CFL加固RC梁疲劳裂纹扩展规律及寿命预测

【摘要】：由于纤维增强复合材料(Fiber Reinforced Polymer,简称FRP)具有高强度、高弹模、耐腐蚀、易施工等众多优点,近年来在结构加固工程中得到广泛应用,人们也越来越关心其疲劳及耐久性能。采用FRP加固后的带缺陷钢筋混凝土(RC)构件在疲劳载荷作用下,其疲劳裂纹扩展寿命占总寿命的绝大部分,因此对FRP加固RC构件在疲劳载荷下的裂纹扩展规律研究具有重要的科学意义。此外,由于实际桥梁结构承受的载荷往往是随机载荷,因而对FRP加固RC构件在随机载荷下的疲劳性能和寿命预测的研究,对于合理确定结构的维修周期以及确保结构服役期的安全性及可靠性等方面具有重大的工程应用价值。 本文以采用本课题组所发明的新型碳纤维片材——碳纤维薄板(Carbon Fiber Laminate,简称CFL)加固的RC梁为研究对象,探讨了常幅载荷作用下CFL加固RC梁的疲劳裂纹扩展规律、以及在随机载荷下的疲劳性能及寿命预测方法。本文的主要研究内容及结论如下: 1)基于虚拟裂纹模型并考虑了断裂过程区对加固梁抗裂阻力的影响,推导出CFL加固RC梁的抗裂阻力计算公式,分析了其影响因素,给出了抗裂阻力曲线。分析结果表明,当裂纹相对高度α接近0.7时,加固梁的抗裂阻力迅速增加,这与实验观测结果一致;参数化分析结果表明,钢筋含量和碳纤维含量的变化对抗裂阻力的影响较为明显。 2)建立了三点弯曲载荷下含I型裂纹的CFL加固RC梁的断裂力学分析模型。其中,裂纹尖端附近区域的应力和应力强度因子的计算,系通过大型商用软件Ansys而建立的三维有限元模型予以实施。计算结果表明,随着裂纹相对高度α的增加,裂纹的应力强度因子KI先增加后减小,当α在0.3附近时,应力强度因子达到最大值;当α接近0.75时,KI趋于零。 3)对常幅疲劳载荷下CFL加固RC梁的主裂纹扩展规律进行了实验研究。结果表明,疲劳主裂纹扩展过程可分为三个阶段:起裂及快速扩展阶段,稳定扩展阶段,失稳扩展阶段。其中裂纹稳定扩展阶段占总疲劳寿命的95%以上。根据实验结果,给出了加固梁在常幅疲劳载荷作用下的a～N曲线。 4)根据a～N实验曲线,给出了第二阶段疲劳主裂纹扩展速率的半经验公式。式中,主裂纹(I型裂纹)的应力强度因子KI采用本文提出的公式进行计算。利用该半经验公式,可以方便地预测在I型断裂模式下加固梁的疲劳裂纹扩展寿命,并近似地预测加固梁的疲劳寿命。 5)采用弹性理论推导了加固梁跨中处界面裂纹附近区域的剪应力计算公式,并根据边界条件得到了闭合解。计算结果表明,跨中界面裂纹尖端处的剪应力最大,而随着至该点距离的增加,界面剪应力迅速减小;界面裂纹长度对剪应力的影响不大。 6)实施了界面疲劳裂纹(II型裂纹)扩展实验,得到了界面裂纹的a～N曲线,并据此给出了界面疲劳裂纹扩展速率的半经验公式。其中,界面裂纹应力强度因子KII的计算公式是基于周期裂纹的特点、以及上述界面裂纹附近区域的剪应力表达式而构成。利用该公式,可以预测在界面剥离破坏模式下加固梁的疲劳裂纹扩展寿命。 7)提出了基于线性疲劳累积损伤准则下的剩余寿命预测模型和剩余强度预测模型,并对CFL加固RC梁在随机载荷下的疲劳寿命进行了估算,给出了随机载荷作用下加固梁的理论S～N曲线;通过加固梁的随机疲劳实验探讨了预测模型的有效性。根据实验结果,对累积损伤准则中的损伤总量进行了修正,提出了修正后的剩余寿命预测模型。研究结果表明,考虑了初始承载力的剩余强度模型和修正后的剩余寿命模型对CFL加固RC梁随机疲劳寿命的预测结果较为准确。