基于粘结滑移层单元的FRP筋混凝土板非线性有限元分析.pdf
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1、分类号 0343.3UDC _密级硕士学位论文基于粘结滑移层单元的FRP筋混凝土板非线性有限元分析学科专业 固体力学研究方向计算结构力学及其工程应用 基于粘结滑移层单元的FRP筋混凝土板非线性有限元分析摘要纤维增强塑料筋(Fiber Reinforc ed Polymer Bars)FRP筋是一种理 想的耐腐蚀抗拉材料,同时具有比强度高、抗疲劳性能好、电磁绝缘性好 等优点,代替钢筋与混凝土结合使用,会有良好的抗弯效果,研究的潜力 很大。近年来,学者们在FRP筋混凝土板结构性能方面开展了很多试验和 数值模拟研究,但是在数值模拟中很少有考虑FRP筋与混凝土之间粘结滑 移对结构性能的影响。本文发展了
2、一个考虑粘结滑移效应的新型层单元,用于模拟FRP筋混 凝土板在静力荷载下的结构行为。该单元以Mindlin-Reissner板理论为基础,引用分层理论在厚度方向划分板,引用Timoshenko组合梁函数构建单元的 位移场和应变场,有效避免了剪切闭锁的影响,适用于薄板到中厚板的分 析。引用一个零厚度的粘结单元模拟FRP层与混凝土层之间的粘结滑移效 应,引入改进的BPE模型作为粘结单元的材料性质矩阵,以此考虑FRP筋 与混凝土间的粘结滑移关系。本文介绍的新型层单元模型考虑了材料非线 性和几何非线性,与现有有限元软件模拟FRP筋混凝土板相比,避免了使 用不同类型的有限元单元,且所需的单元数目少。本文
3、设计并实施了 FRP筋混凝土板的静力试验,研究分析了 FRP筋混 凝土板的挠度和裂纹发展规律,通过试验数据来验证新型层单元的有效性 和准确性。有限元研究结果表明混凝土开裂后,与不考虑粘结滑移层单元 模型相比,新型层单元模型会发生粘结破坏,从而表现出的静力性能明显 降低,这与试验结果更加接近,也更加符合实际情况。新发展的有限元模 型根据最大主应力准则对混凝土应力状态进行追踪,模拟了混凝土板裂纹 的发展趋势。此外,本文基于新型层单元分析了 FRP筋种类、FRP筋直径、FRP筋表面处理方式等参数对FRP筋混凝土板粘结性能及静力性能的影响,对工程上使用纤维筋增强混凝土结构有理论指导意义。关键词:FRP
4、筋混凝土板粘结滑移层单元Mindlin-Reissner板 理论Timoshenko组合梁函数IINONLINEAR FINITE ELEMENT ANALYSIS OF FRP REINFORCED CONCRETE SLABS BASED ON BONDED SLIPLAYERED ELEMENTSABSTRACTFRP(Fiber Reinforc ed Polymer Bars)is a kind of ideal anti-c orrosion and anti-pulling material,with high strength,good fatigue resistanc e
5、and elec tromagnetic insulation performanc e.When used in c ombination with c onc rete,it will have a good flexural effec t and the potential fbr researc h is great.In rec ent years,sc holars have made many experiments and numeric al simulations on the struc tural performanc e of FRP reinforc ed c o
6、nc rete slabs,but in numeric al simulation,little c onsideration has been given to the effec t of bond-slip between FRP bars and c onc rete on struc tural performanc e of FRP reinforc ed c onc rete slabs.This paper develops a new layered quadrilateral element that c onsiders the effec t of bond-slip
7、,and it is used to simulate the struc tural behavior of FRP-reinfbrc ed c onc rete slab under static load.The element is based on the Mindlin-Reissner plate theory.It uses the layered theory to divide the plate.The displac ement and strain fields of the element are referenc ed by the Timoshenko c om
8、posite beam func tion.This effec tively avoids the influenc e of shear loc king and is suitable for the analysis of thin plates to medium and thic k plates.A zero-thic kness spring element is used to simulate the bond-slip effec t between inthe FRP layer and the c onc rete layer,and the improved BPE
