CFL增强RC梁界面力学行为研究

摘要

由于纤维增强复合材料(FRP)具有优异的力学性能、抗腐蚀能力和施工的便捷性,粘贴FRP加固钢筋混凝土(RC)梁的技术在土木工程领域得到了广泛的应用。FRP-混凝土之间的界面是这一技术的关键问题,增强构件的力学效果、破坏机理均与界面性能密切相关。本研究工作以课题组发明的新型碳纤维薄板(CFL)增强钢筋混凝土梁的界面作为研究对象,通过理论分析、数值模拟和试验等手段,分析了静载和疲劳载荷作用下界面的力学行为,为应用CFL加固混凝土结构技术提供理论和试验支持。本研究工作的主要内容和结论如下： 1.理论分析和有限元模拟相结合,推导出了界面剪应力的计算公式；影响界面剪应力的因素主要有构件的刚度,CFL的弹性模量、厚度和粘贴长度等。跨中截面界面剪应力为0,远离跨中截面界面剪应力较大但变化平缓。当CFL长度小于RC梁长度时,CFL端部界面剪应力会急剧增加,减小CFL与RC梁的长度差可以显著减小CFL端部的界面应力集中。 2.CFL增强RC梁的界面主要发生Ⅱ型断裂；界面开裂可以应用断裂力学的方法较好的解析,界面裂纹的应力强度因子理论表达式为:KⅡ=(0.5EcEftf)1/2εf。有限元程序ABAQUS对界面裂纹问题的分析模拟结论和理论规律一致。 3.CFL的应变是界面应力强度因子的关键影响因素；控制施加的荷载、增加构件的刚度或者减小构件的变形可以有效地减小CFL应变。疲劳加载次数对CFL应变的影响不明显。另外,混凝土裂缝的增多和扩展会显著增加CFL的受力,静载下增大系数约1.36,疲劳荷载下增大系数约1.28。 4.静载下,跨中混凝土裂缝引起的界面剥离破坏是常见的破坏模式,界面的断裂韧性受到混凝土强度和RC梁配筋率等因素的影响。碳纤维薄板的剥离应变：εfd=αβρ[2f'c/(EcEftf)]1/2,CFL应变小于剥离应变可以有效地避免界面剥离破坏的发生。 混凝土保护层剥离主要是由于CFL末端产生的剪应力达到混凝土的抗拉强度；当CFL粘贴长度较短时,更容易发生这种形式的破坏。 5.CFL增强RC梁的疲劳破坏主要表现为发生在CFL与混凝土过渡区的界面剥离。界面疲劳损伤的发展过程分为萌生、稳定发展和失稳发展三个阶段。其中损伤萌生和失稳阶段发展迅速,稳定扩展阶段是界面疲劳寿命的主要部分,约占总寿命的99％。 6.界面的疲劳剥离起始于RC梁跨中附近的混凝土裂缝处,并沿界面向梁的一端持续发展。CFL的应变值决定了界面裂纹应力强度因子的大小,也是界面裂纹疲劳扩展寿命的决定因素；当CFL的应变值小于“应变门槛值”时,界面不会发生疲劳破坏。本研究得到“应变门槛值”为2948 με；采用理论与实验相结合的方法给出了界面裂纹疲劳扩展寿命的预测公式。 7.给出了加固梁中CFL与混凝土的界面的P-S-N曲线。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：主要符号表

声明

第一章绪论

1.1引言

1.2 FRP增强RC结构界面的力学性能的研究进展

1.2.1 FRP增强RC构件界面的静力学性能

1.2.2 FRP增强RC构件界面的疲劳性能

1.3本研究工作的主要内容

第二章CFL增强RC梁界面应力分析

2.1引言

2.2 CFL增强RC梁界面力学行为分析

2.2.1 CFL增强RC梁界面弹性理论分析

2.2.2跨中截面CFL受力计算

2.2.3 CFL末端界面剪应力计算

2.3界面力学行为的有限元模拟

2.3.1有限元模型

2.3.2有限元分析结果

2.4理论分析与有限元模拟结果比较

2.5本章小结

第三章界面裂纹问题的应力强度因子

3.1引言

3.2应力强度因子的理论分析

3.3应力强度因子的有限元计算

3.3.1有限元模型

3.3.2有限元分析结果

3.4本章小结

第四章静载下界面力学性能试验研究

4.1引言

4.2静载试验

4.2.1材料力学性能

4.2.2试件及其制备方法

4.2.3加载方法

4.3界面粘结机理

4.4静载下CFL应变的变化规律

4.5跨中混凝土裂缝引起的界面剥离破坏

4.5.1界面剥离破坏过程

4.5.2界面断裂韧性

4.5.3 CFL剥离应变

4.5.4界面破坏时构件极限承载力计算

4.6 CFL端部混凝土保护层剥离破坏

4.6.1混凝土保护层剥离破坏判断

4.6.2减小CFL端部应力集中的措施

4.7本章小结

第五章疲劳荷载下界面力学行为试验研究

5.1引言

5.2疲劳试验

5.2.1疲劳加载方式

5.2.1界面损伤的红外检测试验

5.3疲劳荷载下CFL应变变化规律

5.3.1 CFL应变与循环加载次数的关系

5.3.2 CFL应变与荷载水平的关系

5.4界面疲劳损伤分析

5.4.1界面的疲劳损伤过程

5.4.2界面疲劳损伤的演化规律

5.5界面疲劳寿命分析

5.5.1界面裂纹的疲劳扩展寿命

5.5.2界面的p-S-N曲线

5.6提高界面强度和抗疲劳性能的措施

5.7本章小结

结论与展望

参考文献

攻读博士学位期间取得的研究成果

致谢