（工程力学专业论文）粘贴钢板加固钢筋混凝土梁数值分析研究.pdf

f_ -_，姑譬以 带 at h e s i si nm e c h a n i ce n g i n e e r i n g |irlfllij r l l fjli il l ijjillr lli irjjf y 18 4 3 5 2 0 n u m e r i c a la n a l y s i so nr e i n f o r c e m e n t r e i n f o r c e d c o n c r e t eb e a m sw i t hb o n d i n gs t e e lp l a t e s b yb a i f a n s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rl i a n g l i n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y d e c e m b e r2 0 0 7 -r-ir卜 ，1 i j ? ， ，出=_j0： 一蛄 、l，1，j，i 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得 的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其它人己经发表或撰写过 的研究成果，也不包括本人为获得其它学位而使用过的材料。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谢 意。 学位论文作者签名：自儿 日 期：二口d 彦 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论 文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部 ， 或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师不同意网上交流，请在下方签名；否则视为同意。) 学位论文作者签名： 签字日期： 导师签名： 签字日期： i l 0 i v 东北大学硕士学位论文 摘要 粘贴钢板加固钢筋混凝土梁的数值分析研究 摘要 工程中许多在役钢筋混凝土结构由于年久失修，存在着严重的安全隐 患，如果这些工程结构不有效的利用则会造成资源的浪费。对工程结构的 加固和维修已经越来越体现出巨大的社会与经济价值。粘贴钢板加固结构 以其经济性和可操作性在各种加固方法中脱颖而出，这种方法能较为充分 的利用了钢板和混凝土两种材料的不同的受力性能，能较大幅度的提高改 善因在役时间过长引起的构件承载力下降的问题。 本文参考了大量国内外关于粘钢加固的钢筋混凝土梁的研究成果，分 析了t 型截面吊车梁粘贴钢板加固的受力特性。基于传统的弹塑性理论， 利用大型a n s y s 仿真计算程序，以粘钢加固的钢筋混凝土梁现场实测数 据为基础，建立了相应的有限元模型，并进行了数值计算，对比分析了t 型截面梁从加载到破坏过程中受力和变形，得到了粘贴钢板加固梁的极限 承载力、挠度、混凝土和钢板的应力应变等结果。 通过采用分离式有限元模型对粘贴钢板加固钢筋混凝土梁的数值对比 分析，其结果与试验结果及理论分析的结果有较好的一致性，说明采用有 限元数值仿真方法分析粘贴钢板加固的钢筋混凝土梁有较强的可行性。 关键词：钢筋混凝土梁、粘钢加固、非线性有限元分析、a n s y s 程序 a b s t r a c t 东北大学硕士学位论文 a bs tra c t n o w a d a y sm o r ea n dm o r es t r u c t u r e sa r el o s i n gt h e i rv a l u ef o rt h es e c u r i t y p r o b l e m sa n dt h ew a s t eo fr e s o u r c e r e i n f o r c i n gt h e s es t r u c t u r ec a l lm e e tt h e s e c u r i t yn e e d sa n da l s om a k eag r e a tf o r t u n et ot h es o c i e t y t h ee x c e l l e n c eo f r e i n f o r c e dc o n c r e t eb e a mw h i c hi sr e i n f o r c e db yb o n d i n gs t e e lp l a t e