9、 model is introduc ed as the material property matrix of the spring element.The new layered element model in this paper c onsiders material nonlinearity and geometric nonlinearity.Compared with the existing finite element software simulation of FRP reinforc ed c onc rete slabs,the use of different t
10、ypes of finite elements is avoided,and the number of required elements is small.In this paper,the static test of FRP reinforc ed c onc rete slabs was designed and implemented.The development of deflec tion and c rac ks of FRP reinforc ed c onc rete slabs was studied and analyzed.The validity and ac
11、c urac y of the new layered element were verified by c omparison.After the c onc rete c rac ks,c ompared with the element model without c onsidering the bond-slip layer,the new layered element model will undergo bond failure,and the static performanc e shown will be signific antly reduc ed.In this p
12、aper,the stress state of c onc rete is trac ked ac c ording to the maximum princ ipal stress c riterion,and then the development trend of c onc rete slab c rac ks is suc c essfully simulated.In addition,this paper analyzes the influenc e of parameters suc h as FRP tendon type,FRP tendon diameter,and
13、 FRP tendon surfac e treatment method on the static performanc e of FRP reinforc ed c onc rete slabs based on a new layered quadrilateral element and provides theoretic al guidanc e for the use of fiber reinforc ed polymer reinforc ed c onc rete struc tures in engineering.KEY WORDS:FRP reinforc emen
14、t c onc rete slab;Bond slip;Layered element;Mindlin-Reissner plate theory;Timoshenko c omposite beam func tionIV目录摘要.IABSTRACT.Ill第一章绪论.11.1 引言.11.2 FRP筋基本特性.21.3 FRP筋混凝土结构的研究现状及问题.31.3.1 FRP筋混凝土结构实验研究.31.3.2 FRP筋混凝土结构数值模拟研究.41.3.3 FRP筋与混凝土的接触问题.41.4 研究的目的方法及内容.51.4.1 研究的背景和目的.51.4.2 研究的方法和内容.61.5 本
15、章小结.7第二章板非线性有限元分析理论基础.:.82.1 引言.82.2 板的理论.5.82.3 板的有限元分析.102.3.1 板的有限元分析中的剪切闭锁现象.112.3.2 Timoshenko 组合梁函数.122.3.3 分层方法.132.4 混凝土板的非线性有限元分析.142.4.1 材料非线性.142.4.2 混凝土的拉伸硬化.142.43几 何非线性.182.4.4 非线性有限元公式.192.4.5 非线性有限元公式的求解.202.4.6 收敛准则.212.5 本章小结.22v第三章CFRP筋混凝土板静力试验研究.233.1 引言.233.2 CFRP筋混凝土板的挠度试验方案设计.
16、233.1.1 试验目的.233.1.2 试件设计.233.1.3 支座设计.273.1.4 实验装置及加载方式.273.1.5 数据采集方案.283.2 试件的制作.293.3 材料力学性能.303.3.1 FRP 筋.303.3.2 混凝土.313.4 实验结果及分析.323.4.1 实验现象.323.3.2实验数据处理分析.:.343.4试验结论.36第四章基于新型层单元的FRP筋混凝土板非线性有限元分析-考虑粘结滑移影响.374.1 引言.374.2 考虑粘结滑移影响的新型FRP筋混凝土板层单元.374.2.1 粘结滑移的产生机理.374.2.2 新层单元模型地建立.384.3 层合板
17、单元的公式.394.3.1 Timoshenko组合梁函数在FRP筋混凝土板中的应用.394.3.2 弯曲应变.41433膜应变.434.3.4 剪切应变.434.3.5 新型层单元的应变矩阵.444.4 总体本构关系.464.5 混凝土与FRP粘结滑移性能的模拟.47VI4.6 材料本构.474.6.1 FRP筋的材料本构.474.6.2 混凝土的材料本构.484.6.3 粘结滑移本构模型.484.6.3.1 BPE 模型.494.63.2 改进的BPE模型.504.633 陆新征提出的模型.514.63.4 Yankelevsky 模型.524.7 非线性有限元公式和求解程序.534.7.
