FRP-混凝土界面行為研究

1、FRP-混凝土界面行為研究(1)FRP-混凝土界面犯罪行為研究（1）第一章緒論1.1FRP修整混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)及研究概況纖維增強(qiáng)塑料（FiberReinforcedPolymer，縮寫為FRP）最早用作軍工和航空航天領(lǐng)域。FRP種類主要包含碳纖維增強(qiáng)塑料（CarbonFiberReinforcedPolymer，縮寫為CFRP）、玻璃纖維增強(qiáng)塑料（GlassFiberReinforcedPolymer，縮寫為GFRP）和芳綸纖維增強(qiáng)塑料（AramidFiberReinforcedPolymer，縮寫為AFRP）。近年來(lái)，F(xiàn)RP材料因其較好的結(jié)構(gòu)性能和耐久性能夠而逐漸轉(zhuǎn)為民用領(lǐng)域，尤其就是在土木工

2、程中的應(yīng)用領(lǐng)域獲得快速發(fā)展。1981年，瑞典的Meier首次使用粘貼CFRP片材修整了Ebach橋1。日本在1995年阪神地震后，使用FRP布對(duì)高速公路橋墩柱alternate快速修整，并使交通運(yùn)輸很快獲得恢復(fù)正常，獲得了時(shí)間，同時(shí)也打下了FRP材料在土木工程領(lǐng)域應(yīng)用領(lǐng)域的基礎(chǔ)，受工程界的廣為注重。此后，采用FRP片材替代鋼板展開結(jié)構(gòu)修整的方法在日本、美國(guó)和歐洲等發(fā)達(dá)國(guó)家獲得突飛猛進(jìn)的發(fā)展，有關(guān)高等學(xué)校和科研機(jī)構(gòu)資金投入了許多研究力量。迄今，國(guó)外在使用FRP對(duì)混凝土構(gòu)件的受彎、受剪和抗震修整等方面展開了較多的試驗(yàn)研究，并尚無(wú)大量的工程應(yīng)用領(lǐng)域。詳細(xì)歸納FRP修整混凝土結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)為：(1)FRP

3、材料輕且厚，基本不減少原結(jié)構(gòu)蔡國(guó)用及原構(gòu)件尺寸；(2)高強(qiáng)高效率，能有效率提升混凝土結(jié)構(gòu)的承載力和延性，提升其受力性能；(3)施工方便快捷，沒燙作業(yè)，不須要大型施工機(jī)具，無(wú)須現(xiàn)場(chǎng)緊固設(shè)施，施工擠占場(chǎng)地太少；(4)具備較強(qiáng)的耐腐蝕性能夠；1991年美國(guó)混凝土協(xié)會(huì)設(shè)立了ACI440委員會(huì)，負(fù)責(zé)管理積極開展FRP修整混凝土與砌體結(jié)構(gòu)的研究。1993年ACI在加拿大主辦了第一屆國(guó)際FRP專題會(huì)議，此后每?jī)赡昱e行一次，分別在比利時(shí)、日本、美國(guó)、英國(guó)和新加坡舉行了6屆FRP修整混凝土國(guó)際會(huì)議。美國(guó)(ACI)2、加拿大(ISISCanada)3、歐洲(fib)4、日本(JSCE)5、英國(guó)(ConcreteS

4、ociety)6等國(guó)已制定了修整FRP混凝土結(jié)構(gòu)規(guī)程或指南。 HYPERLINK /wygw/gzjh/ 我國(guó)從1997年開始從國(guó)外引入FRP加固混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)，并進(jìn)行相關(guān)研究。由于其巨大的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，在短短的時(shí)間內(nèi)很快形成研究和工程應(yīng)用的熱點(diǎn)。清華大學(xué)、東南大學(xué)、同濟(jì)大學(xué)、天津大學(xué)、國(guó)家工業(yè)建筑診斷與改造工程技術(shù)研究中心、中國(guó)建筑科學(xué)研究院等近十個(gè)科研院所開展了相應(yīng)的研究，并獲得國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目和國(guó)家“863”計(jì)劃資助。中國(guó)土木工程學(xué)會(huì)混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土分會(huì)于2000年6月成立了“纖維增強(qiáng)塑料及其工程應(yīng)用專業(yè)委員會(huì)”，并在北京召開我國(guó)首屆FRP混凝土結(jié)構(gòu)學(xué)術(shù)交流會(huì)。中國(guó)工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化

5、協(xié)會(huì)2003年出版了碳纖維片材加固混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程，對(duì)推廣FRP在我國(guó)的應(yīng)用起到很大的推動(dòng)作用。目前正在編制全國(guó)性的FRP技術(shù)規(guī)范，將涵蓋更多的應(yīng)用范圍。由于FRP材料強(qiáng)度很高，因此FRP修整混凝土結(jié)構(gòu)往往不是由于FRP材料折斷毀壞，而是由于FRP-混凝土界面強(qiáng)度嚴(yán)重不足引致拆分毀壞。尤其用FRP對(duì)混凝土梁展開PR320或抗剪修整時(shí)，辨認(rèn)出大量試件發(fā)生界面毀壞。因此，F(xiàn)RP-混凝土界面問題淪為FRP應(yīng)用領(lǐng)域研究的一個(gè)重點(diǎn)和難點(diǎn)。由于FRP在土木工程中的應(yīng)用領(lǐng)域先于理論，故迄今為止，對(duì)FRP修整混凝土構(gòu)件展開了大量的試驗(yàn)研究，而理論研究則相對(duì)落后7,8。比如，F(xiàn)RPPR320修整的試驗(yàn)研究和應(yīng)

