高强不锈钢绞线网—渗透性聚合砂浆加固构件机理研究(土木结构工程专业优秀论文).pdf

山束建筑大掣 硕士掌位论文 摘要 高强不锈钢绞线网与渗透性聚合砂浆结合是一种新型加固材料 其中高强不锈钢绞线 网强度高 不生锈 运输及施工方便 聚合砂浆为无机材料 与混凝土材料粘结性能良好 耐久 耐高温 因此该项技术具有广阔的推广应用前景 作为一种新型的加固工艺 高强 不锈钢绞线网一渗透性聚合物砂浆这种加固技术可成功地解决结构加固的耐久性和耐高 温等问题 大型通用有限元软件a n s y s 具有强大的线性和非线性处理能力 本文分析了a n s y s 在土木工程中的应用 包括混凝土 钢筋 钢绞线 砌体 聚合砂浆单元的选取及参数的 设置 非线性分析选项的应用 非线性收敛的处理等 并基于该大型软件 就高强不锈钢 绞线网一渗透性聚合砂浆加固砌体和钢筋混凝土受弯构件的机理进行了分析探讨 得出了 一些有益的结论 本文首先对未加固砌体和加固砌体进行有限元建模 采用高强不锈钢绞线网一渗透性 聚合砂浆加固砌体 可以显著提高砌体的开裂荷载 极限荷载和刚度 分析了竖向压力 加固类型对砌体抗剪承载力 剐度的影响 通过数值模拟和理论分析 提出了高强不锈钢 绞线网 聚合砂浆加固砌体抗剪承载力计算公式 分析了高强不锈钢绞线网 渗透性聚合砂浆加固钢筋混凝土梁的工作机理 加固后 梁的抗弯冈 度和正截面承载力提高明显 对裂缝的产生和发展都具有很好的约束作用 推 迟了被加固梁裂缝的发展 在数值模拟的基础上 提出了高强不锈钢绞线网一渗透性聚合 砂浆加固混凝土梁的开裂弯矩 正截面承载力 抗弯刚度的计算方法 计算值与数值分析 结果吻合较好 高强不锈钢绞线网一渗透性聚合砂浆用于钢筋混凝土梁抗剪加固 其开裂 荷载 极限荷载值都有明显的提高 加固效果显著 通过抗剪加固 梁的剪切刚度有一定 程度的提高 加载后期刚度提高更加明显 抗剪加固对斜裂缝的产生和发展有具有很好的 约束作用 提出了加固后抗剪承载力的计算理论 关键词 高强不锈钢绞线网 渗透性聚合砂浆 砌体结构 混凝土结构 加固 山东爿吼大学甸e 士学位论文 a b s t r a c t s t a i n l e s ss t e e lw i r em e s ha n dp e r m e a b i l i t yp o l y m e rm o r t a ra r en e wm a t e r i a l so fs t r u c t u r a l s t r e n g t h e n i n g s t a i n l e s ss t e e lw i r em e s hh a sm a n ya d v a n t a g e ss u c h a si t sh i g l ls t r e n g t h s t a i n l e s s n e s s c o n v e n i e n c eo ft r a n s p o r t a t i o na n dc o n s t r u c t i o n p e r m e a b i l i t yp o l y m e rm o r t a ri sa k i n do fi n o r g a n i cm a t e r i a l i t sc o h e s i v ep r o p e r t yw i t hc o n c r e t em a t e r i a li sg o o d i ta l s oh a sg o o d l o n ge n d u r a n c ea n dh i g ht e m p e r a t u r ee n d u r a n c e s o t h et e c h n o l o g yh a sag o o da p p l i c a t i o n p e r s p e c t i v e a san e wm e t h o do fs t r u c t u r a ls t r e n g t h e n i n g r e h a b i l i t a t i o nw i t hs t a i n l e s ss t e e l w i r em e s ha n dp e r m e a b i l i t yp o l y m e rh a se f f e c t i v e l ys o l v e dt h ep r o b l e m so fl o n ge n d u r a n c ea n d l l i g ht e m p e r a t u r ee n d u r a n c ei nt h es t r u c t u r a lr e h a b i l i t a t i o n a so n eo ft h em o s tp o p u l a rf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r e a n s y sh a sg r e a tl i n e a ra n d n o n l i n e a rs o l u t i o na b i l i t i e s a c c o r d i n gt ot h es o f t w a r e t h ea u t h