碳纤维加固钢筋混凝土梁疲劳性能研究

摘要

近几十年来，碳纤维增强复合材料(CFRP)在加固修复钢筋混凝土结构上的应用迅速发展。CFRP已广泛用于加固修复钢筋混凝土桥梁等需承受反复荷载的结构，所以急需了解CFRP加固钢筋混凝土梁的抗疲劳性能。CFRP与混凝土之间良好的黏结是保证CFRP加固构件正常工作的前提，所以CFRP-混凝土界面黏结的抗疲劳性能直接影响到CFRP抗疲劳加固的效果。基于此，本文采用试验研究、理论推导、数值模拟等手段，对CFRP抗弯加固钢筋混凝土梁的界面及整体的抗疲劳性能进行了系统研究，主要研究内容和成果如下:
　　采用梁式试验方法，以荷载水平、混凝土强度、CFRP布与混凝土宽度比、黏结长度、加载频率为变量，进行了CFRP布-混凝土的界面静载和疲劳试验。试验结果表明，在其它条件相同的情况下，增大CFRP布与混凝土宽度比或加载频率，疲劳寿命降低;而增大混凝土强度或增加黏结长度可提高疲劳寿命。结合试验结果，基于本文提出的考虑多因素的CFRP-混凝土界面疲劳寿命预测方法，得出同时考虑平均应力幅、混凝土强度、CFRP布与混凝土宽度比、CFRP布黏结长度影响的CFRP布-混凝土界面△S-N曲线（应力水平与疲劳寿命的关系曲线）经验公式。
　　基于断裂力学理论，结合CFRP布-混凝土的界面疲劳试验结果，对CFRP-混凝土界面疲劳裂缝扩展行为进行研究。采用能量释放率来描述裂纹的扩展情况，提出FRP加固混凝土构件界面裂纹能量释放率的计算方法。基于该算法，结合试验结果提出了重复荷载作用下CFRP布加固混凝土梁中弯曲裂缝引起的界面裂纹扩展速率模型。
　　基于CFRP布-混凝土的界面疲劳试验结果，对重复荷载作用下CFRP布-混凝土界面黏结滑移关系的演化规律进行研究。研究发现，重复荷载作用会导致黏结滑移本构关系的退化，这种退化表现在CFRP布与混凝土界面黏结层刚度的退化以及抗剪强度的降低。基于试验结果，提出了重复荷载作用下CFRP布-混凝土界面的黏结滑移退化模型。
　　对贴片加固梁（在梁表面黏贴片材）的界面剪应力的计算方法进行研究。提出了计算贴片加固梁的界面剪应力的改进方法。该方法同时考虑了由剪切变形对弯矩和轴向力引起的纵向变形的影响，并能用于求解任意荷载下的界面剪应力。该方法能够更准确计算贴片加固梁的界面剪应力。
　　基于已有的试验研究结果对钢筋混凝土梁的疲劳损伤机理进行研究。从钢筋混凝土梁刚度的退化入手，提出用剩余抗弯刚度来定义其疲劳损伤参数，在此基础上提出了钢筋混凝土梁疲劳累积损伤模型，根据已有试验结果，得出模型相关系数表达式。并提出了钢筋混凝土梁的疲劳损伤评估方法。
　　为验证本文提出的方法和模型的可行性，进行了CFRP布加固损伤钢筋混凝土梁的疲劳试验。引入本文提出的CFRP布-混凝土界面疲劳裂缝扩展模型、重复荷载作用下CFRP布-混凝土界面黏结滑移退化模型、贴片加固梁界面剪应力的计算方法、钢筋混凝土梁的疲劳损伤评估方法对疲劳荷载下CFRP布加固损伤钢筋混凝土梁界面剪应力进行计算分析，并与CFRP布加固损伤钢筋混凝土梁的疲劳试验结果进行对比，计算结果与试验结果吻合良好，说明本文提出的方法和模型具有一定的可行性。并在此基础上对外贴FRP加固钢筋混凝土梁的疲劳设计方法进行了探讨，提出了外贴CFRP布加固钢筋混凝土梁正截面材料的疲劳应力验算方法。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景和意义

