论文部分内容阅读
纤维增强复合材料（Fiber-Reinforced Polymer，简称FRP）因具有轻质、高强、耐久性好、可设计性强、便捷施工等一系列优点，近二十余年来被越来越多地应用于各类土木工程结构的增强与加固修复。FRP外贴加固混凝土结构构件是目前FRP在土木工程领域中研究最多、应用最广的增强结构形式，目前为止，国内外相关的研究已基本解决了常规环境与短期荷载下FRP外贴加固混凝土结构的破坏机理与受力设计等一系列基本问题。随着FRP在土木工程中研究与应用的逐渐深入，人们更加关心其长期耐久性能，尤其是在环境、荷载等多因素耦合作用下以及爆炸、冲击等极端荷载下的性能表现，但目前相关的研究还很不足，相关的性能评价体系和设计方法尚未建立。此外，目前FRP规范中FRP的设计系数大多还是基于经验或沿用传统钢筋混凝土结构的设计标准，而既有研究发现FRP材料及其增强结构的破坏模式与传统钢筋混凝土结构存在显著不同，FRP材料的脆性导致FRP增强结构的离散性显著高于传统钢筋混凝土结构，因此，亟需建立基于可靠性的FRP材料及其增强结构的设计方法，来保证FRP增强混凝土结构设计的安全和可靠。 FRP与混凝土界面具有良好的粘结性能是保证FRP外贴混凝土结构加固效果的关键因素，本文围绕多因素耦合作用下FRP片材-混凝土界面粘结性能这一关键问题，采用试验与理论相结合的研究方式，从FRP材料、FRP-混凝土界面以及FRP增强构件三个层面开展研究，具体的研究内容及成果包括: (1)通过宏观力学性能试验，研究了冻融循环与荷载耦合作用下以及碱性环境与高温作用下土木工程用三种典型FRP材料（BFRP、CFRP和GFRP）的拉伸性能退化规律，拉伸试验后，采用扫描电子显微镜(SEM)对其拉伸断口的微观形貌进行观测，发现纤维与树脂的界面脱粘是导致FRP宏观拉伸性能出现退化的主要原因。在此基础上，采用纤维混杂与树脂基体增韧改性的方法，实现了冻融循环以及碱性腐蚀环境下FRP材料耐久性能的有效提升。在试验发现的基础上，基于疲劳累积损伤理论建立了冻融与荷载耦合作用下FRP片材的耐久性退化模型，能够有效预测冻融环境作用后FRP材料的拉伸性能退化。进一步，对FRP拉伸性能的离散性进行了分析，通过与金属材料的类比，给出了常规环境与恶劣环境下FRP拉伸强度折减系数的建议取值。 (2)应用基于数字图像相关(DIC)的全场测试技术，分别采用对位移数据平滑处理和函数拟合的方法获取FRP-混凝土界面的粘结滑移关系，经过与应变片、位移计等直接测试手段的比较，验证了该方法的可靠性。一方面解决了传统点式应变测量法测点过少而导致的界面粘结滑移结果不精确的问题，另一方面避免了由DIC位移数据计算剪应力过程中两次差分计算带来的误差恶性放大的问题，为试验研究多因素耦合作用下FRP-混凝土界面粘结滑移关系的退化规律奠定了试验基础。 (3)针对常规环境与短期荷载下FRP-混凝土界面性能尚未研究透彻的若干问题，通过试验研究发现FRP种类、混杂FRP中纤维布的粘贴顺序及胶层的刚度韧性均对FRP-混凝土界面的粘结性能有一定影响，通过数值模拟方法获取FRP-混凝土界面的应力分布，验证了试验现象并解释了相关因素对界面性能影响的力学机理。 (4)基于耐久性试验掌握了冻融循环与荷载耦合作用下FRP-混凝土界面性能的退化规律，发现冻融环境下树脂及其与混凝土粘结性能的显著降低是FRP-混凝土界面性能退化的关键因素。进一步，对粘结树脂进行增韧改性处理，提高了冻融环境下粘结树脂抵抗微裂纹产生和扩展的能力，实现了FRP-混凝土界面抗冻融性能的有效提升。在此基础上，建立了冻融循环与荷载耦合作用下FRP-混凝土界面粘结滑移关系的退化模型，能够有效预测冻融循环作用后FRP-混凝土界面性能的退化，并对冻融环境下界面性能的离散性进行了分析。 (5)对具有多种材料属性的FRP片材-混凝土双面剪切试件进行了快速加载试验，发现FRP-混凝土界面具有明显的应变率效应，界面极限承载力、界面断裂能等界面性能指标随着应变率的增大而显著提高。在论文试验应变率范围内，混凝土强度较低的试件对应变率更为敏感，粘结树脂及FRP的性能和种类对界面性能的应变率效应影响不大。基于混凝土材料的应变率相关模型，建立了FRP片材-混凝土界面粘结滑移关系的应变率效应模型，对快速荷载下FRP-混凝土界面的性能进行了参数分析，并对界面性能的离散性进行了分析。 (6)对FRP片材外贴加固混凝土梁的跨中剥离问题进行可靠性分析，通过搜集文献资料，建立了包含217个发生跨中剥离破坏的FRP外贴加固混凝土梁的试验数据库，确定了模型误差的概率分布类型和特征参数。在此基础上，联合使用Monte Carlo数值抽样方法和当量正态验算点理论方法计算相应的结构可靠指标，对各影响因素进行了参数分析，发现计算模式的不确定性系数对结构可靠指标的影响最大，确定了满足目标可靠度要求的常规环境下几种典型跨中剥离模型FRP剥离应变折减系数的建议取值。进一步，结合多因素耦合作用下FRP-混凝土界面性能研究得到的结果，对冻融环境下FRP外贴加固混凝土梁的跨中剥离破坏模式进行了可靠性分析，给出了冻融环境下跨中剥离模型FRP剥离应变折减系数的建议取值。 论文最后对研究成果作了系统总结，梳理了论文的主要创新点，提出了以后亟待解决的关键问题及进一步的研究方向。