si se a s i e r t oo p e r a t ea n dr e d u c et h ec o s t u s i n ge t h o x y l i n er e s i nb o n ds t e e lp l a t e st om a k e t h eo r i g i n a ls t r u c t u r ea n ds t e e lp l a t ew o r ka saw h o l e ，a n da l s oi m p r o v et h e s t r u c t u r eb e a r i n gb yi n c r e a s e i n gr i g i d i t y b o t hr e i n f o r c e da n dc o n c r e t es t r e s s w a si m p r o v e do b v i o u s l y t h i st h e s i s ，r e f e r e n c e dt h ea c h i e v e m e n to fr e i n f o r c e dc o n c r e t eb e a mb y b o n d i n g s t e e l p l a t e s b o t hi n t e m a la n d e x t e m a l ，b a s e d o nt h ec l a s s i c a l m e c h a n i c a lm o d e le x a m i n a t i o na n du s e dt h ee x i s t i n gf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s s o f t w a r e ( a n s y s ) a s t h eo p e r a t i o ni n t e r f a c e a tt h es a m et i m et h i sd i s s e r t a t i o n a n a l y s i s e dt h ep h y s i c a lm o d e la n dp r o v e dt h a tt h ef e m m e t h o di sf i tf o rt h e r e a ls i t u a t i o n 。t h r o u g ht h i sw a yw ec a na n a l y s i st h eb e a r i n g ，c r a c k 、s t r e s s 、 s t r a i na n dm a n yo t h e ri n d e xo fe v e r ym a t e r i a l sd u r i n gt h ew h o l ep r o c e s so f l o a d i n g t h em e c h a n i c a lc h a r a c t e ro fr e i n f o r c e dc o n c r e t eb e a m sw i t hb o n d i n gs t e e l p l a t e sw a sa n a l y s i s e db yt h es e p e r a t a b l ef e m m o d l e t h e ne x p e r i m e n t a ld a t a a n dt h ec a l c u l a t i o no ft h e o r yw e r ec o m p a r e dw i t hn u m e r i c a lc a l c u l a t i o n s ot h e f e m a n a l y s i sf o rt h i sk i n d so f s t r u c t u r e sw a sf e a s i b l e k e y w o r d s ：t h er e i n f o r c e dc o n c r e t es t r u c t u r e ，r e i n f o r c e m e n tw i t hb o n d i n g s t e e lp l a t e ，n o n l i n e a rf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ，a n s y s i i ，_，；l _ - j a 东北大学硕士学位论文 目 录 目录 摘要i a b s t r a c t 】 【 目录 第一章绪论：1 1 1 钢筋混凝土结构加固的意义1 1 2 钢筋混凝土构件加固的特点和常见的加固方法1 1 2 1 钢筋混凝土吊车梁加固的特点2 1 2 2 常见的加固钢筋混凝土构件的方法2 1 2 3 粘贴钢板加固钢筋混凝土梁。