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CFRP-混凝土界面粘结滑移机理研究

韩强

  纤维增强复合材料(Fiber Reinforced Plastic或Fiber Reinforced Polymer,简称FRP)具有高比强度、耐腐蚀、抗疲劳等优点,FRP加固钢筋混凝土(RC)构件的技术在土木工程领域得到了广泛的应用。然而,FRP增强构件的加固效果、破坏机理均与FRP—混凝土界面性能密切相关,因此,对FRP—混凝土界面的力学行为研究是FRP加固混凝土技术的最基本、也是最关键的问题。本文工作以课题组发明的新型碳纤维薄板(Carbon Fiber Laminate,简称CFL)与混凝土的粘结界面作为研究对象,对静载和疲劳载荷作用下CFL—混凝土界面的粘结滑移机理进行了研究,为CFL加固RC构件的研究和设计提供理论和实验依据。本文工作的主要内容和结论如下: (1)通过CFL—混凝土界面的静载试验,对静载下界面的破坏过程、破坏形态进行分析,探讨了CFL—混凝土界面的粘结破坏机理、界面应力的传递、界面滑移的演化规律。提出了基于Popovics模型、双曲线模型、双线性模型和三线性模型的CFL—混凝土界面粘结滑移的本构关系,并给出了曲线特征参数的计算公式。 (2)通过对界面的粘结机理的分析,从损伤的角度阐述了CFL—混凝土界面粘结滑移的破坏机理。定义了描述界面损伤过程的损伤变量和损伤门槛值,并在CFL—混凝土界面粘结滑移本构关系的基础上,提出了基于界面粘结强度、界面粘结刚度的损伤滑移模型,该模型以一个可测的宏观变量(CFL与混凝土之间的粘结滑移)来描述了静载下界面粘结滑移的损伤过程。 (3)建立了基于线弹性理论的CFL—混凝土界面双剪分析模型。计算与实验结果对比发现,基于线弹性理论模型计算得到的端部应力远超过界面的粘结强度,界面的应力传递区域远少于实验值,表明CFL-混凝土界面存在的粘结渗透层的对界面应力的影响不能忽略,基于线弹性的假设过分夸大了界面的应力集中。 (4)在线弹性双剪分析模型的基础上,引入由试验得到界面的粘结滑移本构关系,用界面结合材料的整体强度行为来对界面层力学行为做出定量的描述,从而避免了对复杂界面层的力学分析;并指出界面通常由粘结区、损伤区、剥离区构成,界面粘结破坏经历了四个阶段:a)弹性阶段;b)弹性—损伤阶段;c)弹性—损伤—剥离阶段;d)损伤—剥离阶段,采用修正的模型对四个阶段的界面应力演化进行了推导,计算结果与实验吻合较好;本文还探讨了各项材料参数对界面应力的影响。 (5)通过CFL—混凝土的界面疲劳实验,发现界面的疲劳寿命随荷载幅值的增大而降低,并得到了CFL—混凝土界面的ΔP~N曲线和Δσ~N曲线。CFL—混凝土界面存在一个疲劳损伤的门槛值sd,当滑移量s < sd时,界面的疲劳损伤D→0;只有当疲劳荷载峰值Pmax >Ps(Ps为sd所对应的载荷值)时,界面才发生疲劳损伤。 (6)在疲劳荷载作用下,CFL上的应变演化主要呈三个阶段发展趋势,表明疲劳荷载下CFL—混凝土的界面剥离由初期的混凝土开裂、界面稳定剥离、失稳剥离三阶段构成;试件相对滑移的演化呈明显的三阶段发展规律:初期的快速增长、稳定增长、失稳增长三个阶段。其中,稳定增长阶段占整个疲劳寿命的99%以上;试件相对滑移与疲劳寿命的比值n/Nf之间呈近似的线性关系;根据上述特点,本文定义了刚度系数Kf的概念,提出了一个基于刚度系数Kf的三阶段疲劳损伤模型来描述CFL—混凝土界面疲劳损伤过程。 (7)通过对疲劳荷载下CFL—混凝土界面疲劳破坏过程的综合分析,提出了一个疲劳荷载下CFL—混凝土界面粘结滑移分析模型;根据该模型,给出了疲劳荷载下界面粘结强度、界面粘结刚度BBn随循环次数的演化规律,并建立了疲劳荷载下CFL—混凝土界面粘结强度和粘结刚度的损伤模型。……   
[关键词]:碳纤维薄板(CFL);CFL—混凝土界面;粘结滑移;本构关系;粘结刚度;疲劳荷载;疲劳损伤
[文献类型]:博士论文
[文献出处]:华南理工大学2010年
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