一步，选取形函数又是单元分析中的关 键一步。一旦选定了模型所采用的单元类型，同时也确定并接受了该单元类型内 发明彤幽数。本文所米用的混殿土单兀类型为s o l i d 6 5 ，该单元形函数为： “- i 1 0 ，( 1 一s x l 一r x l 一r ) + “，( 1 + s x l r x l ，) + “。“+ sx 1 + t x l 一r ” + 百10 。( 1 - s x l + r x l - r ) + “。( 1 一s x 1 一t x l + r ) + “。( 1 + s x l 一r x l + ，” + ；( “。( 1 + s x l + r x l + r ) + “，( 1 一s x l + r x l + r ) + “。( 1 s 2 ) + “：( 1 一r2 ) ) + “，( 1 rz ) v i 1 ( v ( 1 一s x l - r x l - ，) + v j ( 1 + s x 1 - r x l r ) + v 。( 1 + s x l + t x l r ) ) + i 1 ( v 。( 1 - s x l + t x l 一r ) + v 。( 1 一s x l 一r x l + r ) + v 。( 1 + s x l 一t x l + r ) ) + ；( v 。( 1 + s x l + t x l + ，) + v ，( 1 一s x l + r x l + ，) + v 。( 1 s 2 ) + v ：g 。r 2 ) ) + v ，( 1 ，2 ) w t ；( m ( 1 一s x l 一r x l r ) + w j ( 1 + s x l r x l 一，) + w 。( 1 + s x l + r x x r ) ) + i ( w 。( 1 s x l + r x l r ) + w ”( 1 一s x l _ r x i + ，) + w w ( 1 + s x x r x l + ，) ) + i k ( 1 + s x l + t + r ) + 坼( 1 一s x l + r x l + r ) + w 1 ( 1 - s 2 ) + w ：( 1 - t 2 ) ) + w 3 ( 1 r 2 ) 单元计算所采用的积分公式为： j = ，。，) ，z m 蛾* 荟n 善m 善1 日。日，以，“，) ，以) 孝中：厂呼y ，z ! 塑积竺卑警；h i 圩，是加权因子；l ，m ，n 为高斯积分点 的个数；b ，y ，z ) 为高斯积分点的位置，如图2 2 所示。 杆单元l i n k 8 的形函数为： 1 ”言引扣 l + s t v ：三v ， 1 s ) + h f l + s j 2 w = m 1 一s ) + 砩f 1 + s ) j 图2 4 八节点块体单元积分点位置示意圈 f i 粤2 2s k e t c hm a p o ft h ep o s i t i o no fi n t e g r a lp o i n ti n8n o d eb l o c ke l e m e n t 2 3 3 单元划分方法【2 3 1 划分单元通常有两种方法：自由法( f r e em e s hm e t h o d ) 和映射法( m a p p e dm e s h m e t h o d ) 。 单元自由划分法对单元的形状、样式无任何限制。对于平面模型，单元划分 后的形状可以是三角形、四边形或五边形；对三维立体模型，单元划分后的形状 可以是锥形体、五面体或六面体。采用自由法划分单元便于模型的局部加密，划 分单元时所受的限制较少，但由于它对单元的形状无特别要求，因此对于某些单 元类型( s o l i d 6 5 ) ，采用此法划分有限元模型易产生奇异单元。 与自由法相比，映射单元划分法对单元的形状、样式有所限制，对于平面模 型，单元划分后的形状只能是四边形，而对于三维立体模型，单元划分后的形状 只能是六面体或单元类型允许的单元形状。此外，采用映射法划分单元的几何体 一般要求具有比较规则的形状。 缺省时，软件将采用最适合于分析模型的划分单元法进行单元划分。 2 3 4 有限元模型 有限元模型的建立常用以下两种方法【蠲：直接法，即先创建模型单元结点， 后将单元联结成单元；间接法，即先创建几何体，后对几何体进行网格划分。 两种方法各有利弊。采用直接法建模能方便地控制每个单元和结点的编号以 及单元的形状、大小和方向。对于单元和结点数较少的有限元模型，采用这种方 法比较方便。当单元、结点数目较多时，这种方法耗时太多。此外，采用直接法 建立的模型单元的大小和尺寸不易改变，且不能采用软件提供的自适应网格划分 疗法，使用结构的优化设计也不方便。 间接法正好弥补了直接法的缺陷，它适用于建立模型几何尺寸较大、单元数 目较多、结构复杂的有限元模型，尤其使用于建立三维有限元模型。采朋间接法 可方便地对几何模型进行拖拉、旋转等操作且便于对模型几何形状的修改可使 用软件提供的模型优化设计功能，模型单元可方便地加以修改。此外，如要启动 自适应单元划分功能必须采用间接法建立模型。但间接法建模不易控制单元和结 点的编号以及单元的尺寸大小，且采用间接法建简单、几何尺寸较小的模型时较 为麻烦，在某些特定环境下不能采用间接法建模。 本文的计算模型几何尺寸较大，又必须建三维有限元模型，且模型截面边界 为圆形及方形，采用的单元类型( s o l i d 6 5 ) 为直边单元，因此所须划分的单元数 目较多。综合分析后，认为采用间接法建模比直接法建模能更有效地建立有限元 模型，因此采用间接法建模。 2 4 屈曲分析基本理论 屈曲分析是研究结构或构件的平衡状态是否稳定的问题。处于平衡位置的结 构或构件，在任意微小外界扰动下，将偏离其平衡位置，当外界扰动除去后，仍 能自动恢复到初始平衡位置时，则初始平衡位置是稳定的，否则即使不稳定的。 结构或构件由于平衡形式的不稳定性，从初始平衡位置转变到另一平衡位置，称 为屈曲，或称为失稳i 州。 在工程结构中，构件、部件及整个结构体系都不允许发生失稳。屈曲不仅使 工程结构发生过大的变形，而且往往导致结构的破坏。时代的发展对现代建筑结 构提出了越来越高的要求，对土木工程结构稳定性的考虑是十分必要的。 2 5 稳定问题的分类【2 5 l 根据工程结构失稳时平衡状态的变化特征，存在若干类稳定问题。士建结构中， 主要有四种：分支点失稳、极值点失稳、屈曲后极值型失稳、跳跃型失稳。 2 5 1 分支