1．2 钢筋混凝土梁疲劳损伤机理研究现状

1．3 FRP疲劳性能的研究现状

1．4 FRP加固混凝土梁疲劳性能的研究现状

1．5 静载及疲劳荷载作用下FRP与混凝土界面黏结性能研究现状

1．5．1 静载作用下FRP与混凝土界面黏结性能研究现状

1．5．2 疲劳荷载作用下FRP与混凝土界面黏结性能研究现状

1．6 存在的问题和本文研究的主要内容

第二章 CFRP布-混凝土界面疲劳试验研究

2．1 研究背景

2．2 试验设计

2．2．1 试验目的

2．2．2 试验方法选择

2．2．3 试件设计及制作

2．2．4 试验材料

2．2．5 加载方法

2．2．6 测试方法

2．3 试验结果及分析

2．3．1 试验现象及破坏模式

2．3．2 疲劳寿命及剥离强度

2．3．3 CFRP布跨中附近黏结端位移

2．3．4 CFRP布的应变分布

2．3．5 界面裂纹扩展行为

2．3．6 单调及重复荷载下的有效黏结长度

2．4 本章小结

第三章 CFRP布-混凝土界面疲劳寿命分析

3．1 研究背景

3．2 S-N曲线

3．3 疲劳寿命及其影响因素分析

3．3．1 试验S-N曲线

3．3．2 混凝土强度对疲劳寿命的影响

3．3．3 CFRP布与混凝土宽度比对疲劳寿命的影响

3．3．4 CFRP布黏结长度对疲劳寿命的影响

3．3．5 重复荷载加载频率对疲劳寿命的影响

3．3．6 考虑多因素的S-N曲线的建立及验证

3．4 本章小结

第四章 重复荷载作用下CFRP布-混凝土界面裂纹扩展研究

4．1 研究背景

4．2 FRP-混凝土界面裂纹的能量释放率

4．3 CFRP布-混凝土界面摩擦力

4．4 界面裂纹扩展速率模型

4．4．1 能量释放率计算

4．4．2 界面裂纹扩展速率模型的提出

4．4．3 模型的验证

4．5 本章小结

第五章 重复荷载下CFRP布-混凝土界面黏结滑移模型

5．1 研究背景

5．2 静载作用下黏结滑移模型验证分析

5．3 重复荷载作用下黏结滑移关系的变化

5．3．1 黏结滑移退化模型的提出

5．3．2 黏结滑移曲线上升段斜率的退化公式

5．3．3 公式的验证

5．4 重复荷载作用下的剥离过程中黏结强度的退化

5．4．1 剥离过程中黏结强度随荷载循环次数的退化公式

5．4．2 公式的验证

5．5 本章小结

第六章 求解贴片加固梁界面剪应力的改进方法

6．1 研究背景

6．2 界面剪应力函数表达式的建立

6．2．1 基本假定

6．2．2 情况2下界面剪应力计算

6．2．3 情况3下界面应力计算

6．2．4 边界条件的引入

6．2．5 情况1下的界面剪应力计算

6．3 算例分析

6．4 本章小结

第七章 钢筋混凝土梁疲劳损伤机理研究

7．1 疲劳寿命的模拟计算分析

7．1．1 试验研究概况

7．1．2 有限元模拟计算分析

7．2 疲劳累积损伤模型

7．2．1 刚度与疲劳寿命的关系

7．2．2 瘦劳累积损伤模型的提出

7．3 模型的系数和验证分析及损伤评估方法

7．3．1 模型的系数分析

7．3．2 模型的验证及损伤评估方法

7．4 本章小结

第八章 CFRP布加固钢筋混凝土梁疲劳设计计算方法研究

8．1 重复荷载作用下CFRP布加固损伤钢筋混凝土梁界面剪应力计算方法

8．1．1 FRP加固钢筋混凝土粱正截面受力分析

8．1．2 重复荷载下弯曲裂缝引起的CFRP布-混凝土界面裂缝扩展模型的引入

8．1．3 重复荷载作用下CFRP布-混凝土界面黏结滑移退化模型的引入

8．1．4 损伤参数的引入

8．1．5 计算步骤

8．2 CFRP布加固损伤钢筋混凝土梁疲劳试验及验证分析

8．2．1 试验设计

8．2．2 试验结果及验证分析

8．3 外贴FRP加固钢筋混凝土梁正截面疲劳设计方法探讨

8．3．1 研究现状

8．3．2 外贴CFRP布加固钢筋混凝土梁正截面材料的疲劳应力验算

8．4 本章小结

第九章 结论与展望

9．1 本文工作总结

9．2 下一步研究工作展望

致谢

参考文献

作者在攻读博士期间发表的论文