發(fā)布時(shí)間：2018-06-05 19:55

  本文選題：碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（CFRP） + 表面裂紋　； 參考：《華南理工大學(xué)》2013年博士論文

【摘要】：纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（FRP）的抗拉強(qiáng)度是鋼的2-10倍，是一種被廣泛應(yīng)用的新型高性能材料。FRP加固鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)，具有不產(chǎn)生次生應(yīng)力和缺陷、耐久性好、施工方便、維護(hù)費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)，備受工程界關(guān)注。然而，F(xiàn)RP加固含缺陷的鋼結(jié)構(gòu)中，除了構(gòu)件加固前就存在的缺陷外，粘結(jié)層是最薄弱的部位，粘結(jié)層的破壞將導(dǎo)致FRP剝離，并最終造成整個(gè)加固結(jié)構(gòu)的失效。為此，本研究針對(duì)FRP加固含缺陷鋼結(jié)構(gòu)的兩個(gè)最薄弱部位：FRP與鋼結(jié)構(gòu)的粘結(jié)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(jié)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(duì)象，采用理論推導(dǎo)、數(shù)值分析與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法，對(duì)上述CFRP片材加固含缺陷鋼結(jié)構(gòu)的破壞機(jī)理進(jìn)行力學(xué)分析。主要研究內(nèi)容及結(jié)論如下： 1） CFRP與鋼板的粘結(jié)界面應(yīng)力計(jì)算公式的理論推導(dǎo)。建立了CFRP加固鋼板的雙剪模型，通過理論推導(dǎo)，給出了CFRP與鋼板之間的界面剪應(yīng)力和正應(yīng)力、以及有效粘結(jié)長度等的計(jì)算公式，并討論了界面剪應(yīng)力的分布規(guī)律，探討了剪應(yīng)力與界面破壞機(jī)理的關(guān)聯(lián)性。理論分析結(jié)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(jié)強(qiáng)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(shí)驗(yàn)過程及其受力狀態(tài)，重點(diǎn)探討了實(shí)驗(yàn)過程中CFRP板與鋼板之間的粘結(jié)界面的剪應(yīng)力變化及分布情況，并將有限元的界面剪應(yīng)力計(jì)算結(jié)果與本文提出的理論公式的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析。計(jì)算結(jié)果表明，，界面剪應(yīng)力的有限元計(jì)算結(jié)果與理論值基本吻合。這從一個(gè)側(cè)面證明了本文提出的界面剪應(yīng)力理論計(jì)算公式的有效性。 3） CFRP板加固鋼板的雙剪實(shí)驗(yàn)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(shí)施了CFRP板與鋼板之間的粘結(jié)界面的雙剪實(shí)驗(yàn)，測定了CFRP板與鋼板之間的界面剪應(yīng)力，分析了CFRP板與鋼板粘結(jié)界面的應(yīng)力分布、界面應(yīng)力的傳遞特點(diǎn)，探討了界面的粘結(jié)剪切破壞過程及破壞特征。研究結(jié)果表明， CFRP板與鋼板之間的界面剪應(yīng)力的實(shí)測結(jié)果與本文公式的理論計(jì)算值以及有限元計(jì)算結(jié)果都吻合得較好。這進(jìn)一步驗(yàn)證了本文理論計(jì)算公式的有效性。 4） CFL加固受拉鋼板中三維表面裂紋的應(yīng)力強(qiáng)度因子的數(shù)值分析。首先，建立了三維半橢圓表面裂紋應(yīng)力強(qiáng)度因子的有限元分析模型，探尋適合斷裂力學(xué)分析的裂紋前緣網(wǎng)格劃分的方法，優(yōu)化模型及計(jì)算參數(shù)，并采用Newman-Raju公式驗(yàn)證了該數(shù)值方法的計(jì)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(shù)、加固方式和CFL參數(shù)對(duì)表面裂紋的應(yīng)力強(qiáng)度因子的影響，提出了加固試件應(yīng)力強(qiáng)度因子的半經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式，探討了拉伸載荷下CFL加固含缺陷鋼結(jié)構(gòu)的破壞機(jī)理。 5） CFL受彎加固鋼板中三維表面裂紋的應(yīng)力強(qiáng)度因子的數(shù)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(shù)、加固方式和CFL參數(shù)對(duì)表面裂紋的應(yīng)力強(qiáng)度因子的影響，提出了在彎曲載荷作用下加固試件應(yīng)力強(qiáng)度因子的半經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式，探討了彎曲載荷下CFL加固含缺陷鋼結(jié)構(gòu)的破壞機(jī)理。研究結(jié)果表明，細(xì)長的淺裂紋是鋼結(jié)構(gòu)中最危險(xiǎn)的缺陷，而采用FRP片材對(duì)含該類缺陷的鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固是非常有效的先進(jìn)技術(shù)。
[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(xué)位授予單位】：華南理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2013
【分類號(hào)】：TU391;O346.1

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 黃培彥,周緒平,趙琛;FRP片材在土木工程中應(yīng)用的幾個(gè)關(guān)鍵力學(xué)問題[J];華南理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版);2002年11期

2 趙國棟;孫會(huì)社;于立強(qiáng);袁鵬;;某鋼結(jié)構(gòu)廠房火災(zāi)后結(jié)構(gòu)安全性鑒定與安全措施[J];建筑結(jié)構(gòu);2010年S2期

3 江克斌,許特,趙啟林;采用預(yù)應(yīng)力碳纖維技術(shù)提高鋼結(jié)構(gòu)承載力的分析[J];解放軍理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版);2003年04期

4 曹雙寅;潘建伍;陳建飛;孫寧;;外貼纖維與混凝土結(jié)合面的粘結(jié)滑移關(guān)系[J];建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào);2006年01期

5 鄧軍;黃培彥;;CFRP板與鋼梁粘結(jié)剝離破壞的試驗(yàn)研究[J];建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào);2007年05期

6 張術(shù)寬;王戀;;某制冷壓縮機(jī)爆炸事故的分析[J];流體機(jī)械;2010年06期

7 沈士明,周劍秋,朱利洪;壓力管道缺陷評(píng)定方法的現(xiàn)狀與發(fā)展[J];南京化工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版);1999年01期

8 金丕彥，芮勇;BP算法各種改進(jìn)算法的研究及應(yīng)用[J];南京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào);1994年S1期

9 強(qiáng)健;;更換焊條時(shí)防止焊接缺陷產(chǎn)生的方法[J];機(jī)械工人;1982年10期

10 周峰巒;高怡斐;;半橢圓表面裂紋應(yīng)力強(qiáng)度因子的有限元計(jì)算分析[J];物理測試;2009年03期

相關(guān)博士學(xué)位論文 前2條

1 韓強(qiáng);CFRP-混凝土界面粘結(jié)滑移機(jī)理研究[D];華南理工大學(xué);2010年

2 彭福明;纖維增強(qiáng)復(fù)合材料加固修復(fù)金屬結(jié)構(gòu)界面性能研究[D];西安建筑科技大學(xué);2005年

本文編號(hào)：1983230