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碳纤维片材加固钢结构的有限元分析 摘要 结构加固是土木工程中的一个重要研究领域，而纤维增强复合材料( f i b e r r e i n f o r c e dp o l y m e r s ，简称f r p ) 加固工程结构则是一种新型的结构加固技术，是 结构加固领域的研究热点之一。目前f r p 加固混凝土结构领域己经有了较多的 研究和应用，相应的设计方法与施工工艺也日益成熟。而有关f r p 在钢结构领 域的研究和应用国内外都涉足甚少，本文以有限元方法为基础，对粘贴碳纤维 加固钢结构的技术进行了研究。 在总结国内外关于f i 冲加固修复钢结构理论分析和试验研究的基础上，本 文对f r p 加固修复钢结构的特殊性及关键问题进行了系统的论述，包括f r p 与钢 梁之间的粘结机理、对加固材料的要求、f r p 与钢梁材料的表面处理、f r o 与钢 梁之间的荷载传递及构造措施等。 本文通过a n s y s 有限元的方法对碳纤维加固钢结构进行了验证，提出了 “三维实体一弹簧一壳元”有限元模型，对采用a n s y s 分析的关键技术进行了 论述，并采用该模型对受弯钢梁粘贴f r p 加固后的性能进行了分析，并对加固 效果的影响因素进行了讨论。 通过研究分析得出了若干结论和建议，对f r p 加固修复金属结构技术的发 展和完善具有一定的参考价值。 关健词：纤维增强复合材料钢结构粘结性能有限元分析 t h ef i n i t ee l e m e n t a n a l y s i sr e s e a r c ho ns t e e l s t r u c t u r e sw i t hc f r p a b s t r a c t 1 1 l er e s e a r c hf i e l do f s t r u c t u r e ss t r e n g t h e n i n gi sv e r yi m p o r t a n ti nc i v i le n g i n e e r i n g s t r u c t u r e ss t r e n g t h e n i n gw i t hf i b e rr e i n f o r c e dp o l y m e r s 【f r e ) i san e w s t r e n g t h e n i n g t e c h n i q u e ，w h i c hi sar e s e a r c hi s s u ei nt h es t r e n g t h e n i n gf i e l d c u r r e n t l yf r pi su s e d e x t e n s i v e l yi nt h ee a ) n c r e t es t r u c t u r es t r e n g t h e n i n ga n dr e t r o f i t n l ed e s i g nm e t h o d s a n dt h ew o r k i n gt e c h n i q u e so ft h ec o n c r e t es t r u c t u r es t r e n g t h e n i n gu s i n gt h ec f r p a r ea l lp e r f e c ti n c r e a s i n g l y b u tt h e r ei s l i t t l ei n f o r m a t i o no ft h er e s e a r c ha n d a p p l i c a t i o nu s i n gc f r pi nt h es t e e ls t r u c t u r ea l lo v e rt h ew o r l d a c c o r d i n gt ot h e f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，t h i sp a p e rr e s e a r c h e so nt h et e c h n o l o g yo f s t r e n g t h e n i n ga n d r e p a i r i n gv i c e - s t e e lw i mc f r p b a s e do nt h es l n n n l a r yo ft h e o r ya n a l y s i sa n dt e s tr e s e a r c ho ns t e e ls t r u c t u r e s s t r e n g t h e n e dw i t hf r pb o t hh o m ea n da b r o a d t h ek e yp r o b l e m so fs t e e ls t r u c t u r e s r e p a