1、 大学本科毕业论文 AFRP 加固钢筋混凝土梁柱节点抗震性能 有限元分析 院（系）名 称：土木建筑工程学院 专 业 名 称 ：工程力学 学 生 姓 名 ： 指 导 教 师 ： 20XX 年 X 月 BACHELORS DEGREE THESIS OF UNIVERSITY Seismic performances Finite element analysis of AFRP reinforce steel reinforced concrete Beam-column joints College ： Subject ： Engineering Mechanics Name ： Direct
2、ed by ： V 摘 要 近年来地震灾害频繁发生，其引发的惨痛后果让人们陆续开始关注建筑结构的抗震问题，节点破坏成为框架倒塌的土要原因之一。最近研究人员发现了一种能用于结构抗震加固的新型材料 AFRP（芳纶纤维布），其较高的抗拉强度和易于弯折施工等优点使其拥有良好的应用前景。 本文综合运用 ANSYS 以及 ABAQUS 对 AFRP 布加固梁柱节点力学性能进行有限元分析。运用拟静力法模拟了在地震荷载作用下的 AFRP 加固梁柱节点的力学分析，并与未作加固处理的梁柱节点的力学性能进行比较分析。本文共设置了 12 组钢筋混凝土梁柱节点的加固试件，将有限元分析得到的承载力、水平位移、刚度系数等数
3、据对比。结果表明 AFRP 加固梁柱节点能够增加梁柱结构的承载力和刚度，改善梁柱节点的抗震性能。 关键词 ： AFRP；节点；加固；抗震；有限元 VI ABSTRACT In recent years,earthquakes occur frequently .It resulted in devastating consequences made people starting to focus on structural seismic.the destruction became one of the collapsed soil causes the framework.Recentl
4、y found a new material which can be used for seismic strengthening of AFRP . Its high tensile strength and easy to bend construction advantages that it has good prospects. This paper uses ABAQUS and ANSYS finite element analysis software of AFRP reinforcement for reinforced concrete beam-column fini
5、te element analysis of the mechanical properties of the node.Simulates an axial pressure and level of AFRP reinforcement for reinforced concrete beam-column joints under cyclic loading stress response and compare with non-mechanical behavior of beam-column joints reinforced.This set a total of 12 se
6、ts of strengthening of reinforced concrete beam-column joint specimens, the finite element analysis of bearing capacity and displacement, stiffness coefficient data.Shown AFRP reinforcement beam can increase capacity and stiffness of post and beam construction, improvement of seismic performance of
7、beam-column joints. Keyword: AFRP;node;reinforce;anti-seismic;Finite element VII 目录 郑 重 声 明 . V 摘 要 . VI ABSTRACT . VII 第一章：绪论 . 1 1.1 节点概述 . 1 1.2 加固方法概述 . 1 1.3 研究目的及内容 . 2 1.3.1 研究目的 . 2 1.3.2 研究内容 . 2 第二章：有限元介绍与基本理论 . 4 2.1 有限元介绍 . 4 2.1.1 有限元法的基本过程 . 4 2.1.2 ANSYS 与 ABAQUS 介绍 . 6 2.2 拟静力法 . 7 2
8、.3 混凝土、钢筋和 AFRP 布的本构关系 . 8 2.3.1 混凝土的本构关系 . 8 2.3.2 钢筋的本构关系 . 9 2.3.3 纤维布的本构关系 . 10 2.4 强度理论 . 10 第三章： AFRP 加固钢筋混凝土梁柱节点的有限元分析 . 12 3.1 试件模型概况 . 12 3.1.1 试件模型设计与加载装置 . 12 3.1.2 加固方案 . 14 3.2 有限元建模过程 . 15 3.3 有限元分析结果 . 19 第四章： 有限元结果分析 . 24 4.1 粘贴方式及粘贴层数对加固的影响 . 24 VIII 4.2 材料的不同对加固的影响 .24 4.3 核心区箍筋不足时
