冲击荷载下FRP-混凝土界面剥离机理研究

摘要

在实际工程中，混凝土结构常因设计失误、施工缺陷或在服役期内由于环境侵蚀、使用不当等因素而产生损伤、老化，导致构件开裂、变形过大、承载力不足等问题，严重影响了结构的安全性和可靠性，加固后方可继续使用。近年来，纤维增强复合材料（Fiber Reinforced Polvmer/Platics，简称 FRP）因其轻质、高强、耐腐蚀等诸多优点而广泛应用于工程结构的补强和加固。外贴 FRP加固混凝土技术利用树脂类胶结材料将 FRP粘贴于混凝土构件表面从而保障二者协同工作，以达到提高结构构件承载力、减少结构变形以及限制结构裂缝的目的。然而在工程实践中， FRP加固混凝土结构往往因为界面强度不足而发生剥离破坏，导致 FRP的强度无法充分利用。因此，FRP与混凝土界面粘结性能和破坏机理的研究已成为 FRP加固混凝土结构领域的研究热点。
　　本文基于线弹性理论建立了考虑应变率效应的 FRP-混凝土界面粘结滑移的理论模型。采用准静力荷载以及中低速冲击荷载下的单面剪切剥离试验、正拉粘结破坏试验对 FRP-混凝土界面粘结性能展开了系统研究，并结合有限元模拟对试验结果进行分析验证，为 FRP加固混凝土结构的设计和分析提供了重要参考。本文主要内容包括以下四点：
　　（1）基于 Kulkarni& Shah提出的考虑应变率效应的混凝土动力本构模型，推导了考虑应变率效应的 FRP-混凝土界面断裂能、剪应力分布、界面粘结滑移的理论模型。
　　（2）完成了冲击荷载下55个 FRP混凝土试件的正拉粘结破坏试验，获得了正拉粘结破坏的主要模式，分析讨论了混凝土强度、纤维布种类、浸渍胶种类以及加载速率等参数对 FRP-混凝土界面正拉粘结性能的影响。
　　（3）完成了冲击荷载下75个 FRP-混凝土试件的单面剪切剥离试验，分析了剪切剥离破坏的典型破坏模式，探讨了混凝土强度、纤维布种类、浸渍胶种类以及加载速率等参数对界面断裂能、FRP应变分布、界面剪应力发展、FRP有效粘结长度与界面粘结滑移关系等的影响规律，并结合理论模型对界面应变分布、界面剪应力及界面粘结滑移曲线进行了参数拟合，验证了粘结滑移模型的可靠性。
　　（4）基于有限元分析软件 ABAQUS，采用内聚力单元模拟 FRP-混凝土界面，对 FRP-混凝土单面剪切剥离试验分别进行静、动荷载下的有限元模拟，将得到的 FRP应变分布、界面剪应力分布、粘结滑移曲线与试验结果进行了对比分析，验证了本文所得粘结滑移模型的准确性。