FRP拉索疲劳损伤演化规律和寿命可控设计方法研究

摘要

拉索结构中钢拉索的疲劳和腐蚀问题严重威胁着这些拉索结构的服役安全。纤维增强复合材料(FRP)具有轻质、高强、耐腐蚀、可设计性强、可减少结构全寿命综合成本等优点，引入FRP代替钢材作为桥梁拉索材料具有良好的应用前景。其中玄武岩纤维增强复合材料(BFRP)是新兴的FRP材料，相比于传统的碳纤维增强复合材料(CFRP)有明显的价格优势，相比于传统的玻璃纤维增强复合材料(GFRP)大幅提升了静力和抗蠕变性能，更有利于工程应用推广。然而国内外BFRP复合材料研究中缺乏对其疲劳损伤演化规律的探索，制约了社会对BFRP材料疲劳机理的认识和理论模型发展。实际工程应用中，也缺乏BFRP复合材料定量系统的疲劳实验结果、评价模型和设计理论。为了在桥梁工程拉索等疲劳损伤敏感构件中推广应用FRP材料，亟需研究FRP其中重点研究BFRP在环境和疲劳等多场耦合作用下损伤规律和性能，建立相应的疲劳设计方法。 本文利用原位疲劳试验方法，考虑寿命长度、应力比、环境和疲劳等多场耦合作用、界面与树脂性能等疲劳性能影响参数，全面系统研究了BFRP复合材料的细观疲劳损伤演化规律和宏观疲劳性能。通过大量的实验和理论分析，建立了FRP拉索的基本设计理论体系及其参数数据。本文具体的研究内容及成果包括： (1)为了更好的了解FRP的疲劳损伤演化规律和性能，本论文引入原位扫描电子显微镜(SEM)疲劳试验装置，在疲劳测试的同时利用原位SEM对疲劳载荷下的损伤扩展和断裂面进行观测和跟踪，并对损伤机理进行研究。充分考虑锚固区应力传递的复杂性以及FRP材料各项异性的特点，基于原位SEM疲劳试验装置要求，设计了FRP复合材料拉-拉疲劳原位试验装置和FRP缓过渡锚固形式，避免FRP在疲劳过程中在锚固区剪断和滑移的不理想破坏模式。为FRP拉-拉疲劳下疲劳损伤模式和疲劳性能的研究提供实验条件和支持。 (2)基于以上试验装置和方法，研究BFRP复合材料在107次以上（50-100年设计寿命通常为106次）循环荷载作用下的疲劳特性和损伤模式。通过对比BFRP在短寿命（105次循环），中长寿命（106次循环）和长寿命（107次循环）下疲劳特性和损伤模式情况，发现高应力水平下（短寿命），纤维断裂主导试件疲劳破坏，而基体开裂和界面脱粘是在低（长寿命）和中等疲劳应力水平（中长寿命）的主要损伤模式。由于这种损伤模式变化，通过2×106循环以下疲劳数据预测的疲劳强度低于由1×107循环以下数据拟合的疲劳强度。 (3)针对BFRP在不同荷载谱下的损伤累计规律尚未研究透彻的问题，通过在不同应力比(R=0.1，0.5，0.8)下BFRP复合材料原位疲劳试验，发现了玄武岩纤维复合材料的疲劳损伤线性累积规律。同时通过原位SEM观察揭示了BFRP拉—拉疲劳不同应力比下疲劳损伤机理，即应力水平提高和应力比下降导致纤维与界面磨损退化加重，损伤模式从基体开裂和界面脱粘转变为纤维断裂，从而更易破坏。 (4)通过BFRP复合材料暴露于盐溶液腐蚀后和不同环境温度下的疲劳试验，研究了BFRP复合材料在盐水环境、不同环境温度和疲劳共同作用下的疲劳性能和损伤演化规律，发现耦合作用对BFRP复合材料的疲劳性能具有一定影响。通过原位SEM观测发现纤维与树脂的界面脱粘及树脂性能退化是导致BFRP在盐水环境、较高环境温度和疲劳共同作用下的宏观疲劳性能退化的主要原因。 (5)基于BFRP中低应力/长寿命时是由树脂开裂和界面脱粘控制的疲劳损伤模式，提出基于树脂增韧和界面改性的FRP疲劳寿命提升方法。研究树脂增韧和界面改性对FRP疲劳寿命提升效果和损伤模式变化，发现在长周期疲劳下相同应力水平时增韧或改性后BFRP试件的疲劳寿命反超对比组试件。对BFRP提升前后的疲劳寿命离散性进行了分析，通过与金属材料的类比，给出了不同材料的FRP疲劳寿命的折减系数。 (6)最后基于以上试验和损伤模式数据，采用串并联模型研究从浸胶纱尺度到FRP单索最后到FRP拉索的基于可靠性的静力及疲劳设计方法。建立基于中长寿命（106次循环）、长寿命（107次循环）和概率分布的疲劳强度折减系数。同时，考虑FRP长寿命性能和全寿命周期成本，建立FRP拉索结构疲劳寿命可控设计理论。

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