CFRP板加固钢结构刚性节点的有限元研究

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钢材是一种抗拉和抗压强度均很高的建筑材料,并且其良好的延性使得钢结构具有抵抗强烈地震的变形能力。在钢结构中,刚性节点的连接形式应用最为普遍。然而,Northridge地震和阪神地震却使得刚性节点发生了大量的脆性破坏,发生破坏的主要原因是是由螺栓连接或焊接造成的应力集中所引起的。从此,彻底改变了人们对刚性节点的看法,也促使了人们对刚性节点及其加固方法的深入探究。  现有的刚性节点加固形式有在梁翼缘处添加侧板、加腋和梁腹板开槽等,这些节点的加固形式在一定程度上起到了加固效果,但也有相应的缺点,如增加了结构自重,且由于焊接所造成的二次应力集中现象亦不容忽视。  于是,寻求一种全新的节点加固形式迫在眉睫。纤维增强复合材料(简称FRP)因具有轻质高强、耐腐蚀性好、热性能好等诸多优良特性,已被广泛应用于土木工程结构中,尤其是加固混凝土结构的成果颇丰,而目前国内外对于FRP加固钢结构的研究还处于探索研究阶段。  本文创造性地选用CFRP板材以盖板形式对钢结构的刚性节点进行加固,并利用大型通用有限元分析软件ANSYS进行分析。在ANSYS软件运行前,对模拟单元的选择、连接、属性和加载制度等问题进行了深入的研究,最终采用了“Solid45-Combin14-Shell181”的有限单元模型分别模拟钢-粘结剂-CFRP板的性能。为了验证此有限单元模型的正确性,利用此模型模拟分析了相关文献中CFRP板加固钢梁的试验部分,结果表明,采用“Solid45-Combin14-Shell181”单元模型来模拟CFRP板加固钢构件的性能是可行的。  然后,对在单向荷载作用下6个不同粘结长度、3个不同粘结宽度和3个不同粘结厚度的CFRP板节点加固试件进行了分析,考察了CFRP板的长度、宽度和厚度三个变量对节点的极限承载力和界面粘结强度的影响。又分析了未经CFRP板加固的刚性节点试件和上下翼缘盖板加强式试件两类试件的滞回性能。  最后,通过CFRP板的Von Mises应力云图,考察了塑性铰随CFRP板长度、宽度和厚度的转移规律。又通过对加固部位横界面剪应力传递规律的分析,考察了荷载的传递机理和界面剥离破坏的发展趋势。继而又结合材料力学和结构力学的相关知识,对有限元的分析结果进行了理论计算的验证。
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