湿热环境下CFRP加固RC梁疲劳主裂纹扩展规律研究
发布时间：2020-04-29 00:07
【摘要】：自上世纪九十年代以来,纤维增强复合材料(Fiber Reinforced Polymer,FRP)加固钢筋混凝土(RC)构件技术在世界各地被广泛应用于旧危桥的加固。对于FRP加固带裂纹的RC桥梁结构,一方面,在车辆荷载的反复作用下,疲劳裂纹会发生扩展,导致其疲劳寿命下降。另一方面,湿热环境等服役条件也会加剧裂纹的扩展,降低加固结构的疲劳寿命。为了探讨湿热环境对FRP加固RC构件中疲劳裂纹扩展行为的影响,本研究以RC桥梁为应用背景,以本课题组发明的碳纤维薄板(Carbon fiber laminate,CFL)加固RC梁为研究对象,考虑我国南方地区的湿热环境对FRP加固RC梁断裂性能的影响,利用数字图像相关(Digital Image Correlation,DIC)技术,探讨基于DIC技术测定混凝土裂纹尺寸、观测RC试件及CFL加固RC梁中疲劳裂纹的萌生、扩展过程的方法;提出计算湿热环境下加固梁疲劳主裂纹的应力强度因子的有限元方法,探讨湿热环境对疲劳裂纹扩展规律的影响机制。本文的主要研究内容和结论如下:(1)混凝土断裂性能测试及描述方法研究。研究结果表明:1)提出的基于DIC技术确定混凝土中裂纹尖端的方法是有效和可行的;2)基于载荷~裂口张开位移(P~CMOD)曲线计算断裂能的方法比基于载荷~位移(P~δ)曲线的方法更为准确;3)提出的基于双K断裂理论确定混凝土缺口试件的起裂断裂韧度、失稳断裂韧度和粘聚韧度的方法是有效和可行的;4)对于有限元模拟,在粘聚力模型中采用双线性的混凝土开裂软化本构关系能够更准确地模拟混凝土的断裂行为。(2)混凝土的疲劳裂纹扩展行为研究。研究结果表明:1)采用DIC技术能够对混凝土缺口试件的起裂、裂纹扩展和断裂全过程进行实时测量,比较准确地获得试件的a~N实验曲线;2)采用logistic函数对试件的a~N曲线进行拟合,可减小数据的离散性对计算疲劳裂纹扩展速率da/dN的影响;3)混凝土的疲劳裂纹扩展曲线表现为“减速/下降--增速/上升”的两阶段变化趋势。对于下降段,可采用?a作为参量;对于上升段,仍可用?K作为描述疲劳裂纹扩展速率da/dN的参量。(3)应力强度因子的有限元分析方法研究。研究结果表明:1)采用混凝土塑性损伤模型描述混凝土的受压和开裂行为,并引入考虑了环境影响的CFL-混凝土界面的粘结~滑移关系而建立的CFL加固RC梁的有限元模型,能够比较准确地模拟加固梁在三点弯曲荷载下的断裂行为;2)推导了湿热环境下FRP加固RC梁界面湿热应力的解析解。该解析解与有限元的计算结果较为吻合;3)与室温大气环境下的计算结果相比,考虑了湿热环境影响的CFL-混凝土界面的粘结-滑移本构关系的应力强度因子计算值略有提高;温度场对加固梁主裂纹的应力强度因子的影响比湿度场的影响大。(4)湿热环境下加固梁的疲劳主裂纹扩展规律研究。研究结果表明:1)基于本课题组研制的湿热环境模拟与控制系统可成功地开展湿热环境与循环载荷共同作用下CFL加固RC梁的疲劳裂纹扩展实验;采用DIC技术可对疲劳主裂纹萌生、扩展及破坏全过程进行实时跟踪测试;2)将提出的低荷载水平分级加载的湿热环境下疲劳裂纹萌生和扩展实验方法与三维DIC技术相结合,可获得湿热环境下CFL加固RC梁疲劳主裂纹的完整a~N曲线;3)疲劳裂纹扩展曲线可分为快速萌生和扩展、以及稳定扩展的两个阶段。在裂纹萌生和快速扩展阶段,其扩展规律可采用应力强度因子K与裂纹高度a的分段函数来描述;在稳定扩展阶段,可采用以K_(max)为参量的Paris公式来描述;4)疲劳主裂纹的扩展速率随环境温度的升高而提高,但相对湿度对疲劳主裂纹扩展速率的影响不明显。
【图文】：
FPZ）裂纹尖端处会出现尺寸较大的损伤区域，，该区程区（Fracture Process Zone，简称 FPZ）。在凝土试件的尺寸相比不能忽略，因此线弹性称 LEFM）不适用于描述混凝土的裂纹萌生near elastic fracture mechanics，简称 NLFM）土的开裂及扩展过程。Hillerborg 等[6]在 197Model，简称 FCM），裂纹的张开则被描述为在裂纹尖端处软化应力达到最大值 ft，如图 ~张开位移曲线，需要确定以下三个断裂参抗拉强度 ft和临界裂纹张开位移 wc。
子 KIC和临界裂尖张开位移 CTODC来描述混凝土的断裂行为。TPFM 基于非线学在考察混凝土断裂行为时并不需要完整的混凝土应力~变形或者应力~应变，该模型基于混凝土试件达到极限承载力前的非线性行为，利用经过修正的线力学准则来描述混凝土的断裂行为。徐世p
本文编号：2644015
【图文】：
FPZ）裂纹尖端处会出现尺寸较大的损伤区域，，该区程区（Fracture Process Zone，简称 FPZ）。在凝土试件的尺寸相比不能忽略，因此线弹性称 LEFM）不适用于描述混凝土的裂纹萌生near elastic fracture mechanics，简称 NLFM）土的开裂及扩展过程。Hillerborg 等[6]在 197Model，简称 FCM），裂纹的张开则被描述为在裂纹尖端处软化应力达到最大值 ft，如图 ~张开位移曲线，需要确定以下三个断裂参抗拉强度 ft和临界裂纹张开位移 wc。
子 KIC和临界裂尖张开位移 CTODC来描述混凝土的断裂行为。TPFM 基于非线学在考察混凝土断裂行为时并不需要完整的混凝土应力~变形或者应力~应变，该模型基于混凝土试件达到极限承载力前的非线性行为，利用经过修正的线力学准则来描述混凝土的断裂行为。徐世p
本文编号：2644015
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/cailiaohuaxuelunwen/2644015.html