3 1 3 粘贴钢板加固钢筋混凝土梁的国内外研究现状4 1 3 1 粘贴钢板加固钢筋混凝土粱的国内研究现状4 1 3 2 粘贴钢板加固钢筋混凝土梁的国外研究现状5 1 4 非线性有限元国内外的发展状况6 1 5 研究的背景、目的、意义及本文所做的工作。7 1 5 1 课题的研究背景7 1 5 2 课题研究的目的和意义二7 1 5 3 课题的研究内容。7 第二章混凝土非线性问题的有限元方法9 2 1 钢筋混凝土结构材料本构关系和破坏准则9 2 1 1 常用本构关系模型9 2 1 2 混凝土材料本构关系和破坏准则1 1 2 1 3 钢材的本构关系2 0 2 2 有限元数值分析方法2 1 2 2 1 有限单元法的基本概念和发展2 1 2 2 2 有限单元法简介2 2 2 3 非线性有限元的计算方法2 5 2 4 收敛标准2 5 2 5a n s y s 程序介绍2 6 m 目 录东北大学硕士学位论文 第三章钢筋混凝土t 型梁承载力理论分析3 1 3 1 试验结果：3 1 3 2 钢筋混凝土吊车梁极限承载力计算3 3 3 3 混凝土开裂的模拟3 5 3 3 1 混凝土开裂的工程背景3 5 3 3 2 常见混凝土开裂的处理3 6 3 3 3 钢筋混凝土吊车梁裂缝模型。3 6 3 4 钢筋混凝土吊车梁弯曲变形分析。4 0 3 4 1 混凝土受弯构件变形计算的特点4 0 3 4 2 短期刚度b 。4 2 3 4 3 受弯构件的刚度b 4 4 3 4 4 最小刚度原则与挠度计算4 5 第四章粘钢加固钢筋混凝土梁有限元模型4 7 4 1 粘贴钢板加固钢筋混凝土梁有限元模型的选择。4 7 4 2 单元的选择4 7 4 3 几何模型的建立。5 5 4 3 1 粘贴钢板加固前t 型梁几何模型建立5 5 4 3 24 种不同裂缝及不同粘贴钢板高度模型的建立5 6 4 3 37 种不同粘贴钢板厚度模型的建立。5 8 4 4 钢筋模型的建立5 8 4 5 边界条件及求解5 9 第五章粘贴钢板前后吊车梁有限元计算结果6 0 5 1 粘贴钢板加固前混凝土梁的计算结果6 0 5 1 1 构件承载力和弯曲变形：。6 0 5 1 2 混凝土的应力分布和裂缝发展6 3 5 1 3 钢筋的应力分布和发展：6 4 5 2 粘贴钢板补强后不同裂缝及钢板高度计算结果6 5 5 2 1 跨中裂缝5 8 0 r a m 及两侧裂缝2 8 0 r a m 6 5 5 2 2 整梁的裂缝和粘贴钢板高度为5 8 0 r a m 6 9 5 2 3 跨中裂缝7 8 0 n t , n 及两侧5 8 0 r a m 7 3 5 2 4 跨中裂缝5 8 0 r a m 及两侧为7 8 0 r a m 7 6 i v ， j 吒 0 东北大学硕士学位论文 目录 第六章数值计算结果分析7 7 6 1 实验结果及理论计算与数值分析比较7 7 6 2 粘贴钢板高度不同引起的影响7 7 6 2 1 承载力对比7 7 6 2 2 钢筋混凝土梁弯曲变形比较7 8 6 3 不同粘贴钢板厚度的对比分析7 9 6 3 1 钢板应力及承载力比较7 9 6 3 2 钢筋混凝土梁弯曲变形比较8 1 第七章结论与展望：8 2 7 1 结论8 2 7 2 展望8 2 参考文献8 3 致谤t 8 6 v ，0j jr；。llfij _ r ? 上 东北大学硕士学位论文 1 1 钢筋混凝土 建筑结构在役期间， 用。如果能够对这种损伤的规律进行分析，对建筑物构建及时的加以保护和维修，可 以创造出大量的经济价值。因此，结构的加固技术已逐渐成为工程界关注的热点问题， 许多工程技术人员和研究团体己经开始把注意力转向该领域，把加固技术放在非常突 出的位置f 1 1 。 近代建筑业的发展大致可以分为三个时期。第一个是新建时期，这个时期的特点 是结构物规模大但标准相对较低。第二个发展时期是新建与维修改造并重时期，在此期 间，一方面为满足社会发展的需求，新的建筑在不断建设，需要进行维修、加固和现 代化改造，从而使建筑业过渡到新建与维修改造并重的发展时期，这在很大程度上推 动了加固技术方面的课题研究。此后，随着社会的进一步发展，人们对建筑功能的要 求越来越高，但是由于昂贵的拆建费用以及对正常生活秩序和环境的严重影响等问题 阻碍了新一轮新建高潮的兴起，于是人们纷纷把目光投向对在役结构的维修加固和现 代化改造，这种在保存原来建筑形体的基础上，进行加固和现代化改造，即在提高结 构安全性的同时使其内部设施功能现代化的加固改造措施，投资少、影响小、见效快， 不仅具有可观的经济效益，同时也有巨大的社会效益，因此促使建筑业跨入以改造和 维修加固为重点的第三个发展时期 2 1 。 