o rm a k e ss o m ea n a l y s i sa n d d i s c u s s i o no ft h ew o r k i n gm e c h a n i z a t i o nt o m a s o n r yw a l la n dr e i n f o r c e dc o n c r e t eb e a m s t r e n g t h e n e db ys t a i n l e s ss t e e lw i r em e s ha n dp e r m e a b i l i t yp o l y m e rm o r t a r t h ea p p l i c a t i o no f a n s y si nt h ef i e l do fc i v i le n g i n e e r i n gi si n v e s t i g a t e d w h i c hi n c l u d e st h es e l e c t i n ge l e m e n t t y p e so f c o n c r e t e r e i n f o r c i n gb a r s t a i n l e s ss t e e lw i r e m a s o n r yw a l l a n dp e r m e a b i l i t yp o l y m e r m o r t a r t h ea p p l i c a t i o no fn o n l i n e a rs o l u t i o no p t i o n s h a n d l i n gc o n s t r i n g e n c yo fn o l i n e a r f i r s to fa l l t h ea u t h o rm o d e l st h es t r e n g t h e n e da n dn o n s t r e n g t h e n e dm a s o n r yw a l l t h e r e h a b i l i t a t i o no fm a s o n r yw a l lu s i n gs t a i n l e s ss t e e lw k em e s ha n dp e r m e a b i l i t yp o l y m e rm o r t a r i m p r o v e st h es t r e i q f g t b e n e dw a l lsc h a r a c t e r i s t i cl o a da n ds t i f f n e s s a n a l y s i n gt h ee f f e c to f v e r t i c a ll o a da n df o r m so fr e h a b i l i t a t i o nt ot h es h e a rl o a d c a r r y i n gc a p a c i t ya n ds t i f f n e s so f s t r e n g t h e n e dw a l l t h ea u t h o rs u g g e s t st h ef o r m u l ao fs h e a rl o a d c a r r y i n gc a p a c i t yo ft h ew a l l s t r e n g t h e n e db ys t a i n l e s ss t e e lw i r em e s ha n dp e r m e a b i l i t yp o l y m e rm o r t a r s e c o n d l y t h ea u t h o ra n a l y s e sw o r k i n gm e c h a n i z a t i o no ft h es h e a rs t r e n g t h e n i n ga n db e n d i n g s t r e n g t h e n i n go fr e i n f o r c e dc o n c r e t eb e a m s t h eb e n ds t r e n g t h e n i n gb e a m b e n d i n gs t i f f n e s si s w e l li m p r o v e d s h e a rs t r e n g t h e n i n ga l s oh a sag o o dr e s t r a i n tt ot h eg r o w i n ga n de x t e n d i n go f t h ec r a c k s t h ea u t h o rs u g g e s t st h es o a t o nw a y so fl o a d b o r i n gc a p a c i t y c r a c k r e s i s t i n g c a p a c i t ya n db e n d i n gs t i f f n e s s a sar e s u l t t h en u m