【摘要】：自上世紀(jì)九十年代以來,纖維增強復(fù)合材料(Fiber Reinforced Polymer,FRP)加固鋼筋混凝土(RC)構(gòu)件技術(shù)在世界各地被廣泛應(yīng)用于舊危橋的加固。對于FRP加固帶裂紋的RC橋梁結(jié)構(gòu),一方面,在車輛荷載的反復(fù)作用下,疲勞裂紋會發(fā)生擴展,導(dǎo)致其疲勞壽命下降。另一方面,濕熱環(huán)境等服役條件也會加劇裂紋的擴展,降低加固結(jié)構(gòu)的疲勞壽命。為了探討濕熱環(huán)境對FRP加固RC構(gòu)件中疲勞裂紋擴展行為的影響,本研究以RC橋梁為應(yīng)用背景,以本課題組發(fā)明的碳纖維薄板(Carbon fiber laminate,CFL)加固RC梁為研究對象,考慮我國南方地區(qū)的濕熱環(huán)境對FRP加固RC梁斷裂性能的影響,利用數(shù)字圖像相關(guān)(Digital Image Correlation,DIC)技術(shù),探討基于DIC技術(shù)測定混凝土裂紋尺寸、觀測RC試件及CFL加固RC梁中疲勞裂紋的萌生、擴展過程的方法;提出計算濕熱環(huán)境下加固梁疲勞主裂紋的應(yīng)力強度因子的有限元方法,探討濕熱環(huán)境對疲勞裂紋擴展規(guī)律的影響機制。本文的主要研究內(nèi)容和結(jié)論如下:(1)混凝土斷裂性能測試及描述方法研究。研究結(jié)果表明:1)提出的基于DIC技術(shù)確定混凝土中裂紋尖端的方法是有效和可行的;2)基于載荷~裂口張開位移(P~CMOD)曲線計算斷裂能的方法比基于載荷~位移(P~δ)曲線的方法更為準(zhǔn)確;3)提出的基于雙K斷裂理論確定混凝土缺口試件的起裂斷裂韌度、失穩(wěn)斷裂韌度和粘聚韌度的方法是有效和可行的;4)對于有限元模擬,在粘聚力模型中采用雙線性的混凝土開裂軟化本構(gòu)關(guān)系能夠更準(zhǔn)確地模擬混凝土的斷裂行為。(2)混凝土的疲勞裂紋擴展行為研究。研究結(jié)果表明:1)采用DIC技術(shù)能夠?qū)炷寥笨谠嚰钠鹆�、裂紋擴展和斷裂全過程進行實時測量,比較準(zhǔn)確地獲得試件的a~N實驗曲線;2)采用logistic函數(shù)對試件的a~N曲線進行擬合,可減小數(shù)據(jù)的離散性對計算疲勞裂紋擴展速率da/dN的影響;3)混凝土的疲勞裂紋擴展曲線表現(xiàn)為“減速/下降--增速/上升”的兩階段變化趨勢。對于下降段,可采用?a作為參量;對于上升段,仍可用?K作為描述疲勞裂紋擴展速率da/dN的參量。(3)應(yīng)力強度因子的有限元分析方法研究。研究結(jié)果表明:1)采用混凝土塑性損傷模型描述混凝土的受壓和開裂行為,并引入考慮了環(huán)境影響的CFL-混凝土界面的粘結(jié)~滑移關(guān)系而建立的CFL加固RC梁的有限元模型,能夠比較準(zhǔn)確地模擬加固梁在三點彎曲荷載下的斷裂行為;2)推導(dǎo)了濕熱環(huán)境下FRP加固RC梁界面濕熱應(yīng)力的解析解。該解析解與有限元的計算結(jié)果較為吻合;3)與室溫大氣環(huán)境下的計算結(jié)果相比,考慮了濕熱環(huán)境影響的CFL-混凝土界面的粘結(jié)-滑移本構(gòu)關(guān)系的應(yīng)力強度因子計算值略有提高;溫度場對加固梁主裂紋的應(yīng)力強度因子的影響比濕度場的影響大。(4)濕熱環(huán)境下加固梁的疲勞主裂紋擴展規(guī)律研究。研究結(jié)果表明:1)基于本課題組研制的濕熱環(huán)境模擬與控制系統(tǒng)可成功地開展?jié)駸岘h(huán)境與循環(huán)載荷共同作用下CFL加固RC梁的疲勞裂紋擴展實驗;采用DIC技術(shù)可對疲勞主裂紋萌生、擴展及破壞全過程進行實時跟蹤測試;2)將提出的低荷載水平分級加載的濕熱環(huán)境下疲勞裂紋萌生和擴展實驗方法與三維DIC技術(shù)相結(jié)合,可獲得濕熱環(huán)境下CFL加固RC梁疲勞主裂紋的完整a~N曲線;3)疲勞裂紋擴展曲線可分為快速萌生和擴展、以及穩(wěn)定擴展的兩個階段。在裂紋萌生和快速擴展階段,其擴展規(guī)律可采用應(yīng)力強度因子K與裂紋高度a的分段函數(shù)來描述;在穩(wěn)定擴展階段,可采用以K_(max)為參量的Paris公式來描述;4)疲勞主裂紋的擴展速率隨環(huán)境溫度的升高而提高,但相對濕度對疲勞主裂紋擴展速率的影響不明顯。
【圖文】：

FPZ）裂紋尖端處會出現(xiàn)尺寸較大的損傷區(qū)域，，該區(qū)程區(qū)（Fracture Process Zone，簡稱 FPZ）。在凝土試件的尺寸相比不能忽略，因此線彈性稱 LEFM）不適用于描述混凝土的裂紋萌生near elastic fracture mechanics，簡稱 NLFM）土的開裂及擴展過程。Hillerborg 等[6]在 197Model，簡稱 FCM），裂紋的張開則被描述為在裂紋尖端處軟化應(yīng)力達到最大值 ft，如圖 ~張開位移曲線，需要確定以下三個斷裂參抗拉強度 ft和臨界裂紋張開位移 wc。

子 KIC和臨界裂尖張開位移 CTODC來描述混凝土的斷裂行為。TPFM 基于非線學(xué)在考察混凝土斷裂行為時并不需要完整的混凝土應(yīng)力~變形或者應(yīng)力~應(yīng)變，該模型基于混凝土試件達到極限承載力前的非線性行為，利用經(jīng)過修正的線力學(xué)準(zhǔn)則來描述混凝土的斷裂行為。徐世p

本文編號：2644015