i r e dw i t hf r ph a v ed i s c u s s e di nd e t a i l s ，s u c ha sb o n d i n gm e c h a n i s mb e t w e e n f r pa n ds t e e lb e a m ，t h es e l e c t i o nm e t h o d o l o g yo f r e p a i r m a t e r i a i s s u r f a c e p r e p a r a t i o no f f r pa n ds t e e lb e a m 1 0 a dt r a n s f e rb e t w e e ns t e e lb e a ma n df r p t i l i sp a p e rp u tf o r w a r dt h ee x p r e s s i o n so ft h ec a p a c i t yi nt h ec o m p o s i t em e m b e r w i t hc f r pa n ds t e e l ，w h i c ha r eb ev a l i d a t e db yt h ea n s y sm e t h o d s t h e “3 d s o l i d s p r i n g s h e l l f i n i t ee l e m e n tm o d e lh a sp r o p o s e di nt h ep a p e r , a n dt h ek e y t e c h n i q u e sh a v ed i s c u s s e dw h e nt h eg e n e r a lp u r p o s es o f t w a r ea n s y sh a sa d o p t e dt o t h eb e n d i n gs t e e lb e a mm e m b e r ss t r e n g t h e n e dw i t hf r p n l ei n f l u e n c i n gf a c t o r so f r e p a i re f f e c t i v e n e s sh a v ed i s c u s s e d 弧ec o n c l u s i o n sa n ds u g g e s t i o n si nt h ep a p e rw i l lp l a yv e r yi m p o r t a n tr e f e r e n c e v a l u e sf o rt h ed e v e l o p m e n to f m e t a l l i cs t r u c t u r e sr e h a b i l i t a t i o n k e yw o r d s ：f i b e rr e i n f o r c e dp o l y m e r s ( f r p ) ，s t e e ls t r u c t u r e s ，i n t e r f a c i a ls t r e s s , f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s 插图清单 图3 一l 八节点实体等参单元示意图1 8 图3 2 典型塑性材料的应力一应变曲线图2 3 图4 1 工字钢梁试件加载方式2 8 图4 2 应变片粘贴2 8 图4 3s o l i d 4 5 单元几何模型3 3 图4 4 粘结胶层弹簧单元3 3 图4 5 弹簧单元面积的计算3 4 图4 6 约束方程3 5 图4 - 7 材料属性的设定3 5 图4 - 8 工字钢梁试件3 6 图4 9 单元网格划分3 7 图4 - 1 0 模型荷载、约束显示3 8 图4 1 l 求解控制选项设置对话框3 9 图4 1 2 非线性选项卡3 9 图4 - 1 3 工字钢梁一1 的位移图4 0 图4 1 4 工字钢梁一1 的v o n m i s e s 应力图4 l 图4 1 5 工字钢梁- - 2 的位移图4 1 图4 一1 6 工字钢梁一2 的v o nm 1 s e s 应力图4 2 图4 - 1 7 工字钢粱一2 的碳纤维布位移图_ 4 2 图4 - 1 8 - 1 - 字钢梁一2 的粘结胶层位移图4 3 图4 1 9 工字钢梁一3 的位移图4 3 图4 2 0 工字钢梁一3 的v o n m i s e s 应力图4 4 图4 - 2 1 工字钢粱一3 的碳纤维布位移图 图4 2 2 工字钢梁一3 的粘结胶层位移图4 5 图4 2 3 荷载一位移关系曲线4 6 图4 2 4 工字钢梁一1 荷载位移关系曲线4 7 图4 2 5 工字钢梁一2 荷载位移关系曲线4 7 图4 2 6 工字钢梁一3 荷载位移关系曲线4 8 表格清单 表1 - 1 各种钢结构加固修复技术性能比较一4 表2 - 1 底层树脂、找平材料的性能指标一9 表2 2 浸渍树脂和粘结树脂的性能指标一9 