e r i c a lv m u et a l l i e sw i t ht h et h e o r e t i c a lv a l u e b yc o m p a r i n g t h e m t h eb e n ds t r e n g t h e n i n gb e a m c h a r a c t e r i s t i cl o a d sa n db e n d i n gs t i f f n e s sa r e i m p r o v e dw e l la n dt h er e h a b i l i t a t i o nr e s u l ti ss a r i s l y i n g t os o m ee x t e n t t h eb e a m ls h e a r 山东建筑大掣q 炙士掌位论文 s t i f f n e s si si n c r e a s e d a n dt h ee f f e c ti sm o r co b v i o u si nt h el a t e rs t a g eo fl o a d i n g s h e a r s t r e n g t h e n i n gh a sag o o dr e s t r a i n tt o t h eg r o w i n ga n de x t e n d i n go ft h ec r a c k s t h ea u t h o r s u g g e s t st h es o l u t i o nw a y so fs h e a rr e s i s t i n gl o a do fs t r e n g t h e n e db e a m s k e y w o r d s t a i n l e s ss t e e lw i r em e s h p e r m e a b i l i t yp o l y m e rm o r t a r m a s o n r yw a l ls t r u c t u r e c o n c l e t es t r u c t u r e s t r e n g t h e n i n g a u t h o r x um i n g g a n g d i r e c t e db y p r o f uc h u a n g u o 山东建筑工程学院学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果 尽我所知 除了文中特别加以标注和致谢的地方外 论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果 也不包含为获得山东建筑工程学院或其它教育机构的学位或证书而使 用过的材料 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明 并表示了谢意 研究生签名日期 进 j 山东建筑工程学院学位论文使用授权声明 山东建筑工程学院送交学位论文的复印件和电子文档 可以采用影印 缩印或其他复 制手段保存论文 本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致 除在保密期内的保密论 文外 允许论文被查阅和借阅 可以公布 包括刊登 论文的全部或部分内容 论文的公 布 包括于0 登 授权山东建筑工程学院研究生处办理 研究生签名 黼导师签名 粗 山东建筑大掌司e 士掌位论文 第一章绪论 1 1 综述 随着国民经济的高速增长 越来越多的危旧建筑与高速发展的生产不相适应 并造成 了很多危害 此时 对已有建筑的改造和加固也变得十分的重要 因此 建筑结构的诊断 加固 改造等技术得到了飞速的发展 专业的修复 改造建筑物的队伍不断出现 新型的 加固材料 专项技术也得到应用 同时国家也编制了一些与建筑修复 加固有关的规范 标准 条款来统一技术标准 此外 国际 国内的学术研讨会也不断举行 促进了国际技 术交流 推动了我国加固技术的发展 1 1 1 常用的加固方法 1 5 1 预应力加固法 预应力加固是通过增设补强杆件对原构件的受力截面旌加一定的初始应力 其优点 是 补强杆件能够可靠的参加工作 效果好 而且 在提高原构件的强度的同时 也提高 了其刚度和稳定性 可有效的减少裂缝宽度和构件的挠度 此种方法构造简单 施工比较 方便 是实际工程中应用较多的一项工程技术 一般可分为预应力补强拉杆和预应力补强 撑杆两种体系 2 粘钢补强加固技术 采用高强度的结构粘结荆将钢板粘结于需要补强的钢筋混凝土构件部位的表面 以 达到提高构件承载能力的目的 这种方法 称之为粘钢加固 对跨中抗弯能力不够的梁 可在梁支座截面上部的一定长度内打成槽形道 将钢贴于槽形孔道中 对抗剪能力不够的 梁 可将钢板粘贴于梁相关部位的侧面 这种加固的优点是 不影响室内空间 可在短时 间内达到设计强度 缺点是 施工工艺要求较高 粘结剂一般不耐高温 随着温度的升高 粘结力下降 3 水泥压浆加固法 水泥砂浆加固 是借助压力将水泥浆灌注到结构物的裂缝或空洞中 充填并固结这 些缺陷 达到恢复强度 整体性 耐久性的目的 它的操作技术易于掌握 用工少 用料 省 国内外已经在很多工程中得到应用 4 喷射混凝土补强技术 