本文關(guān)鍵詞：碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（CFRP）加固鋼管柱力學(xué)性能數(shù)值分析

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【摘要】：近些年來,隨著我國鋼材產(chǎn)量的提高以及生產(chǎn)技術(shù)的進(jìn)步,越來越多的大型結(jié)構(gòu)工程將采用鋼結(jié)構(gòu)。同時,鋼結(jié)構(gòu)以其質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、跨越能力強(qiáng)等獨(dú)特的優(yōu)勢也被更多的橋梁工程師所青睞,2015年我國出臺了《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范JTG D64 2015》,這更加說明鋼結(jié)構(gòu)已經(jīng)成為橋梁的主要結(jié)構(gòu)形式之一。然而橋梁運(yùn)營環(huán)境惡劣以及荷載作用復(fù)雜等特點(diǎn)使鋼結(jié)構(gòu)所具有的穩(wěn)定、疲勞、斷裂、腐蝕等缺陷變得更為突出,一直是工程界的難題。而傳統(tǒng)的鋼結(jié)構(gòu)加固技術(shù)往往存在缺陷,碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(CFRP)加固技術(shù)的產(chǎn)生則恰好可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)加固方法的不足。鋼管構(gòu)件是橋梁工程中常用的受壓構(gòu)件,而目前,有關(guān)于碳纖維加固鋼管受壓構(gòu)件的研究則較為有限,因此,本文將針對碳纖維加固鋼管柱做進(jìn)一步的研究。依托現(xiàn)有的碳纖維加固鋼管柱試驗(yàn)結(jié)果,對其進(jìn)行數(shù)值分析,并借助數(shù)值結(jié)果對纖維材料的受力性能、加固機(jī)理及穩(wěn)定承載力的計(jì)算進(jìn)行探討。本文所做主要工作及結(jié)論如下:(1)提出一種碳纖維加固鋼管柱的有限元分析方法,并將數(shù)值計(jì)算結(jié)果與碳纖維加固鋼管短柱試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比,驗(yàn)證有限元方法的合理性。在此基礎(chǔ)之上,對加固構(gòu)件中纖維材料的加固機(jī)理以及相關(guān)參數(shù)進(jìn)行分析。結(jié)果表明,加固構(gòu)件的穩(wěn)定承載力隨碳纖維加固層數(shù)的增加按線性增長,同時碳纖維布的加固效率隨構(gòu)件初始幾何缺陷以及徑厚比的增加而增加,隨長細(xì)比的增加而減小,建議當(dāng)鋼管柱長細(xì)比大于15時采用纖維沿縱向鋪設(shè)的加固方式。環(huán)向鋪設(shè)碳纖維材料對于圓形截面鋼管柱的加固效率大于矩形截面鋼管柱。(2)對碳纖維布加固鋼管長柱進(jìn)行有限元分析,并根據(jù)試驗(yàn)及數(shù)值計(jì)算結(jié)果,分析加固構(gòu)件中纖維材料的加固機(jī)理以及受力性能。結(jié)果表明,加固構(gòu)件穩(wěn)定承載力的提高主要源于纖維材料表現(xiàn)出了一定的抗壓剛度,且其抗壓彈模隨加固層數(shù)的增加而增加。碳纖維加固鋼管長柱穩(wěn)定承載力的計(jì)算,可采用換算截面法按柏利公式或我國現(xiàn)行《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范GB50017-2003》進(jìn)行計(jì)算。(3)通過編制計(jì)算程序,采用纖維模型法對碳纖維布加固鋼管長柱進(jìn)行數(shù)值分析,考慮纖維材料的脆性斷裂和拉壓異性性能。計(jì)算結(jié)果表明,纖維模型法可以更全面的考慮碳纖維材料在加載過程中的受力狀態(tài)。(4)對碳纖維板加固鋼管柱進(jìn)行數(shù)值模擬,并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比,分析碳纖維板的剝離及受壓破壞過程。計(jì)算結(jié)果表明,纖維板與鋼材之間的界面關(guān)系可以近似采用雙線性粘結(jié)滑移模型進(jìn)行分析。加固構(gòu)件中纖維板的抗壓剛度與抗拉剛度相當(dāng),在計(jì)算過程中可近似按相等考慮。
【關(guān)鍵詞】：碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料 鋼管柱 穩(wěn)定性 有限元分析 纖維模型法
【學(xué)位授予單位】：長安大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：U445.72
【目錄】：

