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近十几年来,随着材料工业的发展,碳纤维增强复合材料(FRP)在加固修复钢筋混凝土结构上的应用迅猛发展起来。FRP用于结构加固具有比强度高、便于施工、耐久性好等优点,然而,FRP加固结构容易发生剥离破坏的缺点成为制约其更广泛应用的主要因素之一。而且,许多土木工程结构(如桥梁、海洋平台和工业厂房等)在其服役期中所承受的并非静力荷载,而是上千万次的动力循环荷载,从而导致结构在低于静载强度下发生疲劳破损和失效,这也对FRP加固混凝土结构的疲劳耐久性能和寿命提出了更高的要求。
FRP与混凝土间的粘结性能是实现FRP与混凝土间荷载传递和共同工作的重要前提,在土木工程结构加固中,FRP的加固效果主要取决于它们之间的粘结性能。本文设计了FRP与混凝土界面粘结单剪试验,利用20个试件,通过改变FRP布的粘结长度、厚度、混凝土强度,以及循环荷载加载频率等参数进行了较系统的静载和疲劳动载试验。
通过静载试验,我们观察了各种不同试件粘结界面的受力变形过程和破坏形态,总结了FRP 的应变变化规律,比较了不同参数,如混凝土强度,FRP粘结长度和厚度等对试件初始剥离荷载和极限承载力的影响,研究分析了FRP布加固混凝土界面的粘结性能。结合相关的理论模型模拟研究,并将试验结果同模型模拟结果进行对比分析,建立相应的界面粘结一滑移本构模型。
根据静载试验的结果,我们设计了循环荷载的加载方案。将静载与动载两方面的试验结果进行对比,研究分析了FRR布加固混凝土界面的疲劳性能。试验结果显示,对于试件的疲劳寿命来说,相对于极限承载力,将循环荷载大小同初始剥离荷载相比较,能得出更为一致的规律。至于影响粘结界面疲劳性能的参数,FRP粘贴长度、厚度,混凝土强度等因素,主要还是通过提高界面承载力来影响疲劳寿命的,如果循环荷载上限比例一定时,它们的疲劳性能基本差不多。只有循环荷载的加载频率这一参数,对疲劳寿命有一定的影响,频率越高,试件寿命越低。最后,通过对循环加载过程中疲劳裂纹的长度,及其裂纹扩展速率进行研究,我们将裂纹扩展分三个阶段,第一三阶段扩展较快,但在疲劳寿命中占时间较短,而第二阶段裂纹扩展速率较低,且维持时间较长,并以此为根据,绘制了粘结界面疲劳寿命曲线。
通过本文的研究,我们了解FRP与混凝土之间的粘结性能,以及FRP与混凝土粘结界面在循环荷载下疲劳破坏的模式和机理,分析不同参数对其界面损伤的影响,并建立相应的理论计算模型。
本文研究工作的开展有助于FRP加固混凝土技术的推广应用,并进一步完善我国FRP加固混凝土结构的技术规范,为工程实际提供理论指导。