借助喷射机械 将一定配合比的砂 石 水泥 水等混凝土拌合料 以压缩空气作为 动力 通过管道 输送并以高速喷射到承喷面上形成具有一定强度的结构材料 成为喷射 山东建筑大掌司e 士掌位 沦j 混凝土 喷射混凝土由于是高速喷射的 反复连续冲击作用下被挤压密实 因而具有较高 的力学强度 喷射混凝土与一般的振捣密实的混凝土相比 在原材料相同的情况下 具有耐久性 抗冻性和抗渗性好 粘结力好的优点 并且喷射混凝土旌工设备简易 它将混凝土的运输 浇灌和捣实等几道工序台而为一 简化了工艺流程 节约了人力 施工速度快 特别是由 于他能与混凝土 岩石 钢材等材料粘合牢固 可以在结合面上传递一定的拉应力和剪力 由于高速高压的作用 喷射混凝土能射入宽度2 m m 以上的裂缝 并与被加固的结构紧密 结合 形成整体 共同工作 因此用于建筑物及构筑物的补强加固 不仅速度快 而且效 果好 可用于缺陷如孔洞 裂缝等加固 也可用于抗震加固 可整体加固 也可局部加固 可加固钢筋混凝土结构 也可加固砖石结构 特别适用于大面积的建筑物及构筑物的加固 5 加大截面加固法 加大截面加固法 也称为外包混凝土加固法 他是增大构件的截面和配筋 用以提 高构件的强度 刚度 稳定性和抗裂性 也可用来补修裂缝等 这种加固法适用的范围广 可加固板 梁 墙 基础等 根据构件受力特点和加固目的要求 构件尺寸 施工方便等可设为单侧 双侧或三侧 的加固 四面包套的加固 例如梁常用上 下侧加厚层加固 中心受压柱常用四面外包加 固 偏心受压柱常用单侧或双侧加厚层加固 根据不同的加固目的和要求 此法又可分为 加大截面为主的加固和加配筋为主的加固 或者两者兼备的加固 加大截面为主的加固 为了保证补加混凝土正常工作 需要配置钢筋 加配钢筋为主的加固 为了保证配筋的正 常工作 需按钢筋的间距和保护层等构造要求决定适当增大截面尺寸 加固中应将新旧钢 筋加以焊接 做好新旧混凝土的结合 加大截面加固法的缺点是现场湿作业工作量大 养 护期较长 对生产和生活有一定的影响 这种方法增大截面尺寸 有时影响房屋外观和净 空 6 外包钢加固法 外包钢加固法可分为干式和湿式两种 千式外包钢加固法是型钢直接外包于被加固构 件四周 型钢和构件问无任何连接 无水泥砂浆 这种加固方法不能确保结合面传递剪力 湿式外包钢加固法又分为两种 一种是用乳胶水泥浆粘结或以环氧树脂化学灌浆等方法 将角钢粘结在构件上 另一种是角钢和被加固构件之间留有一定的间距 中间浇注混凝土 实际上是一种外包钢和外包混凝土相结合的复合加固方法 干式外包钢施工更为方便 但 承载力提高不如湿式外包钢有效 外包钢加固的优点是 构件的截面尺寸增加不多 但构 山东建筑大学司陆掣啦论文 件的承载力可大幅度的提高 并且经过加固后原构件混凝土受到外包钢缀板的约束 承载 力和延性得到提高 同时此方法具有施工简便 工期短的特点 目前多用于加固钢筋混凝 土柱 梁 腹杆 外包钢混凝土加固法提高构件承载力较多 多用于单层工业厂房柱的加 固 但外包钢应须防腐处理 以提高其耐久性 7 纤维复合材料加固法 纤维复合材料加固法是广泛应用的一种加固方法 此种方法的优点是施工简便 而且 基本上不增加结构的重量 不增加构件的面积 不改变构件的外观的特点 缺点是纤维复 合材料加固同样是依靠有机结构胶与被加固构件相连接 同样存在胶的老化 耐高温及抗 火等问题 8 改变结构传力途径加固法 改变结构传力途径加固法是指通过增设支点的方法使结构受力体系得以改造的加固方 法 因此也叫做增设支点加固法 在梁 板跨中增设支点后 减少了计算跨度 从而能大 幅度的提高承载能力 并能减少和限制梁 板的挠度变形 其优点是施工简单 受力可靠 缺点是使用空间会受到一定影响 此适用于梁 板 桁架等结构的加固 传统的砌体结构加固法有增设圈梁构造柱法 增设拉结钢筋和增大截面法等 但是上 述方法施工过程既影响原有结构的正常使用 且加固后影响美观 缩小了建筑物内部的使 用空间 不适合社会的发展 1 1 2 高强不锈钢绞线网一渗透性聚合砂浆加固技术 h 高强不锈钢绞线网 渗透性聚合物砂浆是韩国爱力峰公司近年来开发的新型的加同材 料 高强不锈钢绞线网为高强不锈钢绞线编制成的钢绞线网如图1 1 所示 强度高 不锈 运输及施工简便 聚合砂浆为无机材料 与混凝土材料粘结性能良好 耐久 耐高温 山东爿暾大掌司陆学位论文 图1 1 钢绞线实例 高强不锈钢绞线网一渗透性聚合砂浆加固技术不仅可以提高结构的承载力和刚度 而且耐 久性好 属于新型的加固技术 高强不锈钢绞线网 渗透性聚合砂浆加固方法采用的都是 无机材料 并且聚合砂浆具有很好的耐高温的性能 对钢绞线具有热保护的作用 因此该 技术具有很好的抗火性能 该加固技术施工简便 施工过程中不使用大型机械施工机具 基本上不影响原结构的正常使用 该技术的技术特点有以下几个 1 能保证加固受力结构与原结构的有效粘结 而且此粘结具有很好的耐久性 耐高温性能 2 施工简便 不需要大型施工机械和施工模板 3 结构自重增加不大 有利于抗震 综上所述 该技术是一种非常有推广前途的工程结构加固方法 其成套技术研究具 有非常重要的理论意义和实用价值 1 2 高强不锈钢绞线网一渗透性聚合砂浆加固技术研究现状 1 2 1 钢筋混凝土有限元分析的研究现状 最早用有限元方法分析钢筋混凝土梁的学者是n g o 和s c o r d e l i s 当时他们的研究主要 