1.一种木梁结构抗弯能力削弱下的CFRP弹性模量优化方法,其特征在于,包括如下步骤:S1、搭建木梁结构模型:通过有限元分析模型建立木梁的结构模型,并且确定木梁和碳纤维增强聚合物的材料特性;
S2、分析木梁的弹性模量:在有限元分析模型下模拟分析木梁在削弱条件下的行为,并且计算弯曲应力σ、弯曲变形δ、木梁截面受拉区高度c和木梁抗弯承载力m;
S3、模拟木梁加固结构:在有限元分析模型下对木梁进行加固,即在木梁的铆接处粘贴碳纤维增强聚合物,以及在木梁的重心处和物理损伤处进行粘贴碳纤维增强聚合物,以及对木梁的铆接点进行增强支撑,采用木质三角加强板进行安装连接在木梁和立柱之间;
S4、再次计算分析木梁的弹性模量:即在有限元分析模型下模拟分析木梁在不同荷载和削弱条件下的行为,并且计算弯曲应力σ'、弯曲变形δ'、木梁截面受拉区高度c'和木梁抗弯承载力m';
S5、优化算法分析木梁的抗弯能力:通过遗传算法实现对木梁在粘贴碳纤维增强聚合物之后的抗弯能力进行计算分析,获得木梁上最佳的碳纤维增强聚合物粘贴位置。
2.根据权利要求1所述的木梁结构抗弯能力削弱下的CFRP弹性模量优化方法,其特征在于:所述S1中的木梁材料特性的获取通过超声波测试或者声发射测试检测木梁的内部缺陷,且超声波测试或者声发射测试主要用于检测木梁的物理损伤和湿度变化,所述有限元分析模型用于模拟检测木梁的过载和老化情况;
所述物理损伤包括有裂缝、腐朽和虫蛀;
所述湿度变化包括有湿度变化导致木梁膨胀或收缩;
所述过载是木梁长期承受超载导致木梁力学性能下降;
所述老化是木梁随着时间的推移而老化,降低其机械性能。
3.根据权利要求1所述的木梁结构抗弯能力削弱下的CFRP弹性模量优化方法,其特征在于:所述S2中的弯曲应力σ的计算是将木梁的中心点作为计算位置,则计算公式如下:其中, 为木梁的中心点弯曲应力, 为木梁两端的铆接头弯曲应力,M1、M2分别为中心点和铆接头的弯矩,H为木梁截面高度,且计算的时候取值为 I为截面的惯性矩,w1、w2表示中心点和铆接头的权值,且w1+w2=1,以及w1是w2的四倍;
同理,所述弯曲变形δ的计算是将木梁的中心点作为计算位置,则计算公式如下:其中, 为木梁中心点的弯曲量, 表示为木梁铆接头的弯曲量,P1、P2分别表示作用在中心和铆接头的集中载荷,并且P1=2P2,E是木梁的弹性模量,L表示为木梁的长度,w1、w2表示中心点和铆接头的权值,且w1+w2=1,以及w1是w2的四倍。
4.根据权利要求3所述的木梁结构抗弯能力削弱下的CFRP弹性模量优化方法,其特征在于:所述S4中木梁在粘贴碳纤维增强聚合物后的弯曲应力σ'和弯曲变形δ'与木梁在粘贴碳纤维增强聚合物前的弯曲应力σ和弯曲变形δ的计算方式相同;
且木梁在粘贴碳纤维增强聚合物后的集中载荷包括有木梁自身的重量和施加在木梁上的测量力,木梁在粘贴碳纤维增强聚合物前的集中载荷仅仅为木梁自身的重量,并且其他的参数不变;
以及弯矩M采用中心荷载计算,则弯矩M的计算如下:
其中,P分别表示作用在中心的集中载荷,即为木梁自身的重量,且P=P1,L表示为木梁的长度。
5.根据权利要求1所述的木梁结构抗弯能力削弱下的CFRP弹性模量优化方法,其特征在于:所述S2中的木梁截面受拉区高度c的计算公式如下:其中,c为木梁截面受拉区高度;B为木梁截面宽度;H为木梁截面高
度;fb为考虑尺寸效应后的木材抗弯强度,rb为木梁物理损伤和湿度变化消弱的抗弯强度;
所述木梁抗弯承载力m的计算公式如下:
其中,fb为考虑尺寸效应后的木材抗弯强度;c为木梁截面受拉区高度;B为木梁截面宽度;m为木梁抗弯承载能力。
6.根据权利要求1所述的木梁结构抗弯能力削弱下的CFRP弹性模量优化方法,其特征在于:所述S4中木梁在粘贴碳纤维增强聚合物后的木梁截面受拉区高度c'和木梁抗弯承载力m'与木梁在粘贴碳纤维增强聚合物前的木梁截面受拉区高度c和木梁抗弯承载力m的计算方式相同;