表2 - 3y z i 一1 结构胶的力学性能l o 表2 4 浸渍胶y z j c q 的物理力学性能l o 表4 - 1 碳纤维布材料l 3 0 0 一c 的主要性能指标2 6 表4 - 2 各种材料的物理力学性能对比2 7 表4 3 工字钢梁试件尺寸及加载方式2 8 表4 - 4 有限元分析采用的参数3 5 表4 - 5 加固与未加固的工字钢梁结果对比4 6 表4 - 6 各模型特征点内力计算结果4 6 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 据我所知，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 佥胆王些盔堂或其他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 并表示谢意。 学位论文作者签名；灰屯签字日期。诫1 年f 硐。乙日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金壁兰些盔堂有关保留、使用学位论文的规定，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。本人授权盒 坦王些态堂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，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：易1 1 耽 签字日期 一年1 汐。调 学位论文作者毕业后去向； 工作单位： 通讯地址： 办 导师签名：二主，丫 蝴一圳7 日 电话；f 劝 啊牛d 邮编： 致谢 本论文是在我的导师完海鹰教授的悉心指导下完成的。完老师从研一到研 三在学习、生活、工作中都给了我无微不至的关怀和教导。我特别感谢完老师 两年多来对我的关心、帮助与培养。从考上完老师的研究生以来，我不仅在学 业方面取得了长足进步，更重要的是我从导师身上学到了做人的道理、处事的 道理。完老师不仅学识渊博，治学严谨，而且诲人不倦，关心学生，他不仅仅 传授给学生专业知识，还启发学生分析问题的方法、思考问题的角度。这些都 将使我受益终生，在此我对我的恩师表示最衷心的感谢! 。 同时我要感谢培养了我六年多的合肥工业大学，是她给我这样一个平台， 让我学习专业知识，结识了许多老师和同学! 还要感谢郑晓清、马登堂、王伟佳、奚敏等师弟师妹们，我会记住和你们 一起度过的两年多的学习时光。 我的父母把我培养成人，给我创造了这些学习的机会，正是由于他们的理 解和关爱使得我这么多年专心读书，终于完成学业。 最后感谢所有关心、支持和帮助过我的老师、同学和朋友。 作者：刘昆 2 0 0 7 年1 1 月2 0 日 合肥工业大学硕士论文 第一章绪论 1 。1 研究背景 随着社会经济和科学技术的迅猛发展，工程结构中存在大量的钢结构设备， 如钢结构桥梁、钢结构建筑物、塔桅结构、压力容器、输送管道、钢储罐和机 械设备等 i - 5 。这些钢结构在国民经济中占有重要的地位，广泛应用于土木工程、 石油化工、炼油等诸多工程领域中。它们常年工作在恶劣的条件下，有些结构 长期处于腐蚀环境中，有些结构则经受交变荷载的作用；有些结构处于高温、 高湿或高压的服役环境中，而有些结构内部则充满易燃、易爆、有毒、腐蚀等 介质。这些结构在运行过程中会受到自然环境的侵蚀、外部荷载的作用或人为 因素的破坏，因此不可避免地会存在各种缺陷和损伤 6 - 1 3 】。当损伤累积到一定程 度时，就会导致结构失效。例如输送管道在周围环境和内部介质的作用下经常 会发生化学或电化学腐蚀，严重时导致腐蚀穿孔和泄漏，一旦发生泄漏或爆炸， 往往会发生火灾或中毒、爆炸等灾难性事故：同时，有毒有害物质进入大气、 土壤和水源，既污染了环境，又造成了生产资料的浪费。 大量的钢结构急需进行加固和修复，为了延长这些损伤钢结构的使用寿命 和确保结构安全工作，就必须对损伤结构构件进行更换或修理。鉴于新建工程 结构成本高，同时结构损伤具有局部性和多发性的特点，这些结构不可能一旦 出现损伤就退役，而且更换这些损伤结构构件也将耗费大量的人力、财力和物 力，并且会影响到结构的正常使用。因此，寻求经济高效的钢结构加固修复技 术既是亟待解决的技术闯题，又是一个关系到人类可持续发展的社会闯题。 传统的钢结构加固方法主要是焊接加固技术0 4 - i 酊，是在结构损伤部位焊接 钢盖板或型钢，使结构恢复正常承载能力从而得以安全运行的加固修复技术。 如埋地管道因腐蚀会引起坑、槽等体积缺陷，通过对缺陷部位的简单清理、打 磨，采用与管道材质和规格相同或相近的片状或半环状管材焊接在缺陷部位并 将其覆盖，然后进行一些简单热处理和表面防腐处理，从而使管道恢复承压能 力。钢焊接加固修复技术已经有多年成功应用的历史，因此较为成熟，是目前 普遍采用的钢结构加固修复方法。