我国建筑业的现状就处于第一发展时期迈向第二、第三发展时期，并且由于我国 城乡建设用地比较紧张，城市地价居高不下，共用、住房问题相当突出。因此，对使 用时间过长、设备不全或结构损坏的民用建筑和对生产工艺或使用功能有了变更的厂 房进行改造、改建，是一个很有现实意义的课题。 1 2 钢筋混凝土构件加固的特点和常见的加固方法 钢筋混凝土是一种特殊的组合结构材料，除了钢筋( 材) 和混凝土本身的材料本构 关系、所用材料的品种和强度等级而不同之外，还因二者的配合和相对比率不同，组 合更复杂的组合本构关系。因而以往确定其强度的时候主要是依据半经验半实验的结 果。 第一章绪论东北大学硕士学位论文 1 2 1 钢筋混凝土吊车梁加固的特点 混凝土作为建筑中最常用材料，其加固时所需注意的问题也比其它材料多。这类 构件在加固时往往需要注意以下几点： ( 1 ) 可操作性 由于混凝土构件的使用范围广，应用尺度大，因此在结构的各个部位都有可能出 现承载力失效的问题，有的时候是在结构比较特殊的部位，这就给结构的加固增大了 难度。不仅要使构件的强度得到恢复，还要使构件在尺寸，位置，形式方面多加注意。 ? ( 2 ) 材料强度的一致性 ， 由于混凝土是一种多孔的材料，在役工作期间原结构内部已经有应变存在，钢筋 混凝土结构加固后，新旧部分的应变不同步，加固部分的应变从零开始，钢筋混凝土 结构加固后新旧材料两部分存在应变滞后现象，也就有了应力滞后现象，所以所加部 分材料的潜力不一定能得到充分发挥【引。 ( 3 ) 局部破坏 由于加固后构件的承载力发生了变化，长期在役情况下的混凝土构件支座或未补 强的区域容易形成新的弱化区，应力集中而破坏。因此在使用的过程中要注意构件整 体的强度问题。 1 2 2 常见的加固钢筋混凝土构件的方法 需要加固的构件通常是受拉构建和受压构件两种，所采用的加固方法也略有不同。 通常受拉构建采用加固方法是： 弯构件的侧面加水平预应 它还可在受弯构件底部加 固法可单侧加固也可双侧 下提高构件承载力，增加 中增加相同的结构，或者 荷能力，提高结构的安全 一种传统加固方法。它不 l j 0 l t t 上 东北大学硕士学位论文第一幸绪论 仅可提高被加固构件的承载能力。而且还可以加大其抗震能力，改变其自振频率。使 正常使用要求的性能在某种程度上亦得到改善。增大截面法的加固效果与原结构在加 固时的应力水平、材料特性、施工工艺、结合面构造处理、是否卸载加固等因素直接 相关。此方法的优点是工艺简单，适用面广。 ( 4 ) 增补手拉钢筋加固法 梁的受力较大区段补加受拉钢筋( 或型钢) ，以提高梁承载能力的加固方法。增补 钢筋与原梁之间的连接方法有全焊接法、半焊接法和黏结法3 种；增补型钢与原梁的 连接方法有湿式外包法和干式外包法两种。 ( 5 ) 粘贴钢板加固法 粘贴钢板加固法，是指用胶粘剂把钢板粘贴在构件外部，通过胶结剂把构件下部 产生的拉应力传递到粘结的钢板上。以提高结构或构件的承载能力、刚度，减少外部变 形。 ( 6 ) 纤维增强塑料加固法 主要有碳纤维增强塑料( c f i 心) 、玻璃纤维( g f l 心) 、芳纶纤维( a f r p ) 加固修 补混凝土结构技术是以树脂类胶结材料为基底，将纤维单向布织物黏贴固化于混凝土 的表面，从而达到对结构构件补强加固及改善结构受力性能的目的。而受压构建的加 固则大多为以下几种：增大截面加固混凝土柱、外包钢加固加固混凝土柱、预应力加 固混凝土柱。 1 2 3 粘贴钢板加固钢筋混凝土梁 本课题要分析的是工业厂房的吊车梁，为受拉构件采用粘贴钢板加固法。用胶粘 剂把钢板粘贴在构件外部，加强构件的承载力。常用的胶粘剂是在环氧树脂中加入适 量的固化剂、增韧剂、增塑剂配成的所谓“结构胶 。近年来，粘贴钢板加固法在加固、 修复结构工程中的应用发展较快，趋于成熟。美国已制定了建筑结构胶的施工规范。 日本有建筑胶粘剂质量标准，我国也已将此法收入混凝土结构加固技术规范中。 粘贴钢板加固法能够受到工程技术人员的兴趣和重视，是因为它有传统的加固方法 不可取代的如下优点【4 ，5 l ： ( 1 ) 粘剂硬化时间快、工期短，因此构件加固的同时不必停产或少停产。工艺简单，施 工方便、能解决防火要求高的车间构件的加固问题： ( 2 ) 胶粘剂的粘结强度高于混凝土、石材等，可以使加固体与原构件形成一个良好的整 体； 第一章绪论 东北大学硕士学位论文 图1 1 粘钢加固图 f i 9 1 1r e i n f o r c e m e n tr e i n f o r c e dc o n c r e t eb e a m s w i t hb o n d i n gs t e e lp l a t e s ( 3 ) 粘贴钢板所占的空间小，几乎不增加被加固构件的断面尺寸利重量，不影响房屋的 使用净空，不改变构件的外形； ( 4 ) 坚固耐用，经过多年来的工程实践，已经证明完全能保证加固工程的质量，结构的 强度和刚度都能满足设计的要求【6 】。 