• 摘要4-6
• Abstract6-11
• 第一章 緒論11-27
• 1.1 管結(jié)構(gòu)在橋梁工程中的應(yīng)用11-13
• 1.2 鋼結(jié)構(gòu)在橋梁中的常見病害13-14
• 1.2.1 腐蝕13
• 1.2.2 疲勞開裂13-14
• 1.2.3 桿件變形14
• 1.3 傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)的加固方法及不足14-16
• 1.4 碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料加固技術(shù)16-18
• 1.4.1 碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料簡介16-17
• 1.4.2 碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料加固鋼結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢17-18
• 1.5 碳纖維材料加固鋼結(jié)構(gòu)的研究現(xiàn)狀18-21
• 1.6 碳纖維材料加固鋼管柱的研究現(xiàn)狀及存在的問題21-23
• 1.6.1 國內(nèi)研究現(xiàn)狀21-22
• 1.6.2 國外研究現(xiàn)狀22-23
• 1.6.3 現(xiàn)有研究存在的問題23
• 1.7 本文的研究意義23-24
• 1.8 本文主要研究內(nèi)容24-27
• 第二章 碳纖維布加固鋼管短柱有限元分析27-51
• 2.1 非線性有限元分析27-28
• 2.1.1 非線性分析27-28
• 2.1.2 ABAQUS軟件簡介28
• 2.2 有限元模型的建立28-35
• 2.2.1 單元類型的選擇29-30
• 2.2.2 纖維材料各項(xiàng)異性的考慮方法30-31
• 2.2.3 約束及加載方式31
• 2.2.4 殘余應(yīng)力31-32
• 2.2.5 初始缺陷32-34
• 2.2.6 非線性的求解方法34-35
• 2.3 有限元計(jì)算結(jié)果35-40
• 2.3.1 殘余應(yīng)力的影響分析35
• 2.3.2 有限元結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對比35-38
• 2.3.3 CFRP加固圓形鋼管有限元分析38-40
• 2.4 纖維材料的加固機(jī)理分析40-43
• 2.4.1 環(huán)向鋪設(shè)纖維材料受力分析40-41
• 2.4.2 縱向鋪設(shè)纖維材料受力分析41-43
• 2.5 參數(shù)分析43-49
• 2.5.1 加固層數(shù)43-44
• 2.5.2 初始幾何缺陷44-45
• 2.5.3 截面形狀及徑厚比45-47
• 2.5.4 長細(xì)比47-49
• 2.6 本章小結(jié)49-51
• 第三章 碳纖維布加固鋼管長柱有限元分析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 結(jié)果驗(yàn)證55-57
• 3.2 碳纖維材料的加固機(jī)理分析57-59
• 3.3 穩(wěn)定承載力計(jì)算59-64
• 3.3.1 基于Perry Robertson公式的穩(wěn)定承載力計(jì)算方法61-62
• 3.3.2 基于規(guī)范的穩(wěn)定承載力計(jì)算方法62-64
• 3.4 本章小結(jié)64-67
• 第四章 碳纖維布加固鋼管長柱的纖維模型法67-87
• 4.1 纖維模型法簡介67
• 4.2 基本假定67-68
• 4.3 纖維模型法68-80
• 4.3.1 模型建立68-79
• 4.3.2 程序編制流程圖79-80
• 4.4 計(jì)算結(jié)果80-84
• 4.4.1 初始缺陷的確定80
• 4.4.2 纖維模型法的計(jì)算結(jié)果80-84
• 4.5 加載偏心的影響分析84-85
• 4.6 本章小結(jié)85-87
• 第五章 碳纖維板加固鋼管長柱有限元分析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 接觸分析89-90
• 5.1.3 單元失效90-91
• 5.1.4 初始缺陷91-92
• 5.2 計(jì)算結(jié)果92-94
• 5.3 本章小結(jié)94-95
• 第六章 結(jié)論與展望95-97
• 6.1 結(jié)論95
• 6.2 展望95-97
• 參考文獻(xiàn)97-103
• 攻讀碩士學(xué)位期間取得的研究成果103-104
• 致謝104

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：796730