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碳纤维增强复合材料(CFRP)加固钢管柱力学性能数值分析
| 论文题名： | 碳纤维增强复合材料(CFRP)加固钢管柱力学性能数值分析 |
| 关键词： | 桥梁工程;钢管柱;加固工艺;力学性能;碳纤维增强复合材料 |
| 摘要： | 近些年来，随着中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年中国出台了《公路钢结构桥梁设计规范JTG D642015》，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中国现行《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。 |
| 作者： | 李兆阳 |
| 专业： | 桥梁与隧道工程 |
| 导师： | 高小育 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 长安大学 |
| 学位年度： | 2016 |
| 正文语种： | 中文 |
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