但由于这种方法主要采用现场焊接，因而会 带来一系列问题1 1 7 “l ； 焊接时高温作用使焊接部位性能劣化、材质变脆，断裂韧性降低，抵抗 脆性断裂的能力变差，影响结构运行的安全性； 焊缝经常会或多或少存在一些缺陷，会萌生新的裂纹，成为新的断裂源； 焊接过程中容易产生氢脆，焊接后结构内部存在残余应力，和其它作用 结合在一起可能导致开裂； 焊接使结构形成连续的整体，裂缝一旦失稳扩展，就有可能一断到底； 合肥工业大学硕士论文 焊接操作的人员技术水平要求较高，焊后需进行必要的现场探伤； 由于焊接需要盖板，使结构重量增加较多，同时对于复杂的几何形状不 易成形，运输和安装也不方便，耗时、费力，质量不易保证； 钢盖板容易锈蚀，维护费用高。 近几十年结构胶迅速发展，己在航空、汽车和机械制造等工业领域得到了 广泛地应用 2 2 。硼。粘结钢板加固钢结构是用特制的粘结剂将钢补强板粘贴于结 构的损伤部位，使钢补强板与带缺陷的原结构紧密结合在一起，钢补强板承担 了原结构的部分荷载，降低了原结构缺陷部位承受的荷载，从而达到加固的效 果。但是由于钢板补强容易锈蚀，会影响与原结构之间的粘结性能；而且钢板 厚度较大，既不利于成形，又会在粘结界面产生较大的剥离应力，与界面剪应 力共同作用导致界面过早发生剥离破坏。 随着碳纤维增强复合材料( c a r b o nf i b e rr e i n f o r c e dp l a s t i c ，简称c f r p ) 的开 发应用和粘结剂性能的不断改进，高性能复合材料依靠优异的性能在航空、航 天、体育、卫生、电子、兵器等领域得到了广泛的应用。人们相应研究发展了 粘贴f r p 加固损伤结构的技术，即将己固化的、半固化的( b 阶段) 或未固化的f r p 预浸料片材，粘贴到结构的破坏损伤部位以完成结构的加固和修复。目前，碳 纤维增强复合材料( c a r b o n f i b e r r e i n f o r c e d p l a s t i c ，简称c f r p ) 加固修复混凝土 结构技术已经成熟并广泛应用于混凝土梁、板、柱、梁柱节点和桥墩等工程结 构的加固中 2 9 - 3 3 】。杨勇新 3 4 , 3 5 1 、l o r e n z i s 3 6 1 等对f r p 与混凝土之间的粘结性能进 行了分析比较。 r o b e r t s 3 7 、t a l j s t e n l 3 8 1 、m a l e k m j 、r a b i n o v i t e h t 4 0 l 、e l - m i h i l m y 4 1 1 、s m i t h 【4 2 、 s h e n 4 3 1 等人对粘贴f r p 或钢板加固钢筋混凝土梁的界面应力进行了较为深入的 理论分析。人们对f r p 加固砌体结构也进行了一些试验研究和理论分析。而对 粘贴f r p 加固修复钢结构这一技术的研究、试验和应用相对来说比较少，尤其 是在国内。 1 2f r p 加固修复钢结构的特点 f r p 加固修复钢结构技术是利用粘结剂将f r p 片材粘贴到钢结构损伤部位 的表面，使一部分荷载通过胶层传递到f i 心片材上，降低了钢结构损伤部位的 应力水平，使裂纹扩展速率降低或制止了裂纹的扩展，而临界裂纹长度也有所 提高，从而延长了结构的使用寿命。因此，粘贴f r p 加固钢结构技术是一种很 有发展前途的新型结构加固技术，具有广阔的应用前景，它可以应用到飞机机 身的裂纹修复、钢结构桥梁和建筑物的加固修复以及船体结构、压力容器、输 送管道和钢储罐等钢结构的缺陷加固及修复。 与传统的钢结构加固方法相比，粘贴f r p 加固技术具有明显的优势 4 4 , 4 5 ： 2 合肥工业大学硕士论文 f r p 比强度和比刚度高，要达到同样的加固效果，f r p 的尺寸明显小于钢 板的尺寸，同时f r p 本身密度小，而粘贴加固又省去了紧固件，加固后基本不 增加原结构的自重和原构件的尺寸； 由于f r p 的可设计性，即可以根据结构缺陷的严重程度和受力情况，在 单向f r p 中，通过改变组分和组分含量以改变其纵向和横向性能以及它们的比 值；对于f r p 板采用改变f r p 铺层的取向与顺序而改变复合材料的弹性特性和刚 度特性来设计复合材料的性能，从而适应特殊应用的要求，最大限度提高钢结 构的加固效果； 由于f r p 的可成形性，对于复杂曲面结构( 如压力容器、管道、安全壳等) 的加固，该方法具有特别的优势； f r p 具有良好的抗疲劳性能和耐腐蚀性能； 该方法不需要对原结构钻孔，对基体材料( 待加固的钢结构) 承载横截面 基本无削弱，不破坏原结构的整体性，不会形成新的应力集中源和纤维切断， 从而消除了产生新的孔边裂纹的可能，改善了应力集中和承载情况，提高结构 的抗疲劳性能，同时也避免了因钻孔而可能导致的对液压管道的破坏，以及因 钻孔产生的金属细屑进入结构内部： 柔性的f r p 对于任意封闭结构和形状复杂的被加固结构表面，基本上可 以保证近1 0 0 的有效粘贴率，与钢结构表面有良好的界面粘结性能、密封性， 减少了渗漏甚至腐蚀的隐患，很少出现二次腐蚀破坏现象，这一点对石油化工 行业的压力容器、输送管道等结构尤为重要； 粘贴f r p 加固修复钢结构是连续的面际连接( 即两者相邻表面结合起 来) ，整个粘结面都承受荷载，克服了焊接仅依靠边缘结合而内部不能结合的缺 陷。