玻璃纤维（GFRP）筋疲劳寿命预测方法的研究

摘要

钢筋的锈蚀会导致钢筋的承载力降低，直接缩短钢筋混凝土结构的使用寿命。彻底解决钢筋锈蚀问题的一个行之有效的方法，就是采用纤维增强复合材料(FRP)，如玻璃纤维(GFRP)筋。与钢筋相比，GFRP筋具有耐腐蚀、质量轻、强度高、弹模小、应力松弛小等特点，其在混凝土结构中具有广阔的应用前景。 GFRP筋在工作中经常受到交变载荷的作用，疲劳问题随之凸现，而复合材料的疲劳机理至今尚未完全弄清楚。随着GFRP筋在工程上的广泛应用，有必要对其疲劳特性进行试验研究，这对复合材料的广泛应用也具有重要的工程实际意义。因此，本文对GFRP筋的疲劳寿命预测方法进行了初步探讨。 纤维复合材料是各向异性材料，由于试验测量上的困难，所以，目前绝大多数的研究者主要研究层合板在单向加载下、加载方向上参量的变化，或从理论、或从经验、或理论结合经验等角度提出研究模型。本文借鉴层合板的研究模型，通过简化、协调模型的相关参数，得到棒材(GFRP筋)的理论分析模型。 国内外从20世纪七十年代起，就进行了大量的复合材料疲劳研究工作，并取得了相应的成果。到目前为止，已经发展了多种疲劳寿命预测模型，总的来说，有微观机理模型和宏观唯象模型。本文在分析复合材料疲劳行为的基础上，结合复合材料疲劳损伤机理，从宏观唯象模型的角度，建立了复合材料GFRP筋的疲劳S-N曲线模型和疲劳累积损伤模型，并对GFRP筋的疲劳寿命作出了预测。 复合材料寿命预测是一项复杂的系统工程。因为复合材料自身的复杂性导致其失效形式的多样性。此外，测试方法、实验条件以及具体研究者的兴趣与专业的局限等，都使得目前基于剩余强度、刚度和疲劳模量的衰减模型所建立的寿命预测方法仍处于探索阶段，还没有系统性可言。从严格意义上讲，这些方法仍然处于实验室模型化和试验阶段，较突出的问题主要是在疲劳损伤参量的定义、损伤演化规律的构造和结构件疲劳寿命预测系统的合理框架的构筑等方面。 本文针对以上主要问题进行了试验和研究：(1)建立了GFRP筋“考虑应力比的S-N曲线模型”和“S-N有效缺陷模型”；(2)在考虑了强度、刚度、应变等因素的复合材料疲劳累积损伤理论的基础上，建立了相应的“GFRP筋疲劳累积损伤模型”，尤其是“剩余强度疲劳累积损伤模型”，从而建立了能够描述GFRP筋动态的本构关系；(3)基于疲劳累积损伤模型的研究，本文对把疲劳模量作为损伤变量的疲劳寿命预测模型，作出了具体的分析和探讨。首先，建立了在典型应力比(即：已知相关试验数据的应力比)R、载荷比q为任意值的单轴循环载荷作用下，GFRP筋的寿命估算公式和损伤累积方程；然后，在等寿命原则下，利用等寿命曲线的直线模型，把非典型应力比的疲劳载荷等效为具有典型应力比的疲劳载荷，使得已经建立的典型应力比下的寿命预测公式可对非典型应力比载荷作用下的GFRP筋进行寿命预测。(4)本文对规格型号为GFRPSRB6的GFRP筋进行了拉伸疲劳试验，所得试验数据为前面所建立的各类模型提供了数据依据，并从试验结果上证明了模型的适用性。

目录

文摘

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第一章绪论

第二章复合材料GFRP筋的拉伸疲劳试验

第三章复合材料GFRP筋的S-N疲劳曲线模型

第四章复合材料GFRP筋的疲劳累积损伤模型

第五章复合材料GFRP筋的疲劳模量预测模型

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文

致 谢