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钢筋混凝土双向板单向加固技术的试验研究

作　者: 胡成
导　师: 曹双寅；李延和
学　校: 东南大学
专　业: 桥梁与隧道工程
关键词: 钢筋混凝土双向板单向加固法体外预应力钢板条塑性铰线法非线性有限元承载力
分类号: TU746.3
类　型: 博士论文
年　份: 2006年
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内容摘要

混凝土结构的加固技术是目前国内外土木工程界研究的热点问题。与发达国家相比,我国的建筑物加固与改造技术的总体水平还不高,尚有许多问题亟待解决,其中钢筋混凝土双向板作为最普通的结构构件,对其加固技术的研究和创新一直是国内外学者关注的一个热点课题。众所周知,在已有的许多加固技术中,在钢筋混凝土构件的受拉区表面粘贴薄钢板或纤维增强聚合物FRP(Fiber Reinforced polymer)片材是一种业已证明的有效加固方法,它能显著提高结构构件的承载力和变形刚度、改善结构构件的抗裂性能;与外贴加固法相比,体外预应力加固则可以通过控制张拉吨位来主动消除新增加部分的应力滞后,使结构加固后新、旧两部分能够更好地协同工作而成为一个有机的整体,因而体外预应力加固技术也被认为是目前最有效的结构加固技术之一。近十年来,在钢筋混凝土双向板的加固技术研究和工程实践中,在外贴加固法的应用和研究方面都已做了一定的工作,但怎样利用双向板的受力特点,将一般是各向同性的钢筋混凝土双向板通过外贴单向钢板条以形成新的正交异性板来达到加固目的,以及又如何将体外预应力加固技术应用在双向板的加固实践中,近年来虽然有一些工程的应用实例,但在这两方面的系统研究国内外都少有涉及。为此,本文着重对粘贴单向钢板条和单向张拉体外预应力钢筋加固钢筋混凝土双向板的受力性能进行较为深入的试验研究和理论分析。主要研究内容如下:1.变刚度双向板的内力和变形钢筋混凝土双向板在板底粘贴一块钢板后,板的刚度发生了变化,成为了变刚度板。本文利用弹性理论分析了粘贴单向钢板条后混凝土双向板中单宽板条梁的受力特点,研究指出由于双向板中扭矩的存在减少了板条梁的弯曲变形,钢板条承受的正应力和剪应力和板条梁中混凝土截面所承受的正应力和剪应力一起构成了外荷载作用下板条梁的截面正弯矩和侧面扭矩,粘贴单向钢板条降低了其横向板条梁所分配到的荷载比值,说明了单向粘贴钢板条加固双向板的工作机理。2.粘贴界面的应力分布采用考虑分布扭矩对界面应力影响的条带法,通过求解外贴钢板条加固双向板中单向板条梁微元的平衡方程,推导给出了界面粘结应力的计算公式,分析计算了粘结正应力和粘结剪应力的分布规律,并比较了双向板和单向板(梁)粘结应力的异同。3.双向板在板边弯矩和面内压力作用下的内力和变形本文首先采用能量法分析给出了双向板在板边分布弯矩和集中弯矩以及在板边的面内均布压力和集中压力分别作用时的挠度变形表达式,然后利用差分原理计算了各种荷载工况下双向板的内力分布,并用VB语言编制了求解双向板变形和内力的计算机程序,最后在分析计算实例的基础上说明了张拉体外预应力钢筋对双向板的加固作用机理。4.单向加固钢筋混凝土双向板的试验研究本文共完成了两类单向加固的试验研究工作,其一是具有8个试件的外贴单向钢板条加固钢筋混凝土双向板的室内模型试验,第二个是包括5个试件的单向张拉体外预应力钢筋加固钢筋混凝土双向板的现场足尺原型试验。试验研究的主要内容为:单向加固板的裂缝形态和破坏形态,加固板的变形和抗裂性能,加固板的极限承载力,体外预应力钢筋的应力增量,外贴钢板条和体外预应力