钢结构与f r p 构成整体，荷载从原金属结构传递到f r _ p 更加均匀有效，应力 分布更为均匀，大大缓解了应力集中，这些都显著地提高了静强度和刚度，抗 疲劳性能好，延长了结构的使用寿命； 该方法特别适合于结构局部损伤和腐蚀等的加固，加固后能有效地阻止 裂纹的继续扩展，大大延长结构的使用寿命，提高维修间隔，降低维修成本， 满足可靠性和耐久性的要求； 该方法简便易行，成本低，效率高，特别适合于现场加固。可节省人工 与机器设备搬运，减少维护次数，避免道路因施工而造成阻塞。加固所用的时 间短，大约是常规加固方法所用工时的1 3 1 5 , 狭小空间亦可施工； 施工过程中无明火，安全可靠，对生产过程影响小，适用于特种环境， 如燃气罐、贮油箱、井下设备( 具有爆炸危险的情况) 、电缆密集处或化工车间、 炼油厂等环境。表1 一l 通过归纳更加直观地反映了钢结构各种加固修复方法的优 劣。 合肥工业大学硕士论文 表1 - 1 各种钢结构加固修复技术性能比较 焊接加固螺栓连接加固 铆接加固碳纤维加固 热塑区母材的韧 截面削弱截面削弱母材无损伤 性，塑性降低。 存在应力集中，焊 铆合温度过高，易 接残余应力，残余 普通螺拴在动荷 引起局部钢材 无残余应力及应 载下易发生松动。 力集中。 变形。 硬化。 易产生裂纹、气高强螺栓易发生 孔、夹渣未焊透等应力松弛、滑移 铆合质量不易施工无明火，适用 控制。 于特种环境。 缺陷。 变形。 劳动强度高，工效劳动强度高，工效劳动强度高，工效 施工工效高，质量 易保证，对生产影 较低。较低。较低。 响小。 大面积修复，综合大面积修复，综合大面积修复，综合 大面积胶接， 成本较高成本较高成本较高成本低 易于拆卸、组合、易于拆卸、组合、易于拆卸、组合、 不宜拆卸 检查检查检查 耗钢量多，结构自耗钢量多，结构自耗钢量多，结构自 结构自重增加 重增加较大重增加较大重增加较大 较小 连接强度的分散连接强度的分散连接强度的分散 强度受粘结方式、 温度、湿度等因素 性较小性较小性较小 影响，分散性较大 高温、蠕变易导致 高温、蠕变强度大高温、蠕变强度大高温、蠕变强度大 结构夫效 1 3f r p 加固修复钢结构的国内外研究现状 我国在粘贴f r p 加固修复钢结构技术方面的研究起步较晚，主要采用理论 分析的方法，研究领域主要限于航空工业。目前，国家工业建筑诊断与改造工 程技术研究中心对土木工程领域钢结构的加固做了比较系统的试验研究。 目前，人们对碳纤维布加固混凝土结构已经进行了广泛的研究，并在理论 和实践上都取得了较大的进展，但对碳纤维布在钢结构加固中的研究、试验和 应用，在国内外都涉足甚少。因此，将高性能复合材料粘结修补技术引入到钢 4 台肥工业大学硕士论文 结构工程的修复中，对提高钢结构的承载能力和结构服役的可靠性，在钢结构 工程加固修复领域中具有较强的实用价值。 正如前面所说，传统的钢结构加固方法存在着一系列的缺点，粘结碳纤维 布加固技术，与常规的修补方法相比，具有明显的优点。如利用碳纤维布加固 修补建筑结构后，基本上不增加原结构的自重和原构件的尺寸。而且，该方法 需要对原结构钻孔，不会减小构件横截面面积，不会形成新的应力集中源。此 外，碳纤维布对于任意封闭结构和形状复杂的被加固结构表面( 如压力容器、管 道、安全壳等) 具有特别的优势。 在2 0 世纪7 0 年代，国外已经有学者开始研究碳纤维布对钢结构进行防腐蚀、 防老化的维护加固，也有人开始考虑用碳纤维布对钢桥、钢建筑物进行维护加 固，革新原有的维护加固方法。在美国空军飞行力学研究室( a f f d l ) 、n o r t h r o p 公司、d o u g l a s 航空公司等率先进行复合材料胶接修补飞机损伤构件的研究，随 后澳大利亚、英国、法国等国家相继对这项技术展开了全面的研究，并已成功 地用于飞机部件裂纹的修补。 在这些研究中，e r d o g a n , a r i n 和r a t w a n i 等人采用平面弹性理论复变函数的 方法，以应力函数为出发点，用解析方法分析了复合材料补强片胶接修补含裂 纹金属板后的受力情况，对裂纹尖端的应力强度因子、补强片中的最大拉伸应 力和胶层内的最大剪应力进行了分析。k e e r ，l i n 和m l 黼等人用富立时变换，分 析了结构的胶接修补效果。 j o n e s 和c a l l i n a n 等人采用有限元方法，研究了复合材料补强片胶接修补中心 穿透裂纹板的裂纹尖端应力强度因子、胶层中最大剪切应力和补片中的最大拉 伸应力。1 l c h a n d r a 等利用j 积分与有限元相结合的办法计算了孔边裂纹板、中心 穿透裂纹板的裂尖应力强度因子。 t r 姐和s h e k 用有限元和边界元相结合的方法，分析了胶接补强片的修补效 果c h u e 和c h ，a 硷n g 利用三维有限元计算了双向加载下的中心穿透裂纹板的 修补问题。c ts u n 等利用“双板一弹簧”模型考虑了中心穿透裂纹板的单边及 双边修补问题，并且计算了中心椭圆脱胶时裂尖的能量释放率。 