基于线弹性理论 根据试验结果 将混凝土划分为三角形单元 按平面应力问题和线弹性 理论分析钢筋和混凝土的应力 在混凝土和钢筋之间附加了一种沿钢筋径向和切向都有一 定刚度的粘结弹簧 从而可以分析粘结应力的变化情况 为了反映混凝土的开裂特性 提 出了离散裂缝模式 即在梁中预先设置裂缝 裂缝的两边用不同的节点 裂缝间也附加了 特殊的无几何尺寸的连接弹簧 以模拟混凝土裂缝问的骨料和钢筋的销栓作用 1 9 6 8 年 n i l s s o n 在前人的基础上 将钢筋混凝土的非线性粘结关系和混凝土本身的非线性应力应变 关系引入有限元分析 当钢筋开裂后就重新划分网格 把裂缝设置在单元的边界上 1 9 7 0 年f r a n k l i n 引入弥散裂缝的方法 将钢筋分布在混凝土单元中 假定钢筋和混凝土之间有 效连接并可以自动的跟踪裂缝的发展 有些研究中还用拉伸强化的概念来考虑裂缝之m 混 山束建筑大掌硕士掌位论文 凝士对受拉的贡献 有些学者把分层法应用于钢筋混凝土梁的弯曲单元 板壳单元等 假 定每一个混凝土微元处于双向受力状态 裂缝沿板厚逐层的发展 这些单元被应用在大型 的混凝土结构的非线性分析中 2 0 世纪7 0 年代末8 0 年代初 研究成果主要有两个方面 一方面是继续在单元的模式的选取 混凝土的本构关系和破坏理论 裂缝的模拟和拉伸强 度 骨料咬合和销栓作用以及粘结方面进行深入的研究 另一方面是系统性的总结和交流 工作 在这一时期 欧洲和亚洲在钢筋混凝土结构的有限元方面进行了大量的研究工作 1 9 8 1 年 国际桥梁与结构工程协会在荷兰召开了 高等混凝土力学 的国际会议 1 9 8 4 年 在前南斯拉夫召开了 混凝土结构的计算机辅助分析和设计 国际会议 1 9 8 7 年在德 国召开了 钢筋混凝土空间结构非线性性能 的国际会议 同时 日本的研究在起步较晚 的情况下很快的发展到了应用的阶段 并在与试验的结合方面取得了很大的发展 从2 0 世纪8 0 年代到现在 混凝土本构关系的表达和试验研究方面得到了进一步的研究 同时 钢筋混凝土结构非线性有限元分析进一步向实用方向发展 并且研究的领域扩展到动力 冲击荷载下的非线性分析 其中高强混凝土和受约束混凝土结构的非线性有限元分析也受 到了重视 材料非线性 几何非线性以及时间因素的综合考虑也融入到了钢筋混凝土的结 构非线性有限元分析 在这一时期 我国在钢筋混凝土结构非线性有限元的大部分领域开 展了研究工作 取得了很大的发展 出版了混凝土结构非线性有限元分析方面的专著 反 映了我国这方面的研究成果 目前钢筋混凝土的有限元分析已经到了相当实用的阶段 欧 洲混凝土委员会在1 9 9 0 年的混凝土模式规范就已经将混凝土有限元方法纳入了有关条文 1 2 2a n s y s 在钢筋混凝土有限元分析中的应用 a n s y s 软件是美国a n s y s 公司开发的融结构 热 流体 电磁 声学于一体的新一 代大型的有限元分析程序 它拥有丰富和完善的单元库 材料模型库和求解器 能高效的 求解各类结构的静力 动力 振动 线性 非线性 模态分析 谐波响应分析 瞬态动力 分析 断裂力学等问题 它拥有完善的前后处理和强大数据接口 因而是计算机辅助工程 数值分析和模拟最有效的软件之一 在国外 a n t o n i oeb a r b o s a 教授运用a n s y s 钢筋混 凝土简支梁作了三维非线性分析 他在混凝土建模中采用线弹性和理想弹塑性模型 破坏 准则分别选择了v o n m i s e s 和d r u c k e r p r a g e r 模型 在钢筋单元的处理上分别采用分离式和 弥散式 整体式 两种模型 成功的模拟了混凝土梁在均布荷载作用下的荷载一挠度曲线 美国佛罗里达交通部结构研究中心在针对纤维布加固混凝土柱试验的研究报告中 将试验 结果和a n s y s 分析的有限元结果进行比较 也得到了满意的结果 在国内 a n s y s 也己 广泛应用在钢筋混凝土结构的分析 清华大学的江见鲸教授等利用a n s y s 成功模拟分析 山末爿嗽大掌硕士学位论文 了多种复杂应力条件下的混凝土结构 1 2 3 高强不锈钢绞线网一渗透性聚合砂浆加固研究现状 高强不锈钢绞线网一渗透性聚合砂浆加固作为一种新兴的加固技术发展很快 前景广 阔 到目前为止 已经对渗透性聚合砂浆物理性能进行了试验 内容包括砂浆抗压强度 粘结强度 膨胀系数试验等 另外还对该材料的耐久性进行了试验 内容包括透水性 盐 分的渗透 碳化及其他化学药品溶液的阻抗性试验等见表1 1 1 2 此外 韩国汉城产业 大学金成勋进行了不锈钢绞线抗拉强度的试验见表1 6 把不锈钢绞线试件固定在抗拉试 验台以后 把导杆引伸仪固定在钢绞线的中间位置以测定伸长 近两年来 清华大学结构工程研究所和中国建筑科学研究院抗震所等单位对该项技术 在砌体和钢筋混凝土结构加固中的应用进行了讨论研究 试验结果表明 采用高强不锈钢 绞线网和聚合砂浆对砌体结构 混凝土结构进行抗剪性能加固和抗弯性能加固均取得了很 好的效果 不仅抗弯承载力和抗剪承载力可以得到很显著的提高 而且刚度也能得到显著 的提高 表1 1物理性能试验结果 墼垫划分c o n t r o l r c l a 0 4 0 1分析结果 物理特性 抗压强度 n r a m 2 3 1 74 1 8 4 2 5 优秀 粘贴强度 材料混凝土 1 