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《大连理工大学》 2010年
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CFRP加固带缝混凝土梁的断裂特性

易富民  
【摘要】: 纤维增强复合材料(FRP)已在工程加固领域得到了广泛的应用,各国学者对FRP加固混凝土结构的正常使用性能展开了大量的研究工作,取得了诸多成果。然而,受多种因素的影响,待加固混凝土结构多存在初始裂缝,此时采用传统的强度理论来研究带缝混凝土结构的安全性已不再适宜。鉴于此,本文尝试基于断裂力学理论,采用试验与解析相结合的方法,对带缝钢筋混凝土梁和CFRP加固的带缝素混凝土梁的断裂特性进行了研究,揭示加固后带缝混凝土梁的破坏机理,并探讨钢筋、CFRP对混凝土裂缝扩展的阻止作用,以及混凝土裂缝扩展对钢筋、CFRP与混凝土界面粘结特性的影响。本文主要开展如下几方面的研究工作: (1)对带缝的素混凝土梁和钢筋混凝土梁进行了三点弯曲试验。研究了试件尺寸、初始缝高比对断裂特性的影响。通过试验揭示了钢筋对混凝土梁的承载力的作用及对混凝土裂缝的阻裂作用。在此基础上,基于非线性断裂力学,采用试验测得的荷载与裂缝口张开位移曲线(P-CMOD曲线),计算得到了P-CMOD曲线上各特征点处的应力强度因子。 (2)考虑混凝土裂缝扩展特性与钢筋/混凝土界面粘结滑移特性的耦合影响,提出了计算带缝钢筋混凝土梁断裂全过程的解析方法。基于断裂力学和线弹性理论,建立外荷载、钢筋和混凝土中的应力、混凝土裂缝扩展量、裂缝口张开位移、钢筋与混凝土界面剪应力之间的关系,分两种情况讨论了梁的断裂全过程,揭示了混凝土裂缝扩展与钢筋/混凝土界面粘结特性的相互关系。结果表明,解析计算结果与试验结果吻合良好,在此基础上,详细讨论了试件尺寸、初始裂缝长度、配筋率对带缝钢筋混凝土梁的混凝土裂缝扩展特性及承载力特性的影响。 (3)基于混凝土断裂过程区的虚拟裂缝粘聚力、钢筋与混凝土界面的相对滑移,及钢筋中拉力作用点位置的变化,提出了钢筋混凝土梁的裂缝扩展阻力曲线(KR阻力曲线)的计算方法。根据该方法编制的计算程序,得到了钢筋混凝土梁的KR阻力曲线,并探讨了试件尺寸及初始缝高比对KR阻力曲线的影响。 (4)对外贴CFRP加固的带缝混凝土梁进行了三点弯曲试验。通过试验研究了外贴CFRP加固带缝混凝土梁的断裂特性,描述了试件的断裂全过程,由此考察CFRP/混凝土界面剥离破坏与混凝土裂缝扩展的耦合效应。通过试验研究了外贴CFRP对混凝土裂缝的阻裂作用和对梁的承载力作用。基于虚拟裂缝模型,计算得到了P-CMOD曲线上各特征点的等效裂缝长度和应力强度因子,讨论了特征点应力强度因子的尺寸效应。在此基础上,基于测得的荷载—挠度曲线,采用评价弯曲韧性类似的方法计算了CFRP加固梁的延性,并探讨了试件尺寸和初始缝高比对断裂特性及延性的影响。 (5)考虑CFRP/混凝土界面粘结特性与混凝土裂缝扩展特性的综合影响,建立了计算外贴CFRP加固带缝混凝土梁断裂全过程的解析方法。采用试验测得的材料参数,计算了各级荷载作用下CFRP加固梁的承载力、裂缝扩展量、裂缝口张开位移、断裂过程区长度、CFRP与混凝土界面软化/剥离区长度、最大界面剪应力和CFRP中的拉应力等参量,将计算结果与试验结果进行对比和讨论,并通过数值方法作了进一步的验证,以揭示CFRP加固混凝土梁的断裂破坏机理。在此基础上,讨论了试件尺寸、初始裂缝长度、CFRP宽度和厚度等参数对加固梁断裂性能及承载力特性的影响。 (6)提出了外贴CFRP加固带缝混凝土梁裂缝扩展阻力的计算方法。采用指数形式的混凝土粘聚力本构关系及CFRP与混凝土界面的双线性粘结滑移本构关系,计算了荷载作用下混凝土的裂缝扩展量、CFRP中的拉应力及其合力作用点位置等特征参量。根据提出的计算方法编制计算程序,采用试验测得的参数,计算了外贴CFRP加固带缝混凝土梁的KR阻力曲线,并讨论了试件尺寸及初始缝高比对KR阻力曲线的影响。
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