【摘 要】
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大量研究表明,碳纤维增强复合材料（CFRP）有高强度、高弹性模量、抗腐蚀能力强、疲劳性能好等优点,可以提高钢结构的承载力、疲劳寿命、耐腐蚀性能等,且已经广泛应用于钢结构的加固中,但是CFRP/钢层状复合结构在实际运营过程中,脆性碳纤维容易出现划痕等表面损伤,因此为了保障损伤后复合结构的安全运行,对其进行损伤容限研究是非常有必要的。针对该问题,本文基于边界效应理论模型（BEM）建立解析模型,通过极值
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大量研究表明,碳纤维增强复合材料（CFRP）有高强度、高弹性模量、抗腐蚀能力强、疲劳性能好等优点,可以提高钢结构的承载力、疲劳寿命、耐腐蚀性能等,且已经广泛应用于钢结构的加固中,但是CFRP/钢层状复合结构在实际运营过程中,脆性碳纤维容易出现划痕等表面损伤,因此为了保障损伤后复合结构的安全运行,对其进行损伤容限研究是非常有必要的。针对该问题,本文基于边界效应理论模型（BEM）建立解析模型,通过极值载荷的方法对CFRP/钢层状复合结构表面损伤容限进行研究,本文的主要研究内容如下:（1）考虑CFRP/钢层状复合结构的表面裂纹损伤以及脆性碳纤维的结构特征,基于边界效应理论模型和宏观的力学分析,建立了表面损伤CFRP/钢层状复合结构的极限承载力解析模型,该模型可以预测CFRP/钢层状复合结构中微裂纹的表面损伤容限;（2）在解析模型中,结构特征参数Cch对复合结构裂纹尖端的断裂影响较大,因此利用金相显微镜通过极值载荷法观测表面划痕损伤的2D-CFRP/钢复合结构在三点弯曲极限载荷时的断裂特征和裂纹尖端损伤区,确定了结构特征参数Cch,代入解析模型获得CFRP的拉伸强度与2D碳纤维板直接进行拉伸试验测试得到的拉伸强度对比,两者之间的偏差为1.39%,表明解析模型对2D-CFRP/钢复合结构的适用性;（3）由于碳纤维结构不同,复合结构的断裂特征与结构特征参数Cch也不同,从纤维结构角度分析,2D碳纤维的纤维束是层状的编织结构,单向碳纤维的纤维束是同向的,并没有层状的编织结构,从拉伸强度角度分析,单向碳纤维的拉伸强度高于双向碳纤维,因此进一步研究单向CFRP/钢复合结构表面损伤区的大小、结构特征参数Cch的确定方法以及解析模型对单向CFRP/钢复合结构的可行性是非常有必要的。通过采用与2D-CFRP/钢复合结构相同的试验对单向CFRP/钢复合结构的表面损伤容限进行分析,结果表明纤维结构的不同,损伤区的大小也不同,解析模型获得的拉伸强度与直接拉伸试验测试得到的拉伸强度两者之间的误差为6.02%,则解析模型对单向CFRP/钢复合结构也是可行的;（4）由于解析模型的“断裂载荷=拉伸强度×等效面积”线性方程式中“等效面积”与CFRP/钢的层状结构和几何参数有关,通过分析结构特征参数Cch对二维和单向CFRP/钢层状复合结构断裂性能的影响,结果表明在近似的结构特征参数范围内,可以得到较准确的断裂性能估算值,因此通过拉伸强度对表面出现不同微裂纹损伤后二维和单向CFRP/钢复合结构的极限载荷和断裂强度进行了预测,实现了CFRP/钢复合结构表面损伤容限研究。
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