4 3 1 优秀 n m m 2 钢绞线网加固后 1 12 7 优秀 热膨胀系数 9 8 1 0 6 1 0 2 1 0 6良好 表1 2耐久性试验结果 砂浆划分 耐久性 c o n t r o l r c 一a 0 4 0 1分析结果 透水阻抗 7 日2 6 4 1 矿1 0 1 1 0 6 良好 性 m s c c 2 8 日4 2 3 1 0 r 61 5 4 l f f 6良好 氯离子渗透试验 c o u l o m b s 4 1 0 03 4 0 优秀 碳化深度 2 8 日 9 m m3 m r n 优秀 试验 6 0 日 1 8 r n m 7 m m优秀 5 h 2 s 0 4 6 38 6 优秀 化学药品 阻抗性 1 0 n a 2 s 0 4 9 71 0 2 良好 1 0 c a c l 2 9 6 9 9良好 山东其目 大学硕士掌位论文 清华大学建筑材料试验室关于聚合砂浆材性试验报告 1 强度 本试验采用4 0 m m 4 0 r a m 1 6 0 r a m 棱柱试件体抗压强度和抗折强度测定见表1 3 1 4 分别测定空气中养护3 天 7 天和水中养护7 天 2 8 天的强度值 试件成形后4 小时 拆模 表j 3抗折强度试验结果 2 弹性模量 本试验采用l o o m m xl o o m m x 3 0 0 r a m 棱柱形试件体进行弹性模量测定见表1 5 试件 成形方法与养护方式都和强度测定相同 表1 5试验结果 结论 1 该材料强度比一般混凝土的要高 并且浇筑以后强度发展快 2 由于该材料具有渗透性 即使不使用底漆 与原混凝土结构的粘结性能很好 3 收缩性小 因此基本不会产生裂缝 4 由于二氧化碳的透过性差 因此可以预防混凝土的碳化 5 氯化物的渗透阻抗性好 因此可以防止内部钢筋的腐蚀 山东爿 筑大曹u 甄士掌位 i 嚏 6 力学性质与现有混凝土相近 因此长期粘结性能很好 7 冻结溶解及耐久性很好 8 耐其他化学药品的阻抗性很好 9 该加固材料无毒 对人体无害 表1 6高强不锈钢绞线抗拉强度试验结果 同时 高强不锈钢绞线网一渗透性聚合砂浆加固技术也已经广泛的应用在工程实际 中 如图1 2 1 4 所示 北京方兴宾馆办公楼加固改造 北京石油勘探研究院办公楼抗震 加固 以及一些桥梁加固等都取得了很好的加固效果 山东爿喊大尊强曩士学位 i 譬 1 3 本文研究思路和内容 本文采用大型有限元分析软件a n s y s 对高强不锈钢绞线网一渗透性聚合砂浆加固机 理进行了分析 研究的主要内容包括 一 高强不锈钢绞线网一渗透性聚合砂浆加固砌体的机理分析 1 建立合理的有限元模型 对砌体全过程受力进行非线性数值分析 2 在竖向及周期性水平荷载作用下加固前后砌体的破坏机理 3 高强不锈钢绞线网一渗透性聚合砂浆加固砌体的受剪承载力分析 分析影响加固砌体受 剪承载力的因素 建立合理的砌体计算模型 并提出高强不锈钢绞线网一渗透性聚合砂 浆加固砌体的受剪承载力计算公式 山东建筑大学司仕学位论文 4 分析高强不锈钢绞线网一渗透性聚合砂浆加固砌体刚度的变化规律 二 高强不锈钢绞线网一渗透性聚合砂浆加固混凝土梁的机理分析 1 高强不锈钢绞线网 渗透性聚合砂浆加固混凝土梁的受力机理分析 2 高强不锈钢绞线网 渗透性聚合砂浆加固后钢筋混凝土梁正截面承载力分析 3 高强不锈钢绞线网一渗透性聚合砂浆加固钢筋混凝士梁的抗弯刚度及挠度的变化规律 分析 4 高强不锈钢绞线网一渗透性聚合砂浆加固钢筋混凝土梁的抗剪承载力分析 1 0 山东建筑大掌硕士掌位论文 第二章钢筋混凝土非线性分析的有限元模型 2 1 有限元分析模型 7 1 用有限元来分析钢筋混凝土结构与一般固体力学中的有限元分析在基本原理与方法 上是一样的 但如果进行结构离散化 又有其特殊性 因为钢筋混凝土结构由钢筋与混凝 土两种不同的材料组成 在建立钢筋混凝土结构有限元模型必须考虑材料的不均匀性和下 列各因素的影响 一般钢筋被包围在混凝土结构中 相对体积较小 混凝土应力一应变的非线性性能和在复合应力作用下的本构关系 由于混凝土受拉性能较差 开裂荷载较小 而且裂缝会连续不断的出现 此时局部位移 与应力对整个结构的位移会产生影响 随着荷载增加 混凝土与钢筋之间发生相对滑移 粘结力可能发生破坏 混凝土的收缩与徐变的影响 一般钢筋混凝土结构的有限元模型主要有三种形式 分离式 组合式 整体式 下面 分别介绍三种钢筋混凝土有限元模型 2 1 1 分离式模型 在分离式模型中 分别选用不同的单元来模拟钢筋和混凝土 由于钢筋是一种细长材 料 其横向抗剪强度可以忽略不计 我们可以将钢筋单元作为线单元来模拟 受到外力作 用后 构件中的钢筋和混凝土之间添加粘结单元以模拟钢筋与混凝土之问的粘结与滑移 如果认为钢筋与混凝土之间粘结紧密 不会出现滑移 可认为剐性粘结 不添加粘结单元 分离式模型可以揭示钢筋和混凝土之间相互作用的微观机理 这是整体式模型无法做 到的 在需要对结构构件内微观机理分折研究时 分离式模型的优点显得尤为突出 2 1 2 组合式模型 当钢筋和混凝土之间粘结较好 可认为两者之间无滑移时 可以采用组合式模型 此 时认为钢筋埋置于混凝土中 钢筋和混凝土之间完全粘结 两者位移应变完全协调一致 钢筋成为这种单元的一个组成部分 2 1 3 整体式模型 在整体式有限元模型中 将钢筋弥散在整个单元当中 并视单元为连续均匀材料 与 