9、对 AFRP 布加固节点的影响 .25 4.4 轴压比对 AFRP 布加固节点的影响 .26 4.5 小结 .26 第五章： 总结与展望 .27 5.1 总结 .27 5.2 未来展望 .28 参考文献 .29 致谢 .30 IX 第一章：绪论 1.1 节点概述 钢筋混凝士节点作为框架结构中一个重要组成部分，是联系整个结构各部 分的纽带，起到连接梁柱构件、传递和分配内力、保证结构整体性的作用。震害 与研究表明，框架结构在水平与竖向荷载作用下，节点往往由于要承受从梁端 和柱端传递而来的轴力、弯矩、扭矩和剪力，在它们的共同作用下成为结构抗 震的薄弱环节。因此，节点需要有足够高的强度，来抵抗周围构件
10、承受的各种 荷载，以此保证整个结构的坚固稳定和安全可靠。当框架节点由于设计、施工 不当，或是使用功能、使用环境发生改变，或是对结构抗震要求提高等原因造 成承载力不足，延性、刚度不够或是抗震性能不足时，需对其进行加固补强 1。 在框架结构中节点尺寸较小但构造相对复杂，并分布着较高的作用力，引起节点发生局部非线性损伤，增加了加固处理的难度。直交梁与楼板的存在使加固材料难以按照预想的方案进行布置，梁柱端部凹角处存在较强的拉力和剪力作用，需要用特殊的锚固方法进行处理，柱与梁的塑性铰引起的梁筋屈服渗透会降低节点的 耗能性能与刚度等，这些问题都限制了一些传统加固方法的实施，因此需要探讨一些新的加固方法，或
11、对传统方法进行一些改良完善，使其 适用于钢筋混凝土梁柱节点的加固 2。 1.2 加固方法概述 自 20 世纪 80 年代 ,我国加固技术发展迅速 ,加固材料从传统发展到现在 ,加 固对象已经扩展到建设工程的各类结构。在建设工程施工中，对钢筋混凝土结 构加固的方法主要有：加大截面加固法，喷射混凝土加固法，粘钢加固法，外包 1 钢加固法，增设支点加固法，增设构件加固法，预应力加固法及本文应用的加固 方法 粘贴纤维复合材料加固法 3。 纤维增强材料 (Fibre Reinforced Polymer/Plastic, FRP)加固法，即 FRP 加固法，它是近年来新兴起的混凝土工程加固技术。纤维复合
12、材料是把高性能纤维织物，如玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维铺贴在环氧树脂等基材上，经胶合凝固后形成的一种复合材料。因此，比起传统的加固方法，在施工方法、构造处理、缩短施工周期等方面具有明显的优势，从而使这项加固技术无论是研究工作还是工 程中的实际应用都有了长足进步，成为国内外土木工程加固研究的热点 3。 由于 FRP 具有强度高、质量轻、耐久性好、耐腐蚀性能好、易于施工、适用范围广等突出性能 ,与传统的加固方法相比 ,纤维增强复合材料加固修复钢筋混凝土结构施工质量易于保证 ,施工便捷 ,加固修补后不增加原结构自重 ,构件尺寸基本不受影响 3。基于此 , FRP 布加固法已经成为国内外学者研究的热点
13、,并随 着技术水平的提高已经广泛应用于多种类型构件的加固。梁柱节点部位受损加 固时 ,施工比较麻烦 , 从经济、施工便利等方面综合考虑 ,采用纤维布加固梁柱 节点是性价比较高的一种加固方法。 1.3 研究目的及内容 1.3.1 研究目的 由于新兴材料芳纶纤维拥有很好的力学性能，在抗震工程加固也着优越的 发展前景，故对该材料的试验研究也颇有意义，对于 AFRP 材料现今的研究大多 是以试验为主，从之得到的结论并不完全具有科学性，所以有必要从理论的角 度出发去对比从试验中得到的数据结果，故在此以有限元分析的方式去解决这 个问题。本文旨在以寻找有目标性的实验为基础，以 ABAQUS 软件为主以 AN
14、SYS 软件为辅用有限元模型去分析加固后钢筋混凝土梁柱节点的性能，应用拟静力 法施加动荷载进行后处理的相关有限元分析。 1.3.2 研究内容 2 本文的主要研究内容是： （ 1）建立 4 组横向分析模型，即 AFRP 布自身加固梁柱节点的不同黏贴方式及不同黏贴层数的有限元分析模型，并对这些分析模型在抗震性能进行对比； （ 2）建立 5 组纵向分析模型，即未加固、 AFRP 布加固、 CFRP 布加固、 GFRP布加固和粘钢加固，并对这些分析模型在混凝土抗震分析中的性能对比； （ 3）建立核心区箍筋不足的情况下， AFRP 布加固与未加固的模型，对这些模型在抗震性能进行对比； （ 4）建立 4 组不同竖向荷载的有限元分析模型，对这些分析模型在钢筋混凝土抗震分析中的性能进行对比。 运用拟静力法的有限元施力方式对构件进行低周水平往复荷载的施加，并通过第一强度理论的最大主应力和第四强度理论 Mises 准则的等效应力来判定混凝土或者钢筋是否进入屈服阶段，并在此时得到最大的侧向承载力值即为该模型的线弹性阶段的最大承载 力值，然后通过纵向比较分析各种材料的性能。并通过对软件计算的结果进行对比 ,来讨论芳纶布是否对钢筋混凝土梁柱节点有良好的抗震效果，探讨可行性并分析原因，为今后的 AFRP 材料在结构抗震加固工程中的应用提供可靠并有用的信息。 3
