双材料梁界面力学模型及其在FRP-混凝土界面断裂研究中的应用

论文摘要

随着复合材料在土木工程中的应用，传统材料和复合材料的界面断裂问题成为研究的重点。 切口梁常用于双材料界面断裂分析。本文基于多亚层梁界面变形理论，建立了多亚层柔性节点模型，并用于分析末端切口四点弯试件（Four-point Bending End-Notched Flexure Specimen，简称4ENF），得到了界面应力、梁的变形以及能量释放率的解析表达式。该模型与其他节点模型对比表明：刚性节点模型由于忽略了裂纹尖端变形，只能对4ENF变形作出近似估计，而不能反映界面应力；半刚性节点模型部分考虑了裂纹尖端变形（界面的相对转角），对4ENF变形的估计精度较刚性节点模型高，但依然未反映裂纹尖端的应力集中特性；多亚层柔性节点模型由于详尽考虑了裂纹尖端变形，其界面应力和变形分析的结果与有限元吻合很好。三种节点模型的不同精度说明了裂纹尖端变形对双材料界面断裂分析的影响。 其次，本文基于Timoshenko梁理论，考虑了剪切变形和裂纹尖端变形的影响，对双参数弹性地基上的4ENF的Ⅱ型断裂进行了分析，得到了4ENF的柔度和能量释放率的解析式，柔度与裂纹长度成正比。与有限元分析结果对照表明：该模型能有效用于计算柔度、柔度变化率，且能量释放率与裂纹长度无关，因而4ENF的Ⅱ型断裂试验无需测量裂纹的扩展长度，根据临界荷载可求临界能量释放率，从而大大简化了试验手段。 本文还将双线性粘聚模型用于Ⅰ型中间切口三点弯梁（3PBB）和Ⅱ型FRP-混凝土4ENF的界面分析。在3PBB粘聚模型的研究中，将界面损伤粘聚模型与混凝土的拉伸塑性损伤模型相结合，通过有限元参数分析，得到了界面粘聚能、粘聚强度、混凝土强度、混凝土断裂能之间的关系以及3PBB的界面破坏特征。在4ENF粘聚模型的研究中，FRP和混凝土视为弹性材料，界面的剪切应力和裂纹剪切位移服从双线性粘聚法则，基于经典的Euler-Bernoulli梁理论，得到界面破坏不同阶段（即弹性阶段、弹性-软化阶段、弹性-软化-脱粘阶段）梁的界面剪应力及变形的解析解，为全方位理解4ENF的断裂过程提供了理论依据。 最后，本文对FRP-混凝土4ENF进行了试验研究。FRP-混凝土梁底贴有铝板，调整混凝土和铝板的相对厚度可获得纯Ⅱ型和混合型断裂加载条件。通过测量临界荷载，根据4ENF弹性地基梁模型和多亚层柔性节点模型可得到临界应变能量释放率。试验表明，

论文目录

• 前言
• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 前言
• 1.2 文献综述: 双材料界面断裂力学
• 1.2.1 界面裂纹尖端附近区域的应力场
• 1.2.2 界面裂纹模型
• 1.2.3 粘结界面I型加载断裂研究
• 1.2.4 粘结界面II加载断裂研究
• 1.2.5 粘结界面混合型加载断裂研究
• 1.3 FRP-混凝土粘接界面断裂研究现状
• 1.3.1 FRP-混凝土粘结界面I型断裂研究
• 1.3.2 FRP-混凝土粘结界面II型断裂研究
• 1.3.3 FRP-混凝土粘结界面混合型断裂研究
• 1.4 本文的研究工作
• 1.4.1 切口双材料梁界面断裂研究存在的问题、研究的目的和意义
• 1.4.2 本文研究的内容
• 第二章 多亚层柔性节点模型及其在双材料界面断裂力学中的应用
• 2.1 引言
• 2.2 基于多亚层柔性节点的双材料梁分析
• 2.2.1 控制方程
• 2.2.2 界面应力
• 2.2.3 4ENF变形
• 2.3 断裂力学分析
• 2.3.1 J积分
• 2.3.2 能量释放率的分解
• 2.4 有限元数值模拟
• 2.5 总结
• 第三章 弹性基础上的4ENF柔度分析
• 3.1 引言
• 3.2 基于Timoshenko梁理论的4ENF变形分析
• 3.3 裂纹尖端转角和横向位移
• 3.4 微分方程的通解
• 3.4.1 微分方程的通解
• 3.4.2 微分方程的特解
• 3.5 有限元数值模拟
• 3.6 总结
• 第四章 FRP-混凝土三点受弯梁损伤粘聚模型有限元分析
• 4.1 引言
• 4.2 试验观察
• 4.3 有限元分析本构模型
• 4.3.1 FRP-混凝土界面的损伤粘聚模型
• 4.3.2 混凝土拉伸塑性损伤模型
• 4.3.3 FRP本构模型
• 4.4 有限元模型
• 4.4.1 有限元网格划分及材料性质
• 4.4.2 有限元分析结果与实验结果比较
• 4.5 有限元参数分析和讨论
• 4.5.1 混凝土强度和粘聚强度的相对大小对3PPB的影响
• 4.5.2 粘聚能和混凝土断裂能的相对大小对3PPB的影响
• 4.5.3 不同的FRP
• 4.6 小结
• 第五章 4ENF粘聚解析模型分析
• 5.1 引言
• 5.2 未开裂区域界面控制方程
• 5.2.1 弹性阶段
• 5.2.2 弹性—软化阶段
• 5.2.3 弹性—软化—脱粘阶段
• 5.3 4ENF各阶段变形
• 5.3.1 未开裂区域
• 5.3.2 区域1
• 5.3.3 区域2
• 5.4 能量释放率
• 5.5 有限元数值模拟
• 5.6 小结
• 第六章 FRP-混凝土4ENF试验研究
• 6.1 前言
• 6.2 材料
• 6.3 4ENF试件设计
• 6.4 混凝土强度和弹性模量试验
• 6.5 4ENF试验
• 6.5.1 4ENF试件制作与步骤
• 6.5.2 断裂试验
• 6.6 试验结果与讨论
• 6.6.1 破坏方式
• 6.6.2 荷载-位移曲线
• 6.7 小结
• 第七章 总结
• 7.1 本文的主要结论
• 7.2 本文取得的创新点
• 7.3 有待解决的问题
• 参考文献
• 致谢
• 作者在读博期间发表的文章
• 附录 多亚层柔性节点模型裂纹尖端局部变形矩阵