分离式相比 整体式有限元模型的单元刚度矩阵综合了钢筋和混凝土的刚度矩阵 这一点 与组合式模型是相同的 但与组合式模型不同的是它不是分别求出钢筋和混凝土对单元刚 山东建筑大学硕士掌位截姨 度的贡献然后组合 而是求得综合的刚度矩阵 把弹性矩阵改为由钢筋和混凝土两部分组 成 其具体表达式为 d d c 陋 2 1 在式 2 1 中 d c 为混凝土材料的弹性矩阵 在开裂前可按一般匀质体计算 其表达式 为 d d l ld 1 2d 1 3 0 d 2 2d 00 d 3 3 0o0 oo0 o0o o0o 00o o0o d 0 0 0 d 5 5 0 00 d 6 6 2 2 式 2 2 中 d d d t f e i i o j 0 同 d 一d 一d t r v j e 网 d 一d d 硐e c 随着荷载不断的增加 混凝土开裂 裂缝不断出现 上述计算式应作相应的调整 式 2 1 中的 d 为钢筋的弹性矩阵 其表达式为 h 一e p 0 0 p 00 00 00 0o o0 o 0 0 oo o p 0 0 0 o 0oo 0o0 0 0oo0 2 3 式 2 3 中 e 为钢筋的弹性模量 以 p y 和见分别为沿x y 和z 方向的配筋率 整体式模型的缺点是很明显的 它无法揭示钢筋与混凝土之间相互作用的微观机理 山东爿蹴大掌硕士掌位论 2 2 混凝土单元一s 0 l i d 6 5 k 图2 1s o l i d 5 5 混凝士单元 在大型有限元分析软件a n s y s 中 专门设置了s o l i d 6 5 单元来模拟混凝土或钢筋混 凝土结构 s o l i d 6 5 单元有八个节点 每个节点都具有沿x y z 三个方向的自由度 在三维等参单元s o l i d 4 5 的基础上 s o l i d 6 5 单元增加了针对混凝土的材料参数和组合 式钢筋模型 2 2 1 假设和约束条件 单元中任何节点都能产生开裂 如果单元节点被压碎 通过调整材料属性来模拟裂缝 在裂缝的处理形式上 采用 弥 散裂缝 而非 分裂裂缝 假设混凝土最初是各向同性材料 混凝土有可能在开裂或压碎之前进入塑性状态 此时将使用d r u c k e r p r a g e r 破坏准则 2 2 2s o l i d 6 5 单元特性 s o l i d 6 5 允许每个单元有4 种不同属性的材料 包括主要材料 如混凝土 和不同的 钢筋材料 最多不超过三种 除了能考虑徐变和塑性性肫之外 混凝土节点允许产生压 碎和裂缝 钢筋单元 同样考虑塑性和徐变 只具有单向刚度并认为弥散在单元之中 通 过指定角度来确定钢筋在单元中的位置 2 2 3s o l l 0 6 5 单元破坏准则 混凝土在复合应力状态下的破坏在准则可以表示为 三一s 毛0 2 4 1 3 暨嗲 山东建筑大学硪士掌位论文 f 一应力状态 盯 的函数 s 一破坏曲面 2 一静水压力状态下单轴抗压强度 c 一混凝土棱住体轴心抗压强度 口 口 d r z p 主应力空间中的应力状态 当满足式 2 4 时 混凝土将产生开裂和压碎 a n s y s 中用5 个材料强度参数和静水压力状态来定义混凝土的破坏曲面 5 个材料参 数分别为单轴抗拉强度 单轴抗压强度 双轴抗压强度 静水压力作用下单轴和双轴抗压 强度 当静水压力较小 满足h i 蔓 耽时 最少使用两个参数便可以定义混凝土的破坏 曲面 其他三个参数可以按照w i l l a ma n dw a r a k e 五参数准则得到 当静水压力较大时 必 须设置5 个参数 1 1 4 5 l c 1 2 正 2 1 7 2 5 lo k b 盯 2 5 应力状态函数f 和破坏曲面s 都用主应力盯 仃 仃 表示 其中 o i m a x k 吗 m i n k 盯 吼 0 22 q 混凝土的破坏曲面可以分成 四个区域 0 盯1 2 乏c r 3 压 压 压 2 6 a o r l 苫o ao 2 苫o 3 拉一压 压 2 6 b o 1 盯2 0 之0 3 拉一拉一压 2 6 c o 1 盯2 苫0 3 0 拉 拉一拉 2 6 d 在每个区域中f 和s 都用不同的函数来表示 分别为f 1 f 2 f 3 f 4 和s l s 2 s 3 s 4 下面分别讨论混凝土的破坏准则 1 压 压一压 0 芑吼2 0 2 o r 3 在压 压 压区域中 采用w i l l a ma n dw a r a k e 破坏模型 其中 一只 霸 盼 一盯z 2 p 一巳 2 一q 2 z 7 山东建筑大掌硕士学啦论 t s 呐 业巫 案芒争坚止 式c z s 中 删 礴i 哥2 而盯1 j 0 2 再g 3 硼 2 8 2 8 a 口 4 亭 口 亭z r 6 6 言 6 亭2 亭 孚 2 8 b 由于破坏曲面截面是三重对称的由联立方程 2 8 b 可以的出参数n n n 从而确定 1 由于破坏曲面是外凸的 r l r 2 必须满足o 5 r 2t 1 2 5 参数口 口 口 和6 0 b b 必须满 足a o o 口1s 0 as 0 b o o 吼s o b 2 s 0 2 拉 压一压 o r l 0 盯22 吗 f 的表达式为 f 最一i 亨b 一仃 2 仃 2 盯 2 9 s 的表达式为 s 喝 旧 出奠号畿舞鞔笼产虹丛眨 式 2 1 0 中 p 1 邕口 口1 x 4 2 工2p 2j b o 6 