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碳纤维抗弯加固钢筋混凝土梁的剥离破坏研究

潘建伍  
【摘要】: 近十几年来,随着材料工业的发展,碳纤维增强复合材料(CFRP)在加固修复钢筋混凝土结构上的应用迅猛发展起来。CFRP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,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。本文采用理论推导、数值模拟、实验研究等手段,对CFRP抗弯加固钢筋混凝土梁的剥离破坏机理进行了系统研究,主要内容和成果如下: 对CFRP抗弯加固钢筋混凝土梁的极限荷载和破坏模式进行了黑箱预测。在极限荷载的预测上,提出了选择性小波网络集成(GAWNSEN)方法,通过与标准BP、标准RBF、GRNN、GASEN这四种方法的对比,显示出其泛化能力强等优点,在精度和稳定性上都符合工程实用预测的要求。在破坏模式的预测上,尝试用决策树提取属性重要度和决策规则,并用支持向量机方法进行精确预测。 采用双重三角级数和最小余能原理推导了符合边界条件的粘结应力公式,和基于Robert解法的公式进行了比较,并进行了参数分析:界面剪应力随梁跨增大而显著增大;当梁跨固定时,最主要的影响因素是锚固长度,即随锚固长度减小,界面剪应力显著增大;FRP弹模和厚度的影响也较大,与剪应力成正比;胶层厚度和弹模的影响较小。 编制了综合考虑裂缝在单一材料和界面内(采用VCCT方法)自动扩展的程序,研究片端混凝土保护层剥离破坏的裂缝发展过程,得到有关断裂参数规律:裂缝沿纵筋水平发展时是I型为主的复合型断裂,在这个过程中,在CFRP片端的相应长度内,混凝土-胶、胶-CFRP的界面剪应力减小并趋于0,该段CFRP逐渐丧失作用;裂缝沿界面扩展时以II型断裂为主,然而,正常情况下,混凝土-胶界面不是薄弱环节。在此基础上,提出了基于线性断裂理论的全新计算模型,推导了预测片端混凝土保护层剥离破坏时CFRP应变的公式,并用实验数据做了校核,其性能优于现有模型。 作为分析跨中剥离破坏的基础,对直剪试件进行了理论分析,证明当直剪试件粘结长度足够长时,极限剥离荷载和粘结滑移关系的具体形式无关,只与II型断裂能、CFRP弹模、宽度和厚度有直接关系。用散斑干涉(ESPI)作为测试技术进行了44个双剪试件的实验,得到破坏形态、粘结滑移关系、断裂能等规律:在保证胶层材料和施工质量的前提下,CFRP-混凝土粘结件的破坏发生在靠近界面的混凝土层中,是材料破坏而不是界面破坏,根据粘结滑移曲线的包络面积得到剥离破坏的偏保守的断裂能为0.3到0.8N/mm;粘结滑移曲线的峰值应力与混凝土立方体强度有关,应力峰值对应的滑移和极限滑移量受混凝土强度和CFRP形式等的影响不大,通过对滑移刚度变化规律的分析,提出了由非线性上升段和线性下降段两部分组成的CFRP-混凝土结合面粘结-滑移关系曲线的基本模式。 将直剪试件剥离荷载公式应用于梁时,必须考虑梁中的横向裂缝分布和剥离裂缝裂端约束应力的影响。对189个对比试件进行了计算,发现CFRP厚度对直剪试件与对应受弯试件的II型应力强度因子之比的影响最显著。通过数值模拟发现了横向裂缝对剥离荷载的影响规律。推导了预测跨中剥离破坏时CFRP应变的公式,并与现有模型做了比较。 最后对全文做了总结,指出考虑剥离破坏的CFRP抗弯加固钢筋混凝土梁的设计步骤和有待进一步研究的问题。


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