【摘要】：纖維增強(qiáng)聚合物(Fiber Reinforced Polymer,簡(jiǎn)稱FRP)具有輕質(zhì)、高強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于結(jié)構(gòu)的補(bǔ)強(qiáng)加固。但是,FRP加固后的結(jié)構(gòu)脆性性能顯著,不利于結(jié)構(gòu)抗震。本文結(jié)合國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51108355)和湖北省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(2011CDB269),提出了一種新型復(fù)合材料,即采用FRP與鋼板混雜鋪設(shè)形成FRP-鋼板復(fù)合材料。這種新型復(fù)合材料可以充分發(fā)揮FRP與鋼板力學(xué)性能的互補(bǔ)性,顯著地改善單一加固材料的強(qiáng)度、延性和剛度。本文研究了FRP-鋼板復(fù)合材料靜力拉伸性能、溫度作用下FRP-鋼板復(fù)合材料的靜力拉伸性能、溫度作用下FRP與鋼板的界面粘結(jié)性能、FRP-鋼板復(fù)合材料在干濕交替老化作用下的耐久性能,主要包括以下幾個(gè)方面： 1、對(duì)36個(gè)制作的FRP-鋼板復(fù)合材料試件進(jìn)行靜力拉伸試驗(yàn)。研究FRP-鋼板復(fù)合材料的基本力學(xué)性能,影響因素包括：纖維種類(碳纖維、玻璃纖維和玄武巖纖維)、纖維鋪設(shè)層數(shù)、鋼板厚度以及纖維鋪設(shè)方式。研究結(jié)果表明：(1)CFRP與鋼板混雜鋪設(shè)形成的CFRP-鋼板復(fù)合材料不但具有較高的強(qiáng)度,而且具有較好的塑性性能；GFRP與鋼板混雜鋪設(shè)形成的GFRP-鋼板復(fù)合材料在鋼板屈服后具有較好的延性性能；(2)當(dāng)FRP鋪設(shè)層數(shù)一定時(shí),隨著鋼板厚度的增加,FRP-鋼板復(fù)合材料的基本力學(xué)性能增強(qiáng),但是增強(qiáng)幅度逐漸降低,當(dāng)鋼板厚度超過(guò)4mm時(shí),降低速度增大；(3)FRP與鋼板的鋪設(shè)方式越對(duì)稱、均勻,FRP-鋼板復(fù)合材料受力性能越好。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果,采用復(fù)合材料力學(xué)中的混合法則,本文建立了FRP-鋼板復(fù)合材料的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系模型,理論計(jì)算值與試驗(yàn)值吻合較好。 2、對(duì)66個(gè)在30℃‖120℃溫度作用下的CFRP-鋼板復(fù)合材料和GFRP-鋼板復(fù)合材料進(jìn)行了靜力拉伸試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：隨著溫度升高,FRP-鋼板復(fù)合材料的基本力學(xué)性能降低,在粘結(jié)膠體的玻璃化轉(zhuǎn)化溫度50℃附近降低速率較大。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果,本文分別提出了溫度作用下,FRP-鋼板復(fù)合材料彈性模量、鋼板屈服后模量、屈服強(qiáng)度和纖維斷裂強(qiáng)度計(jì)算公式,計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好。 3、通過(guò)153個(gè)FRP與鋼板的雙向剪切試件,研究溫度范圍30℃～120℃作用下FRP與鋼板的界面粘結(jié)性能。根據(jù)研究目的不同,采用兩種FRP與鋼板雙向剪切模型進(jìn)行試驗(yàn)研究。(1)FRP與鋼板的雙向剪切模型Ⅰ試驗(yàn)結(jié)果表明：1)隨著溫度升高,FRP與鋼板雙向剪切模型Ⅰ試件的破壞模式發(fā)生轉(zhuǎn)變；2)隨著溫度升高,FRP與鋼板雙向剪切模型Ⅰ試件的極限強(qiáng)度和粘結(jié)剛度逐漸降低,在粘結(jié)膠體的玻璃化轉(zhuǎn)化溫度附近降低速率較大。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果,結(jié)合粘結(jié)膠體在溫度作用下的力學(xué)性能退化關(guān)系,采用修正的Arrhenius(阿倫尼烏斯)方程,本文提出了FRP與鋼板粘結(jié)剛度退化計(jì)算公式,計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好。(2)FRP與鋼板的雙向剪切模型Ⅱ試驗(yàn)結(jié)果表明：1)隨著溫度升高,FRP與鋼板雙向剪切模型Ⅱ試件的極限強(qiáng)度降低；2)溫度作用下,FRP與鋼板雙向剪切模型Ⅱ試件的破壞模式主要是FRP與鋼板的剝離破壞；3)在研究FRP與混凝土粘結(jié)界面成果的基礎(chǔ)上,本文建立了不同溫度作用下FRP與鋼板粘結(jié)剪應(yīng)力-滑移關(guān)系模型,并提出了不同溫度作用下,FRP與鋼板粘結(jié)極限承載力計(jì)算公式,并將計(jì)算值與試驗(yàn)值對(duì)比,結(jié)果表明吻合較好。 4、通過(guò)120個(gè)試件研究干濕交替作用下CFRP-鋼板復(fù)合材料的耐久性能。試驗(yàn)結(jié)果表明：(1)干濕交替作用對(duì)單側(cè)鋪設(shè)CFRP-鋼板復(fù)合材料的屈服強(qiáng)度、纖維斷裂強(qiáng)度影響較大,對(duì)彈性模量和鋼板屈服后模量影響較小；(2)干濕交替作用對(duì)雙側(cè)鋪設(shè)CFRP-鋼板復(fù)合材料的屈服強(qiáng)度、纖維斷裂強(qiáng)度、彈性模量以及纖維屈服后模量均有較大影響；(3)雙側(cè)鋪設(shè)CFRP-鋼板復(fù)合材料的力學(xué)性能退化速率高于單側(cè)鋪設(shè)CFRP-鋼板復(fù)合材料。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果,本文建立了在干濕交替作用下CFRP-鋼板復(fù)合材料靜力拉伸性能計(jì)算模型,對(duì)CFRP-鋼板復(fù)合材料在干濕交替環(huán)境下的基本力學(xué)性能損失進(jìn)行預(yù)測(cè)分析,模型計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好。本文提出了CFRP-鋼板復(fù)合材料纖維斷裂強(qiáng)度計(jì)算模型對(duì)CFRP-鋼板復(fù)合材料在干濕交替環(huán)境下的使用壽命進(jìn)行預(yù)測(cè)分析。
[Abstract]:Fiber Reinforced Polymer (FRP) is widely used in structural reinforcement because of its lightweight, high strength and other advantages. However, the brittleness of the structure strengthened by FRP is remarkable, which is not conducive to the seismic performance of the structure. A new kind of composite material, FRP-steel plate composite material, is developed by mixing FRP and steel plate. This new composite material can give full play to the complementarity of mechanical properties between FRP and steel plate and significantly improve the strength, ductility and stiffness of a single reinforcement material. The static tensile properties of FRP-steel sheet composites, the interfacial bond between FRP and steel sheet under temperature, and the durability of FRP-steel sheet composites under alternate wet-dry aging mainly include the following aspects:
1. Static tensile tests were carried out on 36 FRP-steel composite specimens. The basic mechanical properties of FRP-steel composite were studied. The influencing factors included fiber types (carbon fiber, glass fiber and basalt fiber), fiber layers, steel plate thickness and fiber laying methods. The CFRP-steel sheet composites formed by laying not only have higher strength but also better plasticity; the GFRP-steel sheet composites formed by mixing GFRP and steel sheet have better ductility after yield; (2) When the number of layers of FRP is fixed, with the increase of the thickness of steel sheet, the FRP-steel sheet composites are basically the same. The mechanical properties of FRP-steel sheet composites are enhanced, but the extent of reinforcement decreases gradually, and the reduction rate increases when the thickness of steel sheet exceeds 4 mm. (3) The more symmetrical and uniform the laying mode between FRP and steel sheet, the better the mechanical properties of FRP-steel sheet composites. According to the experimental results, the stress-stress of FRP-steel sheet Composites is established by using the mixing rule in composite mechanics. The theoretical value is in good agreement with the experimental data.
2. Static tensile tests were carried out on 66 CFRP-steel plate composites and GFRP-steel plate composites at 30 120 C. The results show that the basic mechanical properties of FRP-steel plate composites decrease with the increase of temperature, and the glass transition temperature of bonding colloid decreases greatly near 50. In this paper, the formulas for calculating the elastic modulus, post-yield modulus, yield strength and fiber fracture strength of FRP-steel sheet composites under the action of temperature are presented. The calculated results are in good agreement with the experimental results.
3. The interfacial bonding between FRP and steel sheet was studied by 153 specimens of FRP and steel sheet under the temperature range of 30 ~120 C. According to different research purposes, two kinds of two-way shear models were used to study the interfacial bonding between FRP and steel sheet. The ultimate strength and bond stiffness of FRP and steel plate bi-directional shear model I specimens decrease gradually with the increase of temperature, and the rate of decrease is larger near the glass transition temperature of bond colloid. According to the test results, the mechanical properties of bond colloid under the action of temperature are combined. Based on the modified Arrhenius equation, a formula for calculating the degradation of bond stiffness between FRP and steel plate is presented. The results are in good agreement with the experimental results. (2) The experimental results of two-way shear model II of FRP and steel plate show that: 1) the ultimate strength of two-way shear model II decreases with the increase of temperature. The failure modes of FRP and steel plate bi-directional shear model II specimens are mainly the peeling failure of FRP and steel plate under the action of temperature; 3) Based on the study of the results of the bond interface between FRP and concrete, the bond shear stress-slip relationship model of FRP and steel plate under the action of different temperatures is established, and the bond shear stress-slip relationship between FRP and steel plate under the action of different temperatures is proposed. The formula for calculating ultimate bearing capacity of steel plate is calculated, and the calculated value is compared with the experimental value.
4. The durability of CFRP-steel sheet composites was studied by 120 specimens under alternating wetting and drying. The results show that: (1) alternating wetting and drying have great influence on the yield strength and fiber fracture strength of unilateral CFRP-steel sheet composites, but little influence on elastic modulus and post-yield modulus of steel sheet; (2) alternating wetting and drying have great influence on both sides of the composites. The yield strength, fiber breaking strength, elastic modulus and post-yield modulus of CFRP-steel sheet composites have great influence. (3) The degradation rate of mechanical properties of CFRP-steel sheet composites with both sides is higher than that of CFRP-steel sheet composites with one side. The calculation model of static tensile properties of CFRP-steel plate composites is used to predict and analyze the basic mechanical properties loss of CFRP-steel plate composites under alternating wet and dry environments. The calculated results of the model are in good agreement with the experimental results. Prediction and analysis of service life under the environment.
【學(xué)位授予單位】：武漢大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號(hào)】：TU599

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本文編號(hào)：2245270