FRP-混凝土粘结界面研究的两个重要问题

论文摘要

从上世纪90年代起纤维复合材料（FRP）开始较广泛应用于钢筋混凝土结构加固。为支持这项新技术的快速发展,FRP加固结构的性能成为研究热点。其中,FRP-混凝土界面的粘结-滑移（δ-τ）本构关系和FRP加固梁混凝土的粘结界面剥离破坏是近年来研究的两个重点。由于FRP-混凝土界面的粘结性能对FRP加固结构的力学性能和耐久性起关键作用,因此界面的δ-τ本构关系被视为FRP加固混凝土领域内的最重要、最基本的问题之一。尽管已围绕δ-τ本构关系开展了大量的研究工作,并采用了多种测试方法,但迄今尚无法实测出FRP-混凝土界面δ-τ本构关系的三关键控制参数之一:FRP-混凝土最大粘结滑移量（δu）。本文先总结现有δ-τ本构关系的研究方法和成果,指出普遍采用的“面内剪切试件”破坏过早是无法实测到δu的主要原因;并提出改进的“双拉试件”的概念。进而基于有限元方法,对既有面内剪切试件和“双拉概念试件”进行应力分析对比,结果表明双拉概念试件可承受很大的荷载而不会发生破坏,更适合测量δ-τ本构关系。在此基础上,参考双拉概念试件,制作了“探索性双拉试件”;再经过两次实验-改进过程,设计定型了可实测δu的“实用双拉试件”。本文还探讨了既有实测δ-τ本构关系方法的特点,进而提出一种更简单且较准确的用电子引伸计测量FRP-混凝土相对滑移量δ的方法。再制作了22组“双拉试件“,并采用“电子引伸计”和“电阻应变片”相互验证、测试δu的方法,实测出δu为0.4mm左右（在本文实验条件下）。跨中FRP-混凝土界面剥离破坏是FRP加固混凝土梁常见的破坏模式之一,导致梁的承载力和延性显著降低,引起人们的高度关注。研究者已提出几种理论与数值方法计算FRP-混凝土粘结界面剪应力的方法,其中有限元方法被认为最接近实际,但由于既有有限元分析均以整梁为研究对象,有模拟梁上所有裂缝等诸多困难,因而计算误差也较大;也不能对剥离影响因素做细致分析。为此本文提出避开以整梁为研究对象的困难,建立一个简单的“梁段”有限元计算模型,并用圣维南原理和数值分析证实其合理性和可靠性。再用此模型计算讨论了多种参数影响下的FRP-混凝土界面剪应力分布特征。基于计算结果,本文指出FRP-混凝土界面剪应力最大值τu不适合作为剥离破坏准则,并建议考虑将δu作为FRP-混凝土界面的剥离破坏准则。为检验本文提出的“梁段”模型,分别用碳纤维、玻璃纤维和混杂纤维制作了12根FRP加固梁,进行加载实验,结果显示“梁段”有限元分析模型的计算结果与实测基本相符。注意到对整梁进行剥离试验费时费力,且无法进行细致的影响因素分析,本文还借鉴前述“梁段”分析模型和δ-τ本构关系“双拉试件”的研究经验,提出了简单的基于梁跨中“梁段”的剥离破坏实验思路,通过3次实验-改进研究,制作出了基本可行的既接近FRP加固梁跨中受力状态、又制作简单的“梁段”小试件,有望实现跨中剥离破坏影响因素的细致实验分析。最后,结合研究现状和研究过程中遇到的问题,提出了今后的研究设想。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 混凝土结构维修加固的重要性
• 1.2 FRP加固方法
• 1.3 FRP-混凝土粘结界面的两个重要问题及其研究简况
• u'>1.3.1 FRP-混凝土最大粘结滑移量 δ_u
• 1.3.2 FRP加固梁跨中剥离破坏分析
• 1.4 本文的主要研究内容与思路
• u 的实测技术'>1.4.1 FRP-混凝土粘结界面δ_u的实测技术
• 1.4.2 简单可靠的FRP加固梁跨中剥离破坏分析方法
• 参考文献
• 第2章 既有FRP-混凝土界面本构研究综述
• 2.1 引言
• 2.2 “粘结强度模型”
• 2.2.1 研究方法
• 2.2.2 典型的粘结强度模型
• 2.3 “粘结－滑移本构模型”
• 2.3.1 基本思路
• 2.3.2 实验研究方法
• 2.3.3 “粘结－滑移本构关系”的主要特征和关键参数
• 2.3.4 现有的典型“粘结－滑移本构关系”
• 2.3.5 各种δ －τ 模型相差较大的原因探讨
• 2.4 本章小结
• 参考文献
• u 研究'>第3章 FRP－混凝土最大粘结滑移量δ_u研究
• 3.1 引言
• 3.2 既有小试件粘结界面应力分析及其改进思路
• 3.2.1 有限元建模
• 3.2.2 面内剪切试件模型分析结果