1 3 粘贴钢板加固钢筋混凝土梁的国内外研究现状 1 3 1 粘贴钢板加固钢筋混凝土梁的国内研究现状 钢筋混凝土粘贴钢板加固研究在我国工程界起步较晚。从二十世纪八十年代以来， 我国一些高校和科研机构对钢筋混凝土结构或构件的粘贴钢板加固进行了大量的试验 研究和理论分析。卢玉符发表了钢筋受弯构件外部粘钢加固技术的试验研究；贺敏 旭【7 】通过对1 2 根集中荷载作用下的钢筋混凝土梁进行斜截面粘钢加固试验，回归出不 同条件下的斜截面抗剪承载力计算公式；王天稳教授等【8 】为确定斜贴钢板时合理的粘 贴和锚固方式，分别进行了不同形式的试验，提出了混凝土梁斜截面粘钢加固斜粘钢 板的锚固方式；武汉水利水电学院粘钢加固科研课题小组进行了粘钢补强技术应用试 验研究；由湖北省建研院牵头，联合清华大学等六家单位组成了粘钢加固技术课题研 究协作组，对粘钢加固技术进行了较多研究，包括钢板与硅粘结的锚固、正截面、斜 截面研究、受扭构件研究等；甘肃省科学研究所研究了在持荷状态下，应力滞后的粘贴 钢板对梁强度和刚度的贡献；四川省建筑科学研究院组织编写了钢筋混凝土加固技 术规定；同济大学蒋大弊教授、申屠龙美及任玉贺发表了粘钢加固技术框架抗展试 验阶段性报告；万墨林和韩继云出版了混凝土结构加固技术，对混凝土加固结构 的受力特征及破坏机理进行了分析，建议了采用不同粘钢加固方法时应遵循的原则、 设计构造措施及施工要点；梁从中【9 】研究了钢筋混凝土梁粘钢加固的抗震构造及抗震 ， j 盘 一 ， 厶 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 性能；同济大学颜德姐教授及其研究生协同上海市汇丽结构加固工程部进行了己损 钢筋混凝土梁粘钢加固的受力机理研究，更进一步的分析了粘钢对梁受力性能的影 响，尤其是不同粘钢方式的梁极限承载力及刚度的对比结果试验；贺栓海教授根据r c 梁的基本计算理论，推导出粘贴钢板( 钢筋) 加固梁容许应力及极限状态设计计算方法， 运用钢板( 钢筋) 单元静力平衡条件分析了钢板与梁底棍凝土之间的粘结剪应力，给出 了设计计算方法的适用条件：欧阳煌等在弹性理论的基础上利用钢板剥离正应力、粘 结剪应力计算公式，对在集中荷载或均布荷载作用下粘钢加固钢筋棍凝土梁进行了分 析平；贺拴海教授、宋一凡教授和彭多善发表了：粘贴钢板加固钢筋混凝土梁式桥的 分析研究。此外，中国建筑科学研究院结构所、东南大学、辽宁省建筑科学研究院、 中国建筑科学研究院结构所、江苏省建筑科学研究院、上海市建筑科学研究院、哈尔 滨建筑大学和铁道部科学研究院等单位对钢筋混凝土结构或构件的粘钢加固均进行了 一定研究。 1 3 2 粘贴钢板加固钢筋混凝土梁的国外研究现状 在国外，粘钢加固法的应用始于六十年代的南非和法国。当时研究人员用环氧树 胶把钢板粘贴在承载力不足的钢筋混凝土受拉面上，收到了较好的效果，于是逐步在 世界范围内推广；1 9 7 5 年，美国学者s k s o l o m o n 等人【i 0 做了对钢板一混凝土一钢板 夹心结构梁板的受弯试验研究，对这种结构的破坏形态和正截面强度计算提出了一些 建议；1 9 8 2 年，美国r j o n e s 等人【1 1 】做了少筋梁和超筋梁的粘钢加固试验研究，在破 坏形态方面得到了一些裂缝的发展结果；1 9 8 7 年，美国r n s w a m y 等人【l z j 对不同的 粘结层厚度，钢板厚度及钢板层数做了对比加固试验，此后r n s w a m y 等人又对受荷 载作用而损坏的钢筋混凝土梁进行粘钢加固的研究。研究了卸载与不卸载两种加固方 法进行对比；1 9 8 7 年，o y i l n a y 对粘钢加固梁中钢板和混凝土的相互作用进行了线性 分析，对粘结剂中分布剥离力提出了弹性计算公式；1 9 8 8 年，r j o n e s 等【1 3 j 对粘钢加 固混凝土钢板端部的锚固性能进行了初步研究，对钢板和粘结剂、粘结剂与混凝土之 间的相互作用力做了简单的理论分析研究，在锚固技术方面提出了一些初步见解：1 9 8 8 年，美国s a h a m o u s h 等运用有限元法和线性断裂力学研究了钢板和粘结层之间的结 合面由于粘结剪应力而引起的粘结面脱胶破坏；1 9 8 9 年t m r o b e r t s 等发表了粘钢加 固梁特性的理论研究的文章，他们采用弹性力学和有限元方法，利用程序对粘钢加 固梁进行了理论分析；1 9 9 1 年，美国j a b a s 啪b a 【1 4 1 等人做了粘钢加固和其它加固方法 的对比试验研究，对各种加固方法的优缺点作了全面的介绍，也给加固方法作了必要 的补充。