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摘要  4-6
ABSTRACT  6-11
第一章绪论  11-22
  1.1 钢筋混凝土双向板的分析和研究历程  11-12
  1.2 外贴法加固RC 结构的发展及研究状况  12-16
    1.2.1 外贴法加固RC 梁  12-13
    1.2.2 外贴法加固RC 双向板  13-16
  1.3 预应力技术在RC 平板结构中的应用和研究状况  16-19
    1.3.1 无粘结预应力技术在平板结构中的应用和研究状况  16-18
    1.3.2 体外预应力技术在平板结构加固中的应用和研究状况  18-19
  1.4 本文的研究背景和研究内容、目的及意义  19-22
第二章单向粘钢加固双向板的内力及粘结应力分析  22-39
  2.1 薄板弯曲的基本平衡方程  22
  2.2 单向粘贴钢板条加固双向板的内力分析  22-31
    2.2.1 双向板板条梁的受力分析  22-25
    2.2.2 单向粘贴钢板条加固混凝土双向板的算例和分析  25-31
  2.3 钢板与混凝土胶结面的粘结应力分析  31-38
    2.3.1 基本假定  31
    2.3.2 基本方程  31-32
    2.3.3 钢板与混凝土间的粘结剪应力  32-34
    2.3.4 钢板与混凝土间的粘结正应力  34-36
    2.3.5 单向粘贴钢板条加固混凝土双向板的粘结应力算例和分析  36-38
  本章小结  38-39
第三章单向体外预应力加固双向板的弹性分析  39-57
  3.1 单向体外预应力加固双向板的构造与受力分析  39-40
  3.2 荷载展开成正弦级数  40-42
    3.2.1 集中荷载的正弦级数解  40-42
    3.2.2 均布荷载的正弦级数解  42
  3.3 双向板在板边弯矩作用下的弹性解  42-46
    3.3.1 双向板的弯曲变形能  42-43
    3.3.2 双向板变形之虚功法的解  43-46
  3.4 在板面法向均布荷载和板边均布面内压力共同作用下的双向板的弯曲  46-48
  3.5 双向板弹性分析计算的程序编制  48-50
    3.5.1 VB 程序与计算界面  48-50
    3.5.2 算例及分析  50
  3.6 双向板在面内压力作用下的平面应力问题的解  50-53
  3.7 单向体外预应力加固双向板的算例分析  53-56
  本章小结  56-57
第四章粘贴单向钢板条加固RC 双向板的试验研究  57-72
  4.1 试验方案和设计  57-61
    4.1.1 试件设计与制作  57-60
    4.1.2 试验加载装置  60-61
  4.2 试验结果与数据分析  61-70
    4.2.1 一般现象及控制荷载  61
    4.2.2 破坏时的裂缝形态  61-64
    4.2.3 变形刚度和内力的发展与分布  64-68
    4.2.4 加固参数与加固效果  68-70
  本章小结  70-72
第五章单向体外预应力加固RC 双向板的试验研究  72-88
  5.1 试验方案和设计  72-76
    5.1.1 试件设计与制作  72-75
    5.1.2 试验加载方式和量测仪器  75-76
  5.2 试验结果和数据分析  76-87
    5.2.1 开裂及屈服荷载  76
    5.2.2 试验板的裂缝分布形态  76-77
    5.2.3 试验板的变形刚度  77-78
    5.2.4 截面应变分布  78-83
    5.2.5 体外预应力筋的应力增量  83-86
    5.2.6 预应力钢筋的应力增量和试验板的挠度变形  86-87
  本章小结  87-88
第六章试验板受力全过程的理论分析及对比  88-106
  6.1 RC 双向板的非线性有限元分析  88-94
    6.1.1 有限元分析程序简介  88-89
    6.1.2 非线性有限元分析原理  89-94
  6.2 粘钢加固板的非线性有限元分析及对比  94-97
    6.2.1 构荷载～挠度关系曲线  94-95
    6.2.2 荷载～钢板应变关系曲线  95-97
    6.2.3 极限荷载的分析与对比  97
    6.2.4 加固参数分析  97
  6.3 体外预应力加固板的非线性有限元分析及对比  97-105
    6.3.1 预应力张拉的反向挠度值  97-99
    6.3.2 荷载～挠度关系曲线  99-100
    6.3.3 体外预应力钢筋应力增量  100-104
    6.3.4 张拉控制吨位的影响  104-105
  本章小结  105-106
第七章单向加固双向板极限承载力的分析与计算  106-123
  7.1 正交异性双向板的屈服线理论  106-107
  7.2 单向粘贴钢板条加固RC 双向板的极限承载力计算  107-115
    7.2.1 局部均布荷载作用下的极限承载力  107-110
    7.2.2 板面均布荷载作用下的极限承载力  110-113
    7.2.3 计算与试验结果的对比分析  113-115
  7.3 单向预应力加固双向板的极限承载力计算  115-117
  7.4 基于双剪强度理论的屈服铰线分析法  117-122
    7.4.1 双剪应力屈服准则  117-118
    7.4.2 混凝土双向板的极限条件  118-120
    7.4.3 极限承载力的修正计算  120-122
  本章小结  122-123
结论与设计建议  123-125
参考文献  125-129
博士期间发表的论文  129-130
致谢  130

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