• 3.2.3 第一次改进的面内剪切试件的结果
• 3.2.4 第二次改进的面内剪切试件的结果（“双拉概念试件”）
• 3.3 “实用双拉”试件的设计
• 3.3.1“双拉”试件构想
• 3.3.2“双拉”试件的设计与改进
• 3.4“双拉”试件的制作过程与适用性验证
• 3.4.1 试验材料
• 3.4.2 试件制作
• 3.4.3 试件的加载和有效性验证
• 3.5 测量δ 的方法探讨
• 3.5.1 既有测量方法
• 3.5.2 笔者提出的改进方法
• u 的判定'>3.6 δ_u的判定
• u 判定难点'>3.6.1 δ_u判定难点
• u 实例'>3.6.2 引伸计法测量和判定δ_u实例
• u 法'>3.6.3 应变片法测量δ_u法
• u 方法的比较'>3.6.4 两种测量δ_u方法的比较
• 3.7 本章小结
• 参考文献
• 第4章 既有FRP加固梁剥离破坏研究综述
• 4.1 引言
• 4.2 剥离破坏模式分类与机理分析
• 4.2.1 梁端保护层剥离
• 4.2.2 梁端界面剥离
• 4.2.3 跨中界面剥离
• 4.2.4 跨中保护层剥离
• 4.2.5 跨中斜角剥离
• 4.2.6 综合破坏模式
• 4.3 剥离破坏的主要影响因素
• 4.4 既有的剥离破坏分析方法
• 4.4.1 基于经典力学的理论分析法
• 4.4.2 基于有限元技术的整梁数值模拟
• 4.5 剥离破坏的解决方案
• 4.6 本章小结
• 参考文献
• 第5章 分析跨中剥离破坏的“梁段”模型
• 5.1 引言
• 5.2 “梁段”分析力学模型
• 5.2.1 模型的建立
• 5.2.2 确定“梁段”宽度
• 5.2.3 计算“梁段”的载荷
• 5.3 “梁段”有限元建模
• 5.3.1 ANSYS简介
• 5.3.2 有限元建模
• 5.3.3 界面粘结行为模拟
• 5.3.4 加载方式
• 5.4 “梁段”力学模型的简化及合理性证明
• 5.4.1 验证思路
• 5.4.2 计算结果
• 5.5 FRP－混凝土界面剪应力初探（只考虑界面非线性）
• 5.5.1 建立有限元分析模型
• 5.5.2 影响因素选取
• 5.5.3 FRP－混凝土界面剪应力峰值的计算结果
• 5.6 跨中剥离破坏非线性分析（界面、混凝土非线性）
• 5.6.1 有限元分析模型建立
• 5.6.2 FRP－混凝土界面剪应力峰值的计算结果
• 5.6.3 开裂和破坏分析
• 5.6.4 FRP-混凝土界面剪应力分布
• 5.7 计算结果讨论
• 5.7.1 关于FRP-混凝土界面剥离破坏准则的讨论
• 5.7.2 关于跨中斜角剥落的讨论
• 5.8 本章小结
• 参考文献
• 第6章 FRP加固梁的实验研究
• 6.1 引言
• 6.2 材料性能测试
• 6.2.1 FRP材料材性测量
• 6.2.2 混凝土强度测试
• 6.3 FRP加固梁实验设计
• 6.3.1 混凝土梁的制作
• 6.3.2 加固方案设计
• 6.3.3 试验加载及数据采集
• 6.4 实验结果与讨论
• 6.4.1 破坏模式的讨论
• 6.4.2 承载力的公式
• 6.4.3 关于加固梁裂缝宽度的讨论
• 6.4.4 与有限元计算结果的比较—基于加固梁裂缝宽度（滑移量）实测
• 6.4.5 关于加固梁裂缝间距的讨论
• 6.5 本章小结
• 参考文献
• 第7章 分析跨中剥离破坏的“梁段”小试件
• 7.1 引言
• 7.2 “梁段”小试件的构想及合理性证明
• 7.2.1 构想
• 7.2.2 “梁段”小试件合理性的证明
• 7.3 第一次探索实验：钢筋不加载
• 7.3.1 方案设计
• 7.3.2 试件制作
• 7.3.3 试验结果与讨论
• 7.4 第二次探索实验：钢筋先加载FRP后加载
• 7.4.1 方案设计
• 7.4.2 试件制作
• 7.4.3 加载框设计
• 7.4.4 试件的组装
• 7.4.5 试件的加载设计
• 7.4.6 试验结果与讨论
• 7.5 第三次探索实验：FRP与钢筋同步加载试件
• 7.5.1 夹具设计
• 7.5.2 同步加载方案
• 7.6 本章小结
• 参考文献
• 第8章 研究总结与展望
• u 的实测'>8.1 δ_u的实测
• 8.2 可靠简单的加固梁跨中剥离破坏分析方法——“梁段”模型
• 8.3 研究展望
• 附录：研究生阶段发表的论文
• 致谢