目前国外对钢筋混凝土结构粘钢加固的研究主要集中在日本、美国两个国家， 它们研究较多的是抗震加固。 第一章绪论东北大学硕士学位论文 1 4 非线性有限元国内外的发展状况 有限元方法和计算机技术的发展为混凝土结构和构件的非线性分析创建了便利条 件。任何类型、体系和受力状况的结构或其局部都可以依靠非线性分方法求解。 美国学者d n g o 和a c s c o r d e l i s 最早把有限元分析方法应用于钢筋混凝土简支梁 的抗剪分析( 1 9 6 7 年) 。在他们的研究工作中，将钢筋和混凝土均划分为三角形单元， 按平面应力问题和线弹性理论分析混凝土和钢筋的应力；针对钢筋混凝土结构的特点， 在钢筋和混凝土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；为了反映混凝土开裂的特性，提出了离散裂缝( d i s c r e t e c r a c k s ) 的模式，即在梁中预先设置裂缝，裂缝两边用不同的节点，裂缝间也附加了特 殊的连接弹簧，以模拟混凝土裂缝间的骨料咬合力和钢筋的销栓作用。在以后3 0 年中， 钢筋混凝土结构有限元分析大致经历了以下几个阶段【l5 】： 1 9 6 7 年1 9 7 7 年，在n g o 和s e o r d e l i s 的工作基础上，提出了分布裂缝 ( s m e a r e d c r a c k ) 模式，将钢筋分布在混凝土单元中，假定钢筋和混凝土之间有效粘 结以及裂缝间的混凝土对受拉的作用，但总的来说，该阶段还是处于探索阶段； 1 9 7 7 年- - - 1 9 8 5 年，在这个阶段中，研究工作主要可分为两个方面：一方面是继续 在单元模式的选取、混凝土的本构关系和破坏理论，裂缝的模拟和拉伸强化，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。在这一时 期，我国学者在数据较少的情况下也开始进行了研究工作，发表了一些论文和专著； 1 9 8 5 年 - 1 9 9 6 年，除了在混凝土的本构关系的表述和试验研究方面继续进行更深 入的研究之外，钢筋混凝土结构非线性有限元分析进一步向实用性发展。另外，这一 时期我国在地震作用下钢筋混凝土结构的非线性有限元分析方面所做的工作也在国际 上产生了一定的影响； 1 9 9 6 年到现在，这一阶段，许多学者利用现有先进的计算机硬件与软件进行了钢筋 混凝土结构计算机仿真系统的研究，国内一些学者在这方面做了大量的研究工作。国 际上出现了一些能进行大型钢筋混凝土结构有限元分析的通用和专用的有限元计算软 件，其中a n s y s 是在2 0 世纪6 0 年代末期，j o h ns w a n s o n 博士为了核能应用在 w e s t i n g h o u s e 开发的一个大型线性和非线性的有限元程序，a n s y s 由于具有强大的非 线性分析功能和友好的图形用户接口( g u i ) 等特点，受到越来越多的学者和研究人员 地青睐。本课题就是采用了该有限元分析软件，在选择一定的材料的属性和本构关系 的基础上，分析粘贴钢板的混凝土梁的受力情况。 我国的钢筋混凝土非线性领域的研究开始于7 0 年代，但发展十分的迅速。缺点是 实际应用的较少，比较广泛的在学校等一些科研的单位进行理论方面的研究 1 6 , 1 7 1 。成就 ，l_ 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 比较突出的是清华大学的江见鲸、沈聚敏、 南大学的丁大均等。根据这些研究的成果， 就是采用了有限元的分析方法。 王传志：同济大学的朱伯龙、童振祥；东 如今许多广泛应用于结构计算的大型软件 1 5 研究的背景、目的、意义及本文所做的工作 1 5 1 课题的研究背景 目前大部分粘钢加固的分析方法还是延续传统的模型实验阶段，这种方法由于场 地和经费的限制，对粘贴钢板加固钢筋混凝土梁的问题只能解决一些结构比较规整， 受力比较简单的模型。对于受力比较复杂的情况只能使用数值分析的方法，虽然这种 方法在学校和各科研单位应用较多，但是由于条件的局限性这种方法与实际的情况结 合的较少，特别是对于工业厂房吊车梁的实际受力对比分析今年来几乎没有人涉及。 1 5 2 课题研究的目的和意义 本课题研究的目的是通过数值模拟分析补强后梁的力学性能并结合规范的理论结 果对比分析，说明数值模拟的可行性；并对粘贴钢板后的各组成材料力学性能结果进 行分析对比，分析影响钢筋混凝土梁粘钢补强各因素的因数。