a l a w i 和s a l e h 对补强片胶接结构通过疲劳裂纹扩展试验，研究了补强片的几 何外形尺寸、修补结构的表面质量、补强片的数量、单面修补或双面修补对疲 劳裂纹扩展速率的影响。b a k e l l 4 6 还研究了修补结构的脱胶及实验温度对修补效 果的影响。 在国内，目前也已经有一些科研院所开始对碳纤维布加固钢结构的研究。 张宁等对粘贴碳纤维布加固修复钢板的静力拉伸性能和钢吊车梁的疲劳性能进 行了大量的试验研究。马建勋对粘贴不同面积碳纤维布加固后的钢板进行了单 轴拉伸试验，研究了c f r p 布对试件屈服荷载、承载力和延性的影响，并对c f r p 合肥工业大学硕士论文 布与钢板的共同工作进行了初步分析。彭福明等则对国内外对纤维增强复合材 料( f r p ) 粘结修复钢结构的研究状况进行了总结，并对c f r p 加固修复钢结构技 术的施工工艺进行了介绍，最后还指出目前c f i 冲加固修复钢结构技术广泛应用 于工程实践需要解决的问题，如c f r p 加固修复钢结构的局部性问题、界面问题 ( 粘结机理、粘结破坏准则及界面力学性能参数) 及温度残余应力问题等网。张 宁等通过试验和公式分析验证了粘贴碳纤维复合材料可以有效地改善钢构件的 应力状况，提高结构的承载力，同时对粘贴碳纤维布加固修复钢结构技术的粘 结界面受力性能进行了分析，提出粘结界面剪切应力的计算公式，初步探讨了 不同粘贴参数对复合构件粘结界面应力的影响。候发亮对碳纤维布加固矩形钢 梁和工字型梁做了试验研究，发现碳纤维布加固钢结构后，承载力有了一定的 提高。 国家工业建筑诊断与改造工程技术研究中心对粘贴c f r p 布加固修复钢板 的静力拉伸性能和钢吊车梁的疲劳性能进行了大量的试验研究。试验结果表明， 粘贴c f r p 布后钢板的屈服荷载有较大的提高；与焊接、栓接等传统的加固方法 相比，粘贴c f r p 布对改善吊车梁的疲劳性能效果非常显著。 1 4 本文的研究的目的和意义 本文分折所采用的有限元软件是目前通用的分析软件a n s y s 。a n s y s 是 一个功能强大的融结构分析、热分析、流体分析、电磁分析、声学分析于一体 的大型通用有限元软件，可广泛地用于核工业、铁道、石油化工、航空航天、 机械制造、能源、汽车交通、国防军工、电子、土木工程、生物医学、水利、 日用家电等一般工业以及科学研究。a n s y s 提供了不断改进的功能清单，具体 包括：结构高度非线性分析、电磁分析、计算流体力学分析、设计优化、接触 分析、自适应网格划分及利用a n s y s 参数设计( a p d l ) 语言扩展宏命令功能。 a n s y s 软件能与大多数c a d 软件实现数据共享和交换。 本文对c f r p 加固工字钢梁进行分析时，主要存在以下两个关键问题： 1 ) c f r p 与工字钢梁之间的粘结胶层厚度一般都很小，约为0 2 1 o 呲， 如果有限元分析中胶层采用实体单元，则可能造成单元畸变或单元数目过多， 对胶层的模拟是有限元分析的关键之一； 2 ) 与工字钢梁相比，c f r p 的厚度也很小，如一层3 0 型碳纤维布的厚度仅 为0 1 6 7 m m ，因此，有限元分析中c f r p 单元类型的选取是非常重要的。 本文提出的“三维实体一弹簧一壳元”有限元模型可以较好地解决上述问 题，既减少了有限元模型的规模，又具有较高的精度。 工字钢梁的模拟采用三维实体单元s o t i d 4 5 。该单元由8 个节点结合丽成， 每个节点有x 、y 、z 三个方向的自由度。该单元具有塑性，蠕变，膨胀，应力 6 合肥工业大学硕士论文 强化，大变形和大应变的特征。根据不同的网络划分选项，可以采用六面体、 三棱体或三棱锥等形状，还可以获得简化的综合的微控选项。 由于粘结胶层的厚度很小，因此在有限元分析中采用实体单元是不合适的。 本文采用a n s y s 中的弹簧单元c o m b i n l 4 来模拟c f r p 与工字钢梁钢板之间的 胶层，在c f r p - - 胶层界面与工字钢梁钢板表面之间相应的一对节点之间设置三 个弹簧单元分别表示界面的法向( 钢板的厚度方向) 、纵向切向和横向切向。 弹簧单元的长度为胶层的厚度，法向弹簧单元的性能由粘结剂拉伸试验得 到的应力一应变曲线确定，切向弹簧单元的性能由粘结剂剪切试验得到的应力 一应变曲线确定，分析中认为纵向切向弹簧和横向切向弹簧的性能相同。在确 定c o m b i n l 4 单元的实常数时，需要用到每个弹簧单元所对应的粘结胶层的面 积。根据弹簧所对应节点的位置可以分为中间弹簧( 即内部弹簧) 、边界弹簧和 角部弹簧。 加固钢结构采用的c f r p 厚度一般较小，所以本文采用s h e l l 6 3 单元来模拟。 为了保证各部分的变形协调，需要在c f r p - - 胶层界面节点与f r p 中面节点之 间建立约束方程。 考虑到试验经费以及试验广度等问题，本文借鉴了武汉大学土木建筑工程 学院李鹏、徐德新的碳纤维材料加固钢梁的试验研究，举例一个碳纤维加固 工字钢梁的试验模型。 