CFL加固RC梁弯曲疲劳裂纹扩展规律研究

摘要

纤维增强复合材料(Fiber Reinforced Polymer，简称FRP)片材加固钢筋混凝土(RC)构件的疲劳性能及其耐久性是国内外土木建筑领域的一个前沿课题。在采用FRP片材加固带裂纹的RC构件后，在循环荷载作用下，加固件中疲劳裂纹的扩展寿命将占据其总寿命的大部分。因此，探明FRP片材加固RC构件中疲劳裂纹的扩展规律，对于加固件的疲劳性能及其耐久性研究具有极其重要的科学意义，对于旧危桥混凝十结构的FRP加固设计及加固件的疲劳寿命预测等具有重大的工程应用价值。 本文采用本课题组发明的新型碳纤维片材——碳纤维薄板(Carbon Fiber Laminate，简称CFL)，制作了36条尺寸为1850×100×200mm的CFL加固RC梁，并准备了3条相同尺寸的参照梁，对常幅弯曲载荷作用下CFL加固RC梁中疲劳裂纹的扩展规律进行了理论和实验研究。本文的主要研究内容和结论如下： 1)通过对受弯CFL加固RC梁的疲劳损伤演化及疲劳破坏过程、疲劳破坏模式的研究，得到了如下新发现：①CFL加固RC梁的疲劳损伤演化过程具有较好的规律性，它与疲劳破坏过程都可以分为三个阶段，并且一一对应；②CFL加固RC梁的疲劳破坏模式可分为三种：界面剥离破坏、受拉钢筋断裂和CFL断裂。根据这些破坏模式，建立了两种相应的断裂力学分析模型。 2)建立了三点弯曲载荷下FRP加固RC梁的裂纹体的断裂力学分析模型，理论推导了疲劳主裂纹尖端附近区域混凝十的应力场，首次给出了加固梁中疲劳主裂纹的应力强度因子的计算公式。计算结果表明，疲劳主裂纹的应力强度因子K1及裂纹尖端附近区域混凝土的应力分量σcy随裂纹扩展的变化规律是：在混凝十刚起裂时最大，然后迅速下降；随着裂纹高度的升高，其下降趋势趋于平缓，但仍逐渐减小；当裂纹相对高度接近α=0.7时，K1和σcy都接近于0。 3)对弯曲载荷下CFL加固RC梁中疲劳裂纹的分布规律(裂纹条数、裂纹间距、分布范围)、裂纹宽度的变化、以及疲劳裂纹的扩展规律进行了探讨，并提出了基于变形理论的疲劳主裂纹扩展速率的表达式(da/dN=1.44/NlnNf)。研究结果表明：①主裂纹的宽度随着荷载循环数的增加而增大，其变化规律与加固梁的疲劳破坏过程相对应；②疲劳裂纹扩展过程可分为以下三个阶段：起裂及快速扩展阶段(第Ⅰ阶段)、稳定扩展及停留阶段(第Ⅱ阶段)以及失稳扩展阶段(第Ⅲ阶段)；③对于第Ⅱ阶段的裂纹扩展，上述扩展速率的表达式能较好地描述了CFL加固RC梁中疲劳主裂纹的扩展规律。 4)通过对弯曲载荷作用下CFL加固RC梁疲劳主裂纹扩展的实验研究，并采用本文提出的应力强度因子的计算方法，发现该类加固梁中的疲劳主裂纹在第Ⅱ阶段的扩展速率可以采用Paris公式进行定量的描述，并给出了疲劳主裂纹扩展速率的半经验公式(da/dN=0.902×ΔK)5.74)。 5)利用上述断裂力学参量KΔ表示的疲劳主裂纹扩展速率的半经验公式，可以方便地预测该类加固梁的疲劳裂纹扩展寿命，并可近似地预测加固梁的疲劳寿命。为了验证该公式的可靠程度，采用该公式和上述基于变形理论的表达式对同一加固梁的疲劳裂纹扩展寿命进行了预测，并与实验数据的比较结果表明，本文提出的两个公式都是有效和可行的。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1引言

1.2 RC结构的FRP加固技术

1.3疲劳裂纹扩展规律研究现状

1.3.1金属材料中的疲劳裂纹扩展规律

1.3.2混凝土中的疲劳裂纹扩展规律

1.4 FRP加固RC构件的疲劳破坏研究

1.5本文的主要研究内容

第二章 CFL加固RC梁弯曲疲劳破坏模式研究

2.1引言

2.2加固梁的弯曲疲劳实验

2.2.1试验材料

2.2.2试验方法

2.3加固梁的疲劳损伤演化规律

2.3.1理论分析

2.3.2加固梁的疲劳损伤演化过程分析

2.4加固梁的疲劳破坏过程

2.5加固梁的破坏模式

2.5.1静载下加固梁的破坏模式

2.5.2加固梁的疲劳破坏模式

2.6带裂纹试件的力学分析模型

2.7本章小结

第三章 FRP加固RC梁主裂纹的应力强度因子

3.1引言

3.2主裂纹尖端附近区域的应力场

3.2.1 FRP加固RC梁主裂纹的力学分析模型

3.2.2加固梁截面中性层高度与裂纹高度的关系

3.2.3裂纹尖端附件区域混凝土的应力

3.3主裂纹的应力强度因子

3.4应力强度因子的主要影响因素

3.4.1加固梁跨度的影响

3.4.2加固梁宽度的影响

3.4.3加固梁高度的影响

3.4.4混凝土力学性能的影响

3.4.5受拉钢筋用量的影响

3.4.6 FRP用量的影响

3.4.7受压钢筋用量的影响

3.4.8加固梁中FPZ长度的影响

3.5本章小结

第四章 CFL加固RC梁弯曲疲劳裂纹扩展行为分析

4.1引言

4.2受弯加固梁中疲劳裂纹的分布规律

4.2.1裂纹条数

4.2.2裂纹间距

4.2.3裂纹的分布范围

4.3疲劳裂纹宽度的变化

4.4受弯加固梁疲劳裂纹扩展规律

4.5基于变形理论的疲劳主裂纹扩展速率表达式

4.5.1理论分析模型

4.5.2跨中挠度与裂纹高度的关系式

4.5.3跨中挠度与循环数的关系

4.5.4疲劳主裂纹扩展速率的表达式

4.6本章小结

第五章 CFL加固RC梁疲劳主裂纹扩展速率的实验研究

5.1引言

5.2疲劳主裂纹扩展实验

5.2.1试验材料

5.2.2试件制备

5.2.3试验方法

5.3实验结果及分析

5.3.1疲劳裂纹扩展行为

5.3.2疲劳主裂纹扩展速率

5.4疲劳寿命预测初探

5.4.1寿命预测方法

5.4.2计算实例

5.4.3分析与讨论

5.5本章小结

结论与展望

参考文献

攻读博士学位期间取得的研究成果

致谢