CFRP混凝土结构中若干力学问题的理论分析及实验研究

论文摘要

本文针对碳纤维加固混凝土结构的若干力学问题进行了多方面的研究。研究工作主要从理论及实验两方面开展,涉及的内容包括碳纤维材料本身的力学性质、碳纤维与混凝土粘结界面的力学特点、碳纤维对裂纹扩展的影响等几个方面。首次将数字图像频域分析法(DIAF)应用于该领域的试验研究中。首先,本文介绍了数字图像频域分析法的基本原理,首次分析了将其应用在混凝土构件试验研究中存在的一些问题,包括混凝土自然表面与喷斑处理过表面对测试精度的影响及表面缺陷对测试精度的影响,给出了针对刚体位移、过大位移的处理方法,确立了如何解决系列加载中涉及到的位移叠加位置不匹配问题的方法,并对数字图像频域分析法应用在混凝土构件试验研究中位移、应变的测试精度进行了分析。其次,采用基于统计失效模型的方法,建立了一个基于单元的含有剪切面参数的三维剪滞模型,从细观力学的角度对CFRP片材的拉伸力学性能进行了数值模拟。纤维的强度基于蒙特卡洛(Monte.Carlo)方法,用两参数的韦布尔(Weibull)分布模拟。通过对碳纤维片材的数字图像频域分析法的试验研究证明了数值模拟的正确性。本文引入与横向剪切变形相关的界面应力σ_p ,τ_p,推导了考虑横向剪切变形影响的CFRP加固混凝土三点弯梁界面剪应力及剥离正应力的解析解。以此为基础,结合数字图像频域分析法对CFRP加固混凝土三点弯梁界面位移场进行光力学试验研究,得到了碳纤维片材粘贴端部界面剪应力与滑移量之间的关系曲线。作为对CFRP加固结构界面力学性能的补充研究,本文还对轴向拉伸铝试件粘贴CFRP后界面的变形情况进行了实验研究。以混凝土和CFRP片材的本构关系和变形特征为分析的基础,通过考察含裂纹的CFRP增强混凝土三点弯梁开裂的横截面的静力平衡关系,建立了承载力的理论解。与此同时,通过数字图像频域分析法,对CFRP增强含裂纹混凝土梁三点弯加载下裂纹尖端的位移场、应变场进行实验研究,较精确地获得了裂尖张开位移与荷载之间的关系曲线。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 纤维增强复合材料（CFRP）在混凝土结构加固中的应用
• 1.1.1 混凝土结构加固技术方法及现状
• 1.1.2 CFRP材料的技术特点
• 1.1.3 CFRP在结构加固中的应用
• 1.2 CFRP应用于混凝土结构加固中力学性质的研究现状及存在的问题
• 1.3 可用于CFRP加固混凝土梁实验研究中的实验方法的综述
• 1.4 本文工作
• 第二章 数字图像频域分析法原理及其在CFRP加固混凝土结构研究中应用的若干问题的讨论
• 2.1 数字图像频域分析法的基本原理
• 2.1.1 记录方法
• 2.1.2 数字图像频域分析法位移信息的提取
• 2.1.3 数字图像频域分析法的相移技术的原理
• 2.2 数字图像频域分析法在混凝土实验研究应用方面的若干问题的讨论
• 2.2.1 混凝土自然纹理表面与喷斑处理过表面对测试精度的影响
• 2.2.2 表面缺陷对数据的影响
• 2.2.3 刚体位移、过大变形的处理
• 2.3 位移的正确提取
• 2.4 数字图像频域分析法应用于混凝土结构位移及应变测试的精度分析
• 2.5 本章小结
• 第三章 加固结构中CFRP片材本身的力学性能
• 3.1 影响CFRP片材拉伸性能的主要因素
• 3.1.1 纤维对片材拉伸性能的影响
• 3.1.2 树脂对CFRP片材拉伸性能的影响
• 3.2 复合材料细观力学分析的基本假设
• 3.3 CFRP片材纵向弹性模量的解析解
• 3.4 CFRP片材纵向拉伸强度的复合材料力学解析解
• 3.5 CFRP片材纵向拉伸应力－应变关系及强度的细观数值模拟
• 3.5.1 几个基本概念
• 3.5.2 三维剪滞模型
• 3.5.3 单元中纤维强度的赋值
• 3.5.4 CFRP片材纵向拉伸强度的细观数值模拟的步骤
• 3.5.5 CFRP片材纵向拉伸应力应变关系的细观数值模拟的结果
• 3.6 CFRP片材力学性能的数字图像频域分析法的实验研究
• 3.6.1 试验概况
• 3.6.2 试验结果及图像分析
• 3.6.3 与理论计算的对比
• 3.6.4 实验现象分析
• 3.7 本章小结
• 第四章 CFRP混凝土三点弯梁界面的理论分析和实验研究
• 4.1 胶接部分的特点及粘结机理
• 4.2 双剪模型粘结面剪应力计算理论与方法
• 4.2.1 双剪实验模型受力状态
• 4.2.2 平衡方程的建立
• 4.2.3 界面应力分布规律解析解
• 4.2.4 胶层剪应力的参数分析
• 4.3 CFRP－混凝土界面粘结滑移本构模型
• 4.3.1 粘结滑移本构模型获取的方法
• 4.3.2 CFRP－混凝土界面剥离行为
• 4.3.3 现有界面模型
• 4.4 CFRP增强混凝土梁界面应力的解析解
• 4.4.1 界面剪应力及界面正应力控制方程
• 4.4.2 不考虑剪切变形的解析解
• 4.4.3 考虑剪切变形时解析解的推导
• 4.4.4 理论解计算及分析
• 4.5 CFRP增强混凝土三点弯梁界面变形的实验研究
• 4.6 CFRP增强单轴拉伸铝试件的实验研究
• 4.7 本章小结
• 第五章 CFRP加固含裂纹混凝土梁的理论分析及实验研究
• 5.1 CFRP增强含裂纹混凝土梁的基本参数
• 5.1.1 CFRP增强含裂纹混凝土梁的力学模型
• 5.1.2 混凝土的本构关系
• 5.1.3 CFRP的本构关系
• 5.1.4 素混凝土的应变软化模型q（w ）
• 5.2 增强含裂纹混凝土梁极限承载力的理论研究
• 5.2.1 横截面的静力平衡方程
• 5.2.2 极限承载力的理论解
• 5.3 CFRP增强含裂纹混凝土梁的实验研究
• 5.3.1 试件的制作及其基本参数
• 5.3.2 试件的试验过程及试验结果的记录
• 5.3.3 数字图像频域分析法实验记录及分析
• 5.4 本章小结
• 第六章 本文总结
• 6.1 本文所做工作的总结
• 6.2 可以进一步进行的工作设想
• 6.3 本文的创新之处
• 参考文献
• 发表论文和参加科研情况说明
• 致谢