通过以往的研究表明， 表面出现裂缝的构件通过粘钢的修复补强是可以提高承载力的，但是对材料的施用的 方法和用量却没有一定的标准。对粘钢补强钢筋混凝土构件的研究还不够充分，在设 计施工时因为不了解构件的实际受力情况，盲目的采用补强的方式，都会产生严重的 经济浪费情况。而本课题的意义就在于可以通过有限元的方法详细的描述出构件内外 各个组成部分的受力，通过不同情况的模拟构件的详细的受力状态，再由此确定更加 有效和经济的补强方案。这样就可以节省大量的基建投资，创造巨大的经济效益和社 会效益【瑚。 1 5 3 课题的研究内容 本文研究内容是粘贴钢板加固后的钢筋混凝土吊车梁承载力学特性，利用了a n s y s 软件，建立了钢筋混凝土吊车梁有限元仿真分析模型，在此基础上进一步研究了粘贴 钢板后梁的裂缝和钢板不同设置对加固效果的影响。本文通过采用预设弱化单元，模 拟梁裂缝区域的混凝土力学特性，研究梁加固后承载力学性能。通过变化裂缝的设置， 钢板的厚度，钢板的粘贴位置进行各因素的数值分析。 主要研究内容如下： 第一章绪论东北大学硕士学位论文 1 通过理论计算，数值模拟和试验的结果的对比，说明了有限元数值分析的可行性： 2 通过对粘钢加固前后吊车梁承载特性的分析，建立了分离式有限元数值仿真分析模 型。在模型中，根据梁中不同材料的几何和力学特性，分别建立了钢筋、混凝土、 钢板不同形式的单元； 3 由于梁开裂后混凝土应力应变分布不连续，数值计算极不利于收敛，因此本文通过 采用弱化单元的方法，模拟梁裂缝处的混凝土。并且针对吊车梁受荷时间的不同裂 缝形态的变化，设置不同的裂缝形式； 4 通过数值模拟粘贴钢板加固吊车梁，证明粘贴钢板可大幅度的提高混凝土梁承载 力，并且确定采用不同的的粘贴钢板厚度对承载力的影响因数。 ( 1 ) 线弹性本构关系 在载入或卸载中，应力应变呈线性关系( 以e 为 斜率的直线) 见图2 1 ，其表达式为： 仃= e z ( 2 1 ) 应力与应变之间呈线性比例关系，对于一维问题，其比 例系数即为弹性模量e ：它是常数，对于二维、三维问 题，联系应力和应变之间关系的则是弹性矩阵。弹性矩 阵中每一项均为常数，与应力水平和加载路径均无关。 当混凝土所受的力很小，无裂缝时，可将混凝土看 成弹性匀质材料，采用线弹性的本构关系。由于线弹性 模型简单，程序编制容易并且应用方便，所以至今仍有 图2 1 线弹性本构关系 f i g 2 il i n e a re l a s t i c i t y c o n s t i t u t i v er e l a t i o n 图2 2 非线性弹性本构关系 f i g2 2n o n l i n e a re l a s t i c i t y c o n s t i t u t i v er e l a t i o n 第二章混凝土非线性问题的有限元方法东北大学硕士学位论文 相当广泛的应用 2 0 1 2 1 l 。 ( 2 ) 非线性弹性本构关系 由于混凝土材料在加载过程中，应变增加明显地快于应力的增加，为描述这种非 线性关系，过程上常采用非线性弹性模型，如图2 2 所示，其特点是应力应变不成正比， 但仍有一一对应关系，卸载时沿加载路径返回，没有残余变形。应力状态由应变状态 唯一确定，应力应变的关系式为： 盯= e p 归 ( 2 2 ) 式中，弹性模量e ( 对于二、三维问题，则是物理矩阵) 是应力水平( 也可表示 为应变大小) 的函数，而不再是常数。如果找到适合于钢筋混凝土材料e b ) 表达式， 且求解问题只是考虑单调加载的情况，就可以得到较为理想的计算结果。该关系式在 钢筋混凝土结构非线性有限元分析中应用最广。 ( 3 ) 弹塑性本构关系 o ( c ) ( d ) 图2 3 钢筋单向拉伸试验曲线及其简化模型 f i g 2 3c u r v eo fs t e e lb a ru n i l a t e r a ld r a w i n g t e s ta n di t ss i m p l i f i e dm o d e l 对于受载荷作用后处于较高应力水平下的钢筋混凝土结构，常常采用弹塑性的本 构关系。弹塑性理论的许多概念是根据材料单向拉压试验的应力一应变曲线所得到的， 再推广n - - 维或三维的应力一应变情况。以钢筋单向拉伸试验为例，图2 3 ( a ) 为软钢单 东北大学硕士学位论文第二章混凝土非线性问题的有限元方法 向拉伸试验的应力一应变曲线，曲线包括了线弹性阶段( o a 段) ，流动阶段( a b 段) 以及 硬化阶段( b c 段) ，计算时，根据材料的不同条件作不同的简化，常用的简化模型为： 理想弹塑性模型 见图2 3 ( b ) ，一旦进入塑性，其应力保持不变，而应变不断增加。 