木梁截面受拉区高度c'的计算公式如下
其中,c为木梁截面受拉区高度;B为木梁截面宽度;H
为木梁截面高度;fb为考虑尺寸效应后的木材抗弯强度,rb为木梁物理损伤和湿度变化消弱的抗弯强度;Eb为木材抗弯弹性模量;Ef为碳纤维布的弹性模量;Af为碳纤维布的截面面积;
所述木梁抗弯承载力m'的计算公式如下:
其中,fb为考虑尺寸效
应后的木材抗弯强度;c为木梁截面受拉区高度;B为木梁截面宽度;m为木梁抗弯承载能力;
Ef为碳纤维布的弹性模量;Af为碳纤维布的截面面积;Eb为木材抗弯弹性模量;α为考虑纤维影响程度的经验系数,即为木梁物理损伤和湿度变化的纤维影响,S为木质三角加强板的表面积,Z为木质三角加强板的厚度。
7.根据权利要求1所述的木梁结构抗弯能力削弱下的CFRP弹性模量优化方法,其特征在于:所述S3中木梁加固结构的加固步骤如下:S301、在木梁两端和立柱的榫卯连接处通过碳纤维增强聚合物进行水平粘贴,且碳纤维增强聚合物与木梁保持水平,并且通过铆钉将碳纤维增强聚合物分别与木梁和立柱进行固定连接;
S302、在木梁与碳纤维增强聚合物的连接处再次竖直粘贴两道碳纤维增强聚合物,并且通过铆钉进行固定连接;
S303、在木梁和立柱的下部夹角之间,通过铆钉安装木质三角加强板,并且在木质三角加强板与木梁和立柱上粘连碳纤维增强聚合物,并且通过铆钉进行固定连接;
S304、在木梁的中心处粘贴碳纤维增强聚合物,且碳纤维增强聚合物在木梁上捆绑一周,并且通过铆钉进行固定连接;
S305、在木梁存在有物理损伤的位置进行粘贴碳纤维增强聚合物,且碳纤维增强聚合物在木梁上捆绑一周,并且通过铆钉进行固定连接。
8.根据权利要求7所述的木梁结构抗弯能力削弱下的CFRP弹性模量优化方法,其特征在于:所述碳纤维增强聚合物在水平粘贴的时候,所述碳纤维增强聚合物的宽度为木梁高度的三分之一,所述碳纤维增强聚合物在竖直粘贴的时候,所述碳纤维增强聚合物的宽度为所述碳纤维增强聚合物连接在木梁上长度的三分之一,并且水平粘贴的所述碳纤维增强聚合物的宽度至少为5cm,竖直粘贴的所述碳纤维增强聚合物的宽度至少为10cm,粘贴在木梁中心的所述碳纤维增强聚合物的宽度至少为木梁长度的四分之一,粘贴在所述木梁物理损伤的所述碳纤维增强聚合物的宽度至少为物理损伤长度的两倍。
9.根据权利要求1所述的木梁结构抗弯能力削弱下的CFRP弹性模量优化方法,其特征在于:所述遗传算法的计算过程如下:S501、确定粘贴碳纤维增强聚合物前后,木梁的弯曲变形δ和弯曲变形δ'保持相同的弯曲程度,且木梁的弯曲程度通过有限元分析模型调节集中载荷进行模拟;
S502、在确定木梁的弯曲形变相同,分别计算弯曲应力σ'、木梁截面受拉区高度c'和木梁抗弯承载力m';
S503、对粘贴碳纤维增强聚合物进行分别计算设定,分别为水平粘贴;竖直粘贴;中心粘贴;木质三角加强板;物理损伤处粘贴;然后通过遗传算法进行组合计算;
S504、根据计算弯曲应力σ'、木梁截面受拉区高度c'和木梁抗弯承载力m'分别计算S503中每一种优化方式的结果;
S505、通过遗传算法对优化方案进行组合,并且进行计算分析,判定选择木梁结构抗弯能力削弱下的CFRP弹性模量的最优方式。
10.根据权利要求1所述的木梁结构抗弯能力削弱下的CFRP弹性模量优化方法,其特征在于:所述遗传算法的计算过程如下:选择概率是其适应度与种群总适应度的比值:
其中,fi是第i个个体的适应度,n是种群大小, 是所有个体适应度的总和;
其中,在计算选择的时候,将不存在有中心粘贴和物理损伤处粘贴碳纤维增强聚合物的组合选项剔除,在存在有中心粘贴和物理损伤处粘贴碳纤维增强聚合物的组合选取最优的方式,即木梁抗弯承载力m'最大值的选项。