l x 扫2 石2 2 1 1 如果满足j 喜p 盯 参数 b l b 口 口 4 由式 2 1 1 确定 一旦满足破坏准则 主应力o r 垂直的平面将会出现裂缝 3 拉一拉 压 口1 之盯2 02c r 3 f 的表达式为 f e 一仉 f 1 2 2 1 2 s 的表达式为一卧尝 t 静乩2 泣 当f 1 2 满足破坏准则 与主应力盯 和仃 垂直的平面将会出现裂缝 当仅有f 1 满足破坏 准则 与主应力吼垂直的平面将会出现裂缝 山东建筑 0 掌硕士掌位论文 4 拉 拉 拉 盯1 苫盯22 吧苫0 f 的表达式为 f 一 q f 1 2 3 2 1 4 f s 的表达式为 s s 4 j t 2 1 5 i 当f 1 2 3 满足破坏准则 与主应力q 口 和仃 垂直的平面将会出现裂缝 当i 1 2 满足 破坏准则 与主应力q 和吼垂直的平面将会出现裂缝 当仅有f 一1 满足破坏准则 与主 应力矾垂直的平面将出现裂缝 2 3 钢筋单元 l n k 8 l i n k 8 单元是有着广泛的工程应用的杆单元 比如可以用来模拟桁架 缆索 连杆 弹簧等等 这种三维杆单元是杆轴方向的拉压单元 每个节点具有三个自由度 沿节点坐 标系x y z 方向的平动 就像在铰接结构中的表现一样 本单元不承受弯矩 本单元 具有塑性 蠕变 膨胀 应力刚化 大变形 大应变等功能 钢筋单元在a n s y s 中用l i n k 8 来模拟 2 3 1l n k 8 的假定和限制 杆单元假定为一直杆 轴向荷载作用在末端 自杆的一端至另一段均为同一属性 杆 长应大于零 即节点i 和j 不重合 面积也必须比0 要大 假定温度沿杆长线性变化 位 移函数暗含着在杆上具有相同的应力 初始应变也被用来计算应力刚度矩阵 即便是对于 第一次累计迭代 在其他的a n s y s 产品中使用这种单元时 除了上面列出的一般假设和 约束外 对这种单元还有其它规定的产品特殊限制 本节不再赘述 2 4 砌体材料单元 对于砌体材料单元 3 n s y s 中并没有具体给出 由于砌体砌块与混凝土的特性相似 本文用s o l i d 6 5 来模拟砌体单元 山东建筑大掌硕士掌位论文 第三章高强不锈钢绞线网一聚合砂浆加固砌体的有限元分析 3 1 引言 砌体是用砌筑砂浆将块材砌在一起而形成的一种承重材料 和混凝土相比 砌体虽然 具有一定的抗压承载力 但其抗拉 抗剪 抗弯能力均较低 因此砌体结构特别是无筋砌 体结构整体性较差 承载力较低 在外荷载作用下容易产生裂缝 对于砌块建筑来说由于 砌块和砂浆的本构关系是非线性的 属于材料的非线性问题 在实际工程中采用解析法求 解非线性问题往往是不能实现的 工程问题的解决已经逐步趋向于更为有效的数值计算方 法 有限单元法是一种可以获得许多工程问题近似解的数值计算方法 特别用于有关工程 问题中的连续体的力学问题 能解决解析法难于解决的问题 有限单元法已经在工程技术 界得到广泛的应用 本章利用通用有限元软件a n s y s 对高强不锈钢绞线网一聚合砂浆加固砌体进行非线 性分析 3 2 砌体的力学性能 用非线性有限元进行结构分析 首先必须有一个恰当的描述材料性能的本构关系和合 理的破坏准则 砌体材料主要用来承受压力 所以国内外研究的以单轴受压应力 应变关 系为主1 1 8 1 2 1 1 同时也有部分单轴受拉方面的研究 相对混凝土来说 砌体的本构关系的研 究和资料比较少 一些理论也不是很成熟 3 2 1 单轴受压砌体应力一应变关系 由于砌体材料离散性较大 因加荷方式或测量方法的不同 实测的应力一应变曲线也存 在一定差异 国内夕 研究者在试验的基础上 提出了不同的表达式 其中包括直线型 对 数函数型1 1 8 1 指数函数型f 捌 多项式型 1 2 4 芦 和分段表达型等 浙江大学结构工程研究所对砌体进行了单轴抗压试验 2 6 1 并建议对于砂浆强度 己i o m p a 的砌块砌体的单轴受压应力一应变曲线用上升段和下降段来描述 其上升段为抛 物线 下降段为直线 上升段 杀 s z 丢 一2 寺 1 6 t e o c s 下降段 j o 1 0 1 o 0 4 考 s s si s s s 3 2 式中 厶为砌块砌体单轴受压应力峰值 为峰值应力对应的应变 根据试验取0 0 0 2 山东建筑大学硕士掌位论文 允按规范的规定的公式为 厶 0 4 6 f 1 o o t a 3 3 式中 1 为砌块砌体抗压强度 2 为砌筑砂浆抗压强度 同济大学根据所进行的砖砌体应力一应变试验 得出砌体的应力一应变曲线方程 占 盯 占0 厶0 2 0 8 三 0 旦 1 2 0 2 三 f o 3 4 3 5 式 3 4 3 5 中 s 一0 0 0 2 s 一0 0 3 5 m 取试验中砌体抗压强度的平均值 本章采用同济大学得出的砌体的单轴抗压应力 应变曲线方程即 3 4 3 5 式 3 2 2 单轴受拉砌体应力一应变关系 根据国内外文献 砌体单轴受拉应力 应变关系采用考虑应力软化效应的两折线简化 模式 其应力 应变关系表达式为 仃一e e o sfs8 fj 3 6 盯 舔 铲 w 3 7 式 3 6 3 7 中 为砌体单轴受拉应力峰值 8 为峰值应力对应的应变 代表极 限拉应变与 的比值 根据文献 2 7 取为4 五按规范规定的公式如下 正一o 0 6 9 4 a 3 8 2 为砌筑砂浆的抗压强度 3 2