本文利用有限元软件a n s y s 对粘贴c f r p 布加固钢梁进行三维有限元模 拟，提出了“三维实体一弹簧一壳元”有限元模型，对有限元分析的关键技术 进行论述，并利用该模型对受弯工字钢梁粘贴c f r p 加固后的性能进行分析。 通过对工字钢梁承载力的理论分析，以检测其加固效果( 如刚度增大、承载力提 高等) 、复合体系的性状，并把有限元模拟的结果同试验结果作了分析对比。 1 5 文章内容安捧 第一章首先介绍了f r p 加固修复钢结构的研究背景、研究特点以及国内外 的研究现状，并简要介绍了本文的研究目的和意义。 第二章通过胶合面内的层间应力分析，并在此基础上作了粘结破坏分析， 以加深理解钢梁和c f r p 在胶层上的力传递及粘结破坏的关系，从而得出了粘 结的破坏理论和粘结构件的设计原则。 第三章介绍了c f r p 加固钥梁数值模拟的理论基础，为下一章的有限元 a n s y s 分析做理论准备。 第四章首先介绍了武汉大学土木建筑工程学院李鹏、徐德新做的c f r p 加 固钢梁的承载力试验模型。接着利用有限元软件a n s y s 对c f r p 加固钢结构进 行三维有限元模拟。本文提出了“三维实体一弹簧一壳元”有限元模型，对有 7 合肥工业大学硕士论文 限元分析的关键技术进行论述，并利用该模型对受弯钢梁粘贴c f r p 加固后的 性能进行分析。并对有限元a n s y s 的计算结果同试验结果做了分析对比 第六章总结了本文所做的工作，并提出了下一步工作的思路与展望。 在本文中试验分析和理论分析相辅相成，涉及了c f r p 材料粘结加固钢梁性 能的方方面面，以期对工程实际应用有所帮助。 8 合肥工业大学硕士论文 第二章粘结构件的设计原则 2 1 粘结机理 2 1 1 胶粘剂 在加固设计过程中，必须考虑一个极其重要的问题连接。对于碳纤维 加固钢板，碳纤维和铜板必须粘结在一起形成一个整体结构共同受力，并保证 在承受荷载( 静荷载和动荷载) 和环境( 温度和湿度) 作用时维持结构整体性完好 无损，发挥加固后结构的最佳性能。 碳纤维材料加固结构时使用的连接方式只有机械连接和胶粘剂连接，且工 艺有待进一步改进与成熟。在这两种连接方式中，胶粘剂连接因能够保证连接 结构连续性和均匀性更受欢迎。 凡是能形成一薄膜层，并通过这层薄膜将物体与另一物体表面紧密连接起 来，起着传递力的作用，而且满足一定的物理化学性能要求的非金属物体称为 胶粘剂( 胶) 。 胶粘剂般由基料，固化剂，稀释剂，增塑剂，填料、耦联剂，引发剂、 促进剂、增稠剂、防老剂、阻聚剂、稳定剂、络合剂、乳化剂等多种成分构成 的混合物。 胶粘剂应具有如下技术条件【4 8 , 4 9 1 ： 1 在粘结时应为液体； 2 ，能够完全浸润被黏材料的表面； 3 通过固化或凝聚，成为坚韧的固体胶层或凝胶胶层； 4 具有足够的强度和最佳的力学性能。 采用碳纤维片材对钢结构加固时，应采用与碳纤维片材配套的底层树脂、 找平树脂、浸渍树脂或粘结树脂。配套树脂类粘结材料的主要性能要求见表2 - 1 、 表2 2 。 表2 1 底层树脂、找平材料的性能指标 i性能项目性能指标 l正拉粘结强度 2 5 m p a ，且不小于被加固混凝土的抗拉强度标准值缸 袤2 - 2 浸溃树脂和粘结树脂的性能指标 性能项目 性能指标试验方法 拉伸剪切强度 l o m p ag b 7 1 2 4 1 9 8 6 拉伸强度 3 0 m p ag b 广1 2 5 6 8 1 9 9 5 9 合肥工业大学硕士论文 压缩强度 7 0 啤a g b 门2 5 6 9 1 9 9 5 弯曲强度4 0 m p a g b 旭2 5 7 0 - 1 9 9 5 1 2 5 m p a ，且不小于被加固混凝土 正拉粘结强度| 的抗拉强度标准值氐 弹性模量1 5 0 0 m p ag b 月2 5 6 8 1 9 9 5 伸长率1 5 g b 厂1 2 5 6 8 1 9 9 5 本论文中试验的胶粘剂采用武汉长江加固技术有限公司生产的y z j 1 结构 胶和y z j - c q 浸渍胶，它们是粘钢和碳纤维专用胶。 y z j - 1 粘钢结构胶是以环氧树脂为主剂，以改性胺为固化剂，由双组份组成 的高分子聚合物，可在常温下固化的高强结构胶。适用于各种类型金属材料与 混凝土、岩石、玻璃、陶瓷、硬质塑料、木材等基本结构的粘结加固，广泛用 于建筑物结构改造、修复、补强加固工程。y z j 1 结构胶的物理力学性能见表 2 - 3 1 4 s 。 y z j - c q 为粘结碳纤维用的主要胶，称为浸渍胶。是粘结固化碳纤维的，它 的作用是浸入被粘基面，形成一个具有一定强度的可粘结基面。y z j c q 浸渍胶 的物理力学性能见表2 4 1 4 5 1 。 表2 - 3y z j 一1 结构胶的力学性能 项目单位指标( 平均值)测试标准 抗压强度 m 口a7 2 4 8 g b 厂1 2 5 6 9 1 9 9 5 抗拉强度 口a3 3 5 1 g b 门2 5 6 8 1 9 9 5 抗折强度 n 毋a4 5 6 4 g b 厂1 2 5 7 0 1 9 9 5 弹性模量 g p a6 1 0g b 门2 5 6 8 1 9 9 5 泊松比，0 3 5g b 厂1 2 5 6 8 1 9 9 5 耐久性能小时 2 0 。