18、1 单元刚度矩阵.534.7.2 几何刚度矩阵.544.7.3 单元内力.544.7.4 非线性有限元分析的求解程序.564.8 不考虑粘结滑移层单元模型对比介绍.574.8.1 单元地划分.574.8.2 单元的位移和应变.58483总体本构矩阵.584.8.4 有限元基本公式.594.8.4.1 单元刚度矩阵.:.59484.2单元几何刚度矩阵.604.843单元内力.614.9本章小结.62第五章 算例验证与参数分析.635.1 新型层单元模型的收敛性分析.635.2 不考虑粘结滑移层单元模型的收敛性分析.655.3 新型层单元模型的验证.685.3.1 不考虑粘结滑移层单元与ABAQU
19、S和试验结果对比验证.685.3.2 两种层单元对第三章试验的模拟对比.725.3.3 Burong Zhang试验板4的新型层单元模拟.73VII5.3.4 Burong Zhang试验板2的新型层单元模拟.775.4 新层单元模型对混凝土应力状态的模拟.775.4.1 横截面混凝土应力状态.785.4.2 纵截面混凝土应力状态.795.5 参数分析.815.5.1 不同FRP筋种类对混凝土板结构性能的影响.815.5.2 FRP筋直径对混凝土板结构性能的影响.825.5.3 FRP筋不同表面处理对结构性能的影响.835.6 本章小结.84第六章结论与展望.856.1 结论.856.2 展望
20、.86参考文献.87致谢.94硕士学位期间参加的科研项目和发表的论文.95vm广西大学硕士学位论文基于粘结洒移层单元的FRP筋混凝土板非线性有限元分析第一章绪论1.1 引言钢筋混凝土结构从十九世纪出现以来,得到很大发展,在土木工程结构中使用很普 遍,绝大部分建筑都离不开钢筋混凝土结构,如房屋建筑、桥梁、隧道等。随着时间的 推移,钢筋混凝土结构也暴露出一些缺陷。混凝土材料抗拉强度很低,一旦开裂,钢筋 就会暴露在空气中,尤其是钢筋长期处于侵蚀环境中,钢筋就会因钝化膜破坏而发生锈 蚀。一旦钢筋发生锈蚀,混凝土表面就可能出现大范围开裂和剥落,受力性能也会削弱,从而降低了结构的耐久性。实际工程应用表明,
21、大量的钢筋混凝土结构由于钢筋锈蚀等 各种原因而提前失效,特别是沿海或其它潮湿环境中的钢筋混凝土结构。采用耐腐蚀的新型结构材料一一纤维增强复合材料,是一种很好的解决途径,并已 逐渐成为工程结构发展的一个方向“同。纤维增强塑料筋(Fiber Reinforc ed Polymer Bars)是一种理想的耐腐蚀材料,且抗拉强度远大于钢筋,与混凝土结合使用,会有良好的抗 弯效果,研究的潜力很大。一些实际工程也开始使用FRP材料,主要用于两个方面:其 一,用于新建筑物中代替钢筋;其二,用作老旧建筑物的修复与加固。1986年,德国首 次将预应力FRP筋应用于公路桥梁建设。随后其它欧洲国家、美国和日本等国都
22、先后 将FRP筋用于桥梁结构。除此之外,FRP筋也被应用于屋面板、公路护栏、浮动船坞 和很多沿海建筑7%FRP筋可以显著提高土木工程结构的性能,延长其使用寿命,对我国城镇化发展、防灾减灾、海洋开发等具有重大意义。国内对FRP筋混凝土结构的研究与生产相对国外 起步较晚,FRP筋的生产还未实现规范化、标准化,各厂家FRP筋材料的力学性能差 异性较大,理论和应用方面的研究还不太完善,但目前各科研机构及高校都加入了研究 FRP筋的队伍,同时随着生产设备及生产技术的提升,FRP筋混凝土结构已越来越多成 功应用在基础设施中,研究与应用的发展都相当迅速。广西大学硕士学位论文基于粘结沟移层单元的FRP筋混凝土
23、板非线性有限元分析1.2 FRP筋基本特性纤维增强塑料筋(FRP Bars)是以连续纤维(玻璃纤维glass fiber、碳纤维c arbon fiber、芳轮纤维aramid fiber、混杂纤维hybrid fiber)为增强材料,以合成树脂为基体材料,并 掺入适量辅助剂(如交联单体、引发剂、促进剂、烛变剂、阻燃剂、阻聚剂、填料、颜 料等)经拉挤成型技术和必要的表面处理形成的一种新型复合材料网。从材料的组成可知,FRP筋的性能主要取决于纤维和合成树脂的特性,纤维和合成 树脂的配比、截面形状与尺寸、制造技术等因素对FRP筋的性能都有重要影响。作为替 代钢筋的新型材料,与普通钢筋相比,优势明显
24、,但也存在一些不足口/工 优点:(1)抗拉强度高。FRP筋的抗拉强度可达到2000MPa甚至更高,远远优于普通钢筋,与高强钢丝相比豪不逊色,但FRP筋没有明显的屈服平台。(2)密度小、重量轻。通常FRP筋的密度仅为钢筋的16%25%,可以大大减小结构 的自重荷载。同时FRP筋的混凝土保护层厚度也可比钢筋适当减小。(3)预应力损失小。FRP筋的抗拉强度高,弹性模量低,将其用于预应力结构中,混 凝土收缩导致的预应力损失相对减少。(4)耐腐蚀性能好。FRP筋不像钢筋会发生锈蚀,因此在潮湿环境、腐蚀性环境或者 一些沿海地区使用FRP筋结构,会表现出更好的耐久性能。尤其CFRP筋的性能受环境 影响极小,
25、适合在恶劣环境中使用。(5)抗疲劳性能优良。CFRP筋与AFRP筋的抗疲劳性能明显优于钢筋,GFRP的抗 疲劳性能则略低于钢筋,但能够满足结构构件对抗疲劳的要求。(6)电磁绝缘性好。在一些特殊的建筑中,如雷达站、医院手术房、磁浮火车、机场 塔台等,钢筋会对磁场产生干扰,影响相关设备仪器的正常使用。相比之下,FRP筋的 电磁绝缘性相当好,在这些环境中,FRP筋比钢筋更加适用。不足:(1)弹性模量较低。FRP筋的弹性模量只有钢筋的25%75%,因而,在非预应力FRP 筋混凝土结构中,挠度会相对较大、裂缝也会开展得更宽。(2)抗剪强度较低。FRP筋的抗剪强度都比较低,一般不到抗拉强度的十分之一,比
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