CFRP-钢复合结构界面时变力学行为研究

摘要

CFRP与钢之间的界面起到传递荷载、协调变形，保证CFRP与钢共同工作的作用，其粘结性能的好坏是CFRP加固钢结构成败的关键。加固用胶粘剂作为高分子聚合物，具有与时间相关的粘弹性行为，在外荷载作用下会产生随时间变化的变形。胶粘剂的粘弹性会导致CFRP-钢界面发生应力重分布，从而界面的力学行为变得更加复杂。明确CFRP-钢界面力学行为是了解界面传力机理和界面破坏机理的必要条件。本文针对CFRP-钢复合结构的界面时变力学行为进行了深入地研究，主要内容如下:
　　1、首次采用双剪试验的方法研究了CFRP-钢界面胶粘剂的剪切粘弹性行为。设计与制作了5组27个CFRP-钢双搭接剪切试件，包括1组对比试件与4组不同持荷水平和不同持荷时间的试件。根据杠杆原理自制了蠕变试验加载装置，进行了实验室条件下3个月的蠕变试验，持荷水平分别取对比组试件极限荷载平均值的20％、40％、60％和75％。蠕变试验结果表明，持荷时间越长、持荷水平越高CFRP-钢界面应力重分布现象越明显。
　　2、基于蠕变试验结果及理论分析，提出了修正的Burgers模型和Findley幂律方程表征CFRP-钢界面受剪状态下胶粘剂的粘弹性本构关系。推导了修正的Burgers模型各参数的计算公式。通过对蠕变试验结果的回归分析得到本构模型参数表达式，讨论了界面剪应力和持荷时间对模型参数的影响。蠕变柔量预测曲线和试验曲线对比分析表明，修正的Burgers模型的预测效果较好，而Findley幂律方程的预测结果偏高。基于修正的Burgers模型，推导了纯剪切状态下双剪试件界面剪应力的时变解析解。
　　3、首次采用双剪试验的方法研究了胶粘剂蠕变对CFRP-钢界面粘结性能的影响。对1组对比试件和4组不同持荷水平、每组6个不同持荷时间的CFRP-钢双剪试件进行静力拉伸试验。对试验结果进行了分析，包括破坏过程、破坏特征、荷载-位移曲线、CFRP应变分布规律以及粘结-滑移曲线特点。试验结果表明，胶粘剂蠕变导致加载端附近区域粘结界面发生蠕变损伤，持荷水平越高、持荷时间越长造成的蠕变损伤越大。
　　4、基于静力拉伸试验结果及理论分析，提出了考虑胶粘剂蠕变损伤折减的CFRP-钢界面双线性粘结-滑移本构模型。在既有的双线性粘结-滑移本构模型的基础上，引入峰值剪应力蠕变损伤系数β、峰值滑移量蠕变损伤系数η和最大滑移量蠕变损伤系数γ3个蠕变损伤系数，通过对试验数据的回归分析得到了包含持荷水平和持荷时间的3个蠕变损伤系数的计算公式。利用该模型对CFRP-钢界面剥离全过程进行了分析。
　　5、根据考虑变形协调条件的弹性分析方法，推导了包含外荷载和温度荷载的CFRP加固受弯钢梁粘结界面应力的微分方程，分别对均布荷载、单个集中力和两个对称集中力作用情况进行了求解。依据敏感性分析的基本原理，从定量分析的角度研究了界面应力对参数的敏感程度。分析结果表明:粘结界面应力与胶层厚度成反比、与胶层弹性模量成正比、与CFRP厚度成正比、与CFRP弹性模量成正比、与CFRP端部到支座的距离成正比;对CFRP端部界面剪应力影响最敏感的参数为CFRP端部离支座的距离，对CFRP端部界面剥离应力影响最敏感的参数为CFRP厚度。
　　6、基于修正的Burgers模型，利用粘弹性力学理论及Laplace变换的数学方法，推导了CFRP加固受弯钢梁粘结界面应力、CFRP轴力、钢梁弯矩和加固梁挠度的Laplace象空间解析解。结合有限元方法分析了胶粘剂粘弹性对加固梁力学行为的影响。分析结果表明，胶粘剂的粘弹性对加固梁的力学行为的影响表现为，随着持载时间的增加，界面峰值剪应力和峰值剥离应力均减小，CFRP轴力减小，钢梁弯矩增大，加固梁挠度增大。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 引言

1．2 CFRP加固钢结构技术的发展

1．3 CFRP-钢界面行为的研究进展

1．3．1 胶粘剂蠕变试验研究

1．3．2 界面应力分析研究

1．3．3 界面粘结性能的研究

1．4 存在的问题

1．5 研究的主要内容

第2章 CFRP-钢界面时变粘结性能试验研究

2．1 引言

2．2 试验概况

2．2．1 试验材料

2．2．2 试件的设计与制作

2．2．3 应变测点布置

2．2．4 胶层厚度

2．2．5 试验装置和试验方法

2．3 CFRP-钢双剪试件蠕变试验结果及分析

2．3．1 CFRP应变分布随时问变化

2．3．2 CFRP应变随时间变化

2．4 CFRP-钢双剪试件静力试验结果及分析

2．4．1 破坏过程和破坏特征

2．4．2 CFRP应变分布

2．4．3 荷载-位移曲线

2．5 本章小结

第3章 CFRP-钢界面时变本构模型研究

3．1 引言

3．2 既有的结构加固用胶粘剂的粘弹性本构模型

3．2．1 流变力学模型

3．2．2 Findley幂律方程

3．3 考虑剪应力影响的CFRP-钢界面胶粘剂粘弹性本构模型

3．3．1 胶粘剂的剪切蠕变柔量

3．3．2 粘弹性本构模型

3．3．3 本构模型的校核

3．4．1 双线性粘结-滑移本构模型

3．4．2 三线性粘结-滑移本构模型

3．4．3 Popovics模型

3．5．1 粘结-滑移曲线

3．5．2 考虑蠕变损伤折减的双线性粘结-滑移本构模型

3．5．3 本构模型参数的确定

3．5．4 粘结-滑移曲线的对比

3．6 本章小结

第4章 CFRP-钢双剪试件时变力学行为研究

4．1 引言

4．2 基于粘弹性本构关系的界面应力时变分析

4．2．1 界面剪应力控制微分方程

4．2．2 Laplace逆变换的数值反演

4．2．3 与试验结果对比

4．3 CFRP-钢界面剥离全过程分析

4．3．1 控制微分方程的推导

4．3．2 界面剥离全过程分析

4．3．3 与试验结果对比分析

4．4 本章小结

第5章 CFRP加固受弯钢梁时变力学行为研究

5．1 引言

5．2 CFRP加固受弯钢梁弹性分析

5．2．1 基本方程

5．2．2 界面剪应力的控制微分方程

5．2．3 界面剥离应力的控制微分方程

5．2．4 界面最大主应力

5．2．5 微分方程的求解

5．2．6 参数敏感性分析

5．3 CFRP加固受弯钢梁粘弹性分析

5．3．1 基本方程

5．3．2 粘弹性本构模型

5．3．3 CFRP轴力及钢梁弯矩

5．3．4 界面应力

5．3．5 加固梁挠度

5．3．6 粘弹性分析的有限元法

5．3．7 参数分析

5．4 CFRP加固钢梁的设计建议

5．5 本章小结

结论与展望

致谢

参考文献

攻读博士期间发表的论文及参加的科研项目