本文選題：碳纖維增強復合材料（CFRP） + 表面裂紋�。� 參考：《華南理工大學》2013年博士論文

【摘要】：纖維增強復合材料（FRP）的抗拉強度是鋼的2-10倍，是一種被廣泛應用的新型高性能材料。FRP加固鋼結構技術，具有不產生次生應力和缺陷、耐久性好、施工方便、維護費用低等優(yōu)點，備受工程界關注。然而，FRP加固含缺陷的鋼結構中，除了構件加固前就存在的缺陷外，粘結層是最薄弱的部位，粘結層的破壞將導致FRP剝離，并最終造成整個加固結構的失效。為此，本研究針對FRP加固含缺陷鋼結構的兩個最薄弱部位：FRP與鋼結構的粘結界面、以及缺陷體局部，分別以碳纖維板（CFRP板）與鋼板試件的粘結界面、以及碳纖維薄板（CFL）加固鋼板試件中的三維表面裂紋為研究對象，采用理論推導、數值分析與實驗相結合的方法，對上述CFRP片材加固含缺陷鋼結構的破壞機理進行力學分析。主要研究內容及結論如下： 1） CFRP與鋼板的粘結界面應力計算公式的理論推導。建立了CFRP加固鋼板的雙剪模型，通過理論推導，給出了CFRP與鋼板之間的界面剪應力和正應力、以及有效粘結長度等的計算公式，并討論了界面剪應力的分布規(guī)律，探討了剪應力與界面破壞機理的關聯性。理論分析結果表明，鋼板的幾何尺寸、界面層的剪切模量和厚度、FRP片材和鋼板的彈性模量、FRP片材的厚度等是界面粘結強度及影響加固效果的主要因素。 2）利用大型商用軟件ANSYS，建立了CFRP板加固鋼板的雙剪有限元分析模型，模擬CFRP板加固鋼板的雙剪實驗過程及其受力狀態(tài)，重點探討了實驗過程中CFRP板與鋼板之間的粘結界面的剪應力變化及分布情況，并將有限元的界面剪應力計算結果與本文提出的理論公式的計算結果進行了對比分析。計算結果表明，，界面剪應力的有限元計算結果與理論值基本吻合。這從一個側面證明了本文提出的界面剪應力理論計算公式的有效性。 3） CFRP板加固鋼板的雙剪實驗研究。采用ASTM D3166和ISO9644中推薦使用的Single Lap Joint型鋼板與CFRP搭接接頭，實施了CFRP板與鋼板之間的粘結界面的雙剪實驗，測定了CFRP板與鋼板之間的界面剪應力，分析了CFRP板與鋼板粘結界面的應力分布、界面應力的傳遞特點，探討了界面的粘結剪切破壞過程及破壞特征。研究結果表明， CFRP板與鋼板之間的界面剪應力的實測結果與本文公式的理論計算值以及有限元計算結果都吻合得較好。這進一步驗證了本文理論計算公式的有效性。 4） CFL加固受拉鋼板中三維表面裂紋的應力強度因子的數值分析。首先，建立了三維半橢圓表面裂紋應力強度因子的有限元分析模型，探尋適合斷裂力學分析的裂紋前緣網格劃分的方法，優(yōu)化模型及計算參數，并采用Newman-Raju公式驗證了該數值方法的計算精度。然后，建立了受拉CFL加固含三維表面裂紋鋼板的有限元分析模型，探討了裂紋參數、加固方式和CFL參數對表面裂紋的應力強度因子的影響，提出了加固試件應力強度因子的半經驗計算公式，探討了拉伸載荷下CFL加固含缺陷鋼結構的破壞機理。 5） CFL受彎加固鋼板中三維表面裂紋的應力強度因子的數值分析。建立了受彎CFL加固含三維表面裂紋鋼板的有限元分析模型，探討了裂紋參數、加固方式和CFL參數對表面裂紋的應力強度因子的影響，提出了在彎曲載荷作用下加固試件應力強度因子的半經驗計算公式，探討了彎曲載荷下CFL加固含缺陷鋼結構的破壞機理。研究結果表明，細長的淺裂紋是鋼結構中最危險的缺陷，而采用FRP片材對含該類缺陷的鋼結構進行加固是非常有效的先進技術。
[Abstract]:The tensile strength of fiber reinforced composite ( FRP ) is 2 - 10 times of that of steel . It is a widely used new type of high - performance material . The FRP - reinforced steel structure has the advantages of no secondary stress and defects , good durability , convenient construction and low maintenance cost .

1 ) The theoretical derivation of the calculation formula of bond interface stress between CFRP and steel plate is deduced . The calculation formula of interfacial shear stress and positive stress and effective bond length between CFRP and steel plate are deduced . The relationship between shear stress and interface failure mechanism is discussed . The theoretical analysis results show that the geometric dimension of the steel plate , the shear modulus and thickness of the interface layer , the elastic modulus of FRP sheet and steel plate , the thickness of FRP sheet and so on are the main factors influencing the bonding strength of the interface and the effect of reinforcement .

2 ) Based on ANSYS , a double shear finite element analysis model of CFRP sheet reinforced steel plate is established . The shear stress variation and distribution of the bond interface between CFRP plate and steel plate are simulated . The results show that the calculation results of the interface shear stress are in agreement with the theoretical formula . The results show that the calculation formula of interfacial shear stress is valid .

3 ) The double shear experiment of the CFRP plate strengthened steel plate was carried out . Using the single Lap joint type steel plate and the CFRP lap joint as recommended in ASTM D3 166 and ISO9644 , the interfacial shear stress between the CFRP plate and the steel plate was measured . The stress distribution of the interface between the CFRP plate and the steel plate was measured . The experimental results show that the measured results of the interface shear stress between the CFRP plate and the steel plate are in good agreement with the theoretical calculation value and the finite element calculation result of the formula .

4 ) The numerical analysis of the stress intensity factors of the three - dimensional surface crack in the tensile steel plate is analyzed . First , the finite element analysis model of the crack - stress intensity factor of the three - dimensional semi - elliptical surface is established , and the calculation precision of the numerical method is verified by using the Newman - Raju formula .

5 ) Numerical analysis of the stress intensity factors of three - dimensional surface cracks in a steel plate subjected to bending reinforcement is established . The finite element analysis model of the crack parameters , the reinforcement mode and the CFL parameters on the stress intensity factors of the surface crack is established . The failure mechanism of the CFL on the defective steel structure under the bending load is discussed . The results show that the slender shallow crack is the most dangerous defect in the steel structure , and the FRP sheet is used to reinforce the steel structure containing the defect .
【學位授予單位】：華南理工大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2013
【分類號】：TU391;O346.1

【參考文獻】

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本文編號：1983230