6、用領(lǐng)域晚在上世紀(jì)90年代初就已經(jīng)已經(jīng)開始，但直至90年代末期才構(gòu)成設(shè)計(jì)公式，且這些公式的離散性非常大8；FRP-混凝土界面導(dǎo)電-位移本構(gòu)關(guān)系，也直至1999年才有人明確提出很堅(jiān)硬的排序模型9，且這些模型的計(jì)算結(jié)果同樣和試驗(yàn)結(jié)果差距甚小。我國(guó)目前有關(guān)規(guī)范規(guī)程上對(duì)FRP-混凝土界面犯罪行為的有關(guān)排序還基本處在空白狀態(tài)10。所以，目前很存有必要對(duì)FRP-混凝土的界面犯罪行為，從力學(xué)機(jī)理、數(shù)值模型和設(shè)計(jì)公式方面展開深入細(xì)致的研究。由于FRP-混凝土拆分毀壞屬界面毀壞問題，牽涉到繁雜的材料非線性、幾何非線性、脫落及裂縫拓展等繁雜力學(xué)犯罪行為，因此研究的難度很大。從試驗(yàn)方面，很難通過(guò)試驗(yàn)手段觀測(cè)界面下混凝

7、土內(nèi)部微裂縫的出現(xiàn)以及拓展過(guò)程，進(jìn)而也就很難介紹其拆分毀壞的機(jī)理；從理論方面，界面非線性犯罪行為使基本上無(wú)法獲得理想的解析求解。因此，須要在試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，實(shí)行適度的數(shù)值方法，演示其毀壞過(guò)程，進(jìn)而表述其內(nèi)在機(jī)理。從上世紀(jì)Ngo&Scordelis11首次用有限元方法分析鋼筋混凝土問題以來(lái)，混凝土數(shù)值計(jì)算方法獲得了非常快的發(fā)展12-15。數(shù)值方法，特別就是有限元技術(shù)，已經(jīng)淪為分析混凝土問題的關(guān)鍵工具。通過(guò)數(shù)值演示，可以大大減少試驗(yàn)工作量。更關(guān)鍵的就是，數(shù)值模型可以確定各種偶然因素阻礙，更準(zhǔn)確地闡明問題內(nèi)在機(jī)理，特別是在分析混凝土的內(nèi)部脫落16-18、界面毀壞19-22等問題上有著獨(dú)有的優(yōu)勢(shì)。因

8、為這些毀壞過(guò)程都和混凝土內(nèi)部微裂縫積極開展密切相關(guān)，而試驗(yàn)方法觀測(cè)這些微裂縫又非常困難。數(shù)值方法則可以確切地獲得內(nèi)部微裂縫的發(fā)展過(guò)程，介紹毀壞的內(nèi)在機(jī)理。在根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果恰當(dāng)標(biāo)定數(shù)值模型有關(guān)參數(shù)的基礎(chǔ)上，還可以基于數(shù)值模型獲得適當(dāng)?shù)某休d力設(shè)計(jì)公式。1.2本課題研究目的、內(nèi)容和路線 HYPERLINK /wgzl/ 如前所述，目前對(duì)FRP加固混凝土已經(jīng)進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究，而數(shù)值模型和力學(xué)機(jī)理研究得還很不夠。因此本研究在充分收集現(xiàn)有試驗(yàn)資料的基礎(chǔ)上（共收集了254個(gè)面內(nèi)剪切試驗(yàn)記錄，80個(gè)受彎加固剝離試驗(yàn)記錄和69個(gè)受剪加固剝離試驗(yàn)記錄）(1)通過(guò)大量排序探討，明確提出能恰當(dāng)演示FRP-混凝土各種

9、界面毀壞犯罪行為的數(shù)值模型；(2)基于數(shù)值模型計(jì)算結(jié)果，尤其就是數(shù)值模型中提供更多的界面裂縫積極開展、界面導(dǎo)電形變?cè)a(chǎn)等關(guān)鍵信息，對(duì)各種界面毀壞的力學(xué)犯罪行為予以探討，充分認(rèn)識(shí)拆分毀壞的內(nèi)在機(jī)理；(3)在充分認(rèn)識(shí)其內(nèi)在機(jī)理的情況下明確提出適當(dāng)?shù)某休d力計(jì)算公式，并使之可以精確預(yù)測(cè)各種界面拆分承載力，且形式直觀、排序便利，為安全、經(jīng)濟(jì)地采用FRP修整技術(shù)打下基礎(chǔ)。本課題的研究路線為：(1)充份搜集現(xiàn)有的試驗(yàn)和理論研究成果，并探討其合理性及存有的問題；(2)以面內(nèi)剪切試驗(yàn)為基礎(chǔ)，明確提出可信的數(shù)值模型，探討面內(nèi)剪切拆分的毀壞機(jī)理，并獲得FRP-混凝土界面的導(dǎo)電-位移本構(gòu)關(guān)系；(3)利用面內(nèi)剪切研究獲得的數(shù)值模型和界面