线性强化弹塑性模型 当考虑材料进入塑性后的应变强化，可选用图2 3 ( c ) 所示的线性强化弹塑性模型。 刚塑性模型 若可恢复的弹性变形在总的变形中所占比例很小时，为简化计算可忽略弹性变形 部分，只考虑塑性变形，可取图2 3 ( d ) 所示的刚塑性模型。 弹塑性体的重要特点是，材料进入塑性状态的条件不仅与材料的物理力学性质有 关，而且与荷载变化及其应力水平有关。因此，为了在弹塑性分析时综合考虑上述因 素，在建立本构关系时，应同时考虑以下三个基本要求： 假定一个符合材料特性的屈服准则； 建立合适的塑性变形流动法则； 建立与材料变形特征相应的硬化和软化定律。 2 1 2 混凝土材料本构关系和破坏准则 基于上述具有普遍意义的本构关系，许多学者进行了更加深入的研究，发展出适 合各种材料的本构关系，其中以混凝土的研究最为复杂。 2 1 2 1 概述 混凝土结构进行非线性分析时，破坏准则和本构关系的建立是至关重要的，它直 接关系到分析的精度。由于混凝土成份的复杂性和载入的多样性，由此决定了其特征 性工作机理：微裂纹发展，随后构成较大的宏观裂缝，最终导致结构中混凝土的破坏。 采用何种本构关系由混凝土所受的力和性质决定，受力较小时混凝土可作为线弹性材 料：当应力较高或在持续荷载作用下，就要考虑到它的非线性。在复杂应力状态下混 凝土的强度和变形特性与在单轴受力情况下是不同的，要准确表示材料的特性，必须 以实际中所遇到的受力为基础去进行研究。对混凝土来说，可分为单轴、双轴和三轴 应力下的性质。 第二幸混凝土非线性问题的有限元方法东北大学硕士学位论文 2 1 2 2 单轴受力条件下的应力应变关系 0 占0 ( 口) 0 c o占- ( 6 ) 图2 4 混凝土单轴受压盯一占曲线 f i 9 2 4c u r v eo fc o n c r e t eu n i l a t e r a lc o m p r e s s i n g ( 1 ) j混凝土在单轴受压条件下的本构关系的研究己经有很长的历史了，很多学者提出 了各种不同的数学表达式，下面列出几种应用较广泛的数学式子阎。 我国混凝土结果设计规范( g b j l o 一8 9 ) 建议的表达式，这一曲线由上升阶 段和水平段组成，如图2 4 ( a ) 示， 广1 上升段仃= o - o l2 ( g - - - ) 一( 三) 2l o 0 时， k o 1 = z ( 2 1 6 ) 一向受拉一向受压，盯l 0 盯2 时， k o 1 - - 0 2 = ( 2 1 7 ) 上述公式和实验数据相比偏小，但公式简单，而且用于设计时，结果偏于安全， 因而在结构极限分析中得到广泛应用。 ( 2 ) k u p f e r 公式 双向受压时 一 4 ， 唐， 东北大学硕士学位论文 1 + 3 6 5 口， 0 1 p 2 弋五f jc o l p2 a a 2 p 一向受拉，一向受压时： 当一0 1 7 口0 时： 妒卜8 凳卜= 一1 + 3 2 8 0 t 六_ 当一o o 口- 0 1 7 时： 0 2 p = 0 6 5 f , ，q 户= o 6 5 f , 。 注意，这一公式不满足吼：0 时，盯形= 1 的常规要求。 ， jc 双向受拉取： 仃l = z 。，盯2 = z ( 2 2 0 ) ( 2 2 1 ) ( 2 2 2 ) 式中口= 旦为两个方向主应力比值。q p 、o 2 p 为两个主方向的最大应力，为圆 口 柱体抗拉强度，z 为单向受力时的抗拉强度。 ( 3 ) 其它本构关系模型 d a r w i n 等的模型一等效单轴受力模型 此模型的特点是： a 考虑了混凝土在双轴受力下微裂缝的发展收到限制的影响，把混凝土视为正交各 向异性材料； b 采用增量形式，在增量范围内近似把材料视为线弹性材料； c 可用于卸载及反复荷载等复杂情况。 多折线模型 此模型为l i u , n i l s o n 和s l a t e 提出，建议双压区折线替代莫尔一库仑准则中的单直 线。此模型的特点是： a 考虑了混凝土在双轴受力下微裂缝的发展受到限制的影响，从而把混凝土视为正 交各向异性材料； b 没有考虑卸载及反复荷载的情况； 1 5 第二章混凝土非线性问题的有限元方法东北大学硕士学位论文 c 所得的最大主应力0 7 方向的性能与试验结果不大一致。 江见鲸双参数模型 江见鲸经比较研究发现，用z 和z 或丘、厶来建立双参数破坏准则，在平面问 题中应用是比较方便而较为准确的，而且在三轴应力状态下也可应用。 2 1 2 4 三轴荷载下的混凝土强度 单轴应力状态下确定混凝土的强度用一个指标( z 和z ) 就行了。双向受力状态下， 对于不同的应力比仃。o r ：做了大量的试验，确定的包络