o d , 对强度不降低 g b 厂r 1 4 5 2 2 - 9 3 疲劳( c f r p 板粘不锈钢板) | 2 0 0 万次不破坏 g b 3 0 7 5 8 2 工作环境 o c一4 0 0 c 6 0 0 c| 表2 4 浸渍胶y z j - c q 的物理力学性能 项目单位指标( 平均值)测试标准 拉伸剪切强度m p a 1 8 5 0g b 7 1 2 4 8 6 拉伸强度 口a3 2 4 0g b 厂1 2 5 6 8 - 9 9 l o 合肥工业大学硕士论文 抗折强度呼a 4 8 1 0 g b 厂1 2 5 7 0 9 9 耐久性能小时2 0 0 0 d 、时强度不降低 g b 厂r 1 4 5 2 2 9 3 疲劳( c f r p 板粘不锈钢 板) 万次2 0 0 万次g b 3 0 7 5 8 2 涂布用量 k g m 2 0 8 1 0 可使用时间分钟5 0 6 02 0 0 c 指干时间小时4 62 0 0 c 2 1 2 粘结机理 用粘结剂把两个或多个构件粘结起来，形成一个能够传递荷载的整体构件， 这种通过粘结剂的粘结力，使构件表面连接的方法叫“粘结”。 粘结过程是一个复杂的物理变化过程，也是一个化学反应过程。物理过程 及化学过程，在物体的粘结面上产生粘结力。粘结力的产生，不仅取决于粘结 剂和被粘构件表面的构造与状态，而且与粘结过程中的温度、湿度和工艺条件 等因素密切相关。 一、粘结力产生的来源 粘结剂与被粘结构件之间，通过界面相互吸引和连接作用的力，称为“粘 结力”。粘结力的来源是复杂的，多方面的，综合起来主要有：化学键力、分 子之间的吸附力、分子扩散的交织力、界面静电引力、机械综合作用力等。 二、粘结界面形成的基本条件 为了获得一个比较理想的粘结界面，在设计粘结构件的过程中，首先要考 虑以下基本条件： 1 在粘结过程中，粘结剂必须是容易流动的液状物质。液状胶可以通过流 动为分子接触提供机会。粘结剂的粘度越低，越有利于界面分子接触。 2 粘结剂与被粘构件表面之间必须处于洁净状态，使粘结剂在被粘构件的 表面能够自动地充分展开。这样，粘结剂分子与被粘构件表面分子才有可能充 分靠近。表面越洁净、越光润，分子接触的机会越多，粘结的质量亦越高。 3 在洁净的前提下，被粘构件表面人为地进行适当的粗糙或缝隙处理，增 加粘结剂与被粘构件的实际面积，并形成机械粘合力。 4 粘结界面在固化过程中，由于粘结剂本身的体积收缩以及胶层和被粘物 二者的膨胀系数不同，粘结界面内不可避免地会产生收缩应力。这种应力产生 后，一部分随着粘结剂或被粘物分子运动( 即松驰过程) 而消失，但总有残留的 内应力。残囝内应力对粘结力起破坏作用。因此，应该设法降低残留内应力， 如控制固化温度和时间等。 合肥工业大学硕士论文 5 粘结界面中，如果存在薄弱环节，如粘结剂内有气泡或其它缺陷时。粘 结构件在使用过程中，界面内会产生应力集中现象。粘结界面设计不合理或粘 结工艺处理不当，也会导致应力集中，应设法避免。 三、粘结现象的各种理论解释 二十世纪四十年代末以来，国外学者研究黏结基本原理时，曾经提出过三 种不同的解释，通常称为三大理论。这三种解释彼此问有过激烈的争论。除此 之外，还有不少学者从其它方面寻求粘结力的来源，如前面提出的五种粘结力， 但大多数属于影响粘结力强度的非本质性的研究，没有超出三大理论的范畴。 1 吸附作用与吸附理论 吸附理论是由d e b r u y n e ，m c l a r e n 等人在四十年代末首先提出的。此理论认 为：粘结力主要来源于粘结体系的分子作用力，粘结剂同被粘物表面的粘结力 与吸附力具有某种相同的性质。 分子之间的作用力，即吸附力是提供粘结力的普遍存在的因素，但不是唯 一的因素，在某些特殊情况下，其它因素也能起主导作用。 2 静电作用与静电理论 当粘结剂与被粘结物体系是一种电子的接受体一供给体的组合形式时，由 电子供给体( 如金属) 转移到接受体( 如粘合体) ，在粘结界面两侧形成了双电层。 双电层的电荷相反，从而产生了静电吸力。 3 扩散作用与扩散理论 两种聚合物，在具有相容性的前提下，当它们相互紧密接触时，由于分子 的布朗运动或链段的摆动产生扩散现象。这种扩散作用是穿越粘结剂与被粘物 的界面交织地进行的。扩散的结果导致界面的消失和过度区的产生粘结体系借 助扩散键形成牢固的粘结面。 扩散作用受两种聚合物接触时间、粘结温度等作用因素的影响。两种聚合 物相互粘结时，粘结温度增高，时间越长，其扩散的作用也越强，由扩散作用 导致粘结力提高。 扩散理论在解释聚合物的自粘作用方面已得到公认，但对不同聚合物之间 的粘结，是否存在穿越界面的扩散过程，目前尚在争议阶段。 四、影响粘结强度的因素 除了吸附作用、静电作用及扩散作用的过程外，还有许多因素对粘结强度 产生显著影响。但它们的作用是通过加强或减弱上述三种基本作用因素进行的， 所以这些因素不属于产生粘结力的基本物理化学过程。包括：粗糙度和表面形 态的影响、弱界