基于"梁段"跨中FRP-混凝土界面剪应力数值计算

纤维复合材料(FRP)加固混凝土梁跨中可能发生剥离破坏,研究者已提出几种计算FRP-混凝土粘结界面剪应力τ的方法,但所得结果有较大的差异.本文先通过典型的FRP-混凝土界面的粘结-滑移本构关系和FRP加固梁实验结果,评估既有计算方法存在的问题.进而提出一个简单的"梁段"有限元计算模型,并证实其合理性和可靠性.再用此模型计算讨论了多种参数影响下的FRP-混凝土界面剪应力τ分布特征.基于实验研究和有限元计算结果,指出FRP-混凝土界面剪应力最大值τu不适合作为剥离破坏准则,并建议考虑将滑移量最大值δ作为FRP-混凝土界面的剥离破坏准则.     

CFRP-混凝土界面粘结的疲劳性能试验研究

外贴FRP是重要的混凝土结构加固技术,但目前对外贴FRP加固混凝土结构的疲劳性能研究尚不充分,尤其对FRP-混凝土粘结界面的疲劳退化规律和破坏模式的研究更为缺乏。本文采用双面剪切试件,通过2个静载试件和4个疲劳试件的试验研究,考察了粘结长度和胶层厚度等因素对FRP-混凝土界面粘结疲劳性能的影响。通过分析沿粘结长度的FRP应变分布在疲劳循环过程中和疲劳后静载过程中的变化情况,讨论了不同粘结长度和粘结胶层厚度条件下的粘结界面疲劳退化规律和疲劳后静载性能。试验结果表明:胶层树脂-混凝土粘结界面是发生疲劳剥离破坏的薄弱环节;胶层厚度增大时,由于疲劳引起的界面损伤累积发展显著减小,疲劳后静载中胶层厚度较大试件的粘结承载力也更大;粘结长度增大时,界面粘结呈现更为明显的损伤退化,但由于试验粘结长度小于有效粘结长度,疲劳后的静粘结承载力仍更大。     

FRP加固梁的FRP-混凝土界面脱胶分析

为了研究纤维增强聚合物(fiber reinforced polymer, FRP) 加固梁的FRP-混凝土界面脱胶破坏过程,本文将混凝土梁和FRP 板均视为线弹性的欧拉-伯努利梁(Euler-Bernoulli beams), 且两者通过粘结层胶结在一起. 对于FRP-混凝土结构,有两种形式的脱胶破坏：板端脱胶破坏和跨中裂缝导致的脱胶破坏.对于FRP-混凝土梁,利用合理的粘结模型按第2 种脱胶失效形式,详细讨论了FRP-混凝土界面的脱胶过程,得到了不同阶段的胶结滑移、界面剪应力和FRP 轴向力的解析解. 实验研究验证了理论分析的结果,参数研究进一步探讨了胶结长度和粘结层厚度对于FRP-混凝土界面脱胶行为的影响.     

纤维增强混凝土材料的界面剪应力分布研究

针对纤维与混凝土界面的破坏过程,提出了几种简化的粘结-滑移本构模型,以双线性局部粘结-滑移本构模型为基础,在受力平衡和变形协调的基本原理基础上,推导了纤维脱粘过程中界面剪应力的解析解.采用弹簧粘结单元,通过数值方法模拟了纤维与混凝土之间的粘结-滑移过程,给出了纤维与混凝土界面脱粘过程中界面剪应力的分布、变化情况.对解析解、有限元计算结果和试验结果之间的差异进行了对比分析,验证了简化模型的合理性和有效性.     

型钢轻骨料混凝土粘结滑移本构关系研究

本文研究了型钢与轻骨料混凝土的局部粘结滑移本构关系. 在型钢表面刻槽贴应变片,并在与型钢应变片对应位置的混凝土表面贴应变片,由试验结果和分析：得到了型钢表面粘结应力沿锚固长度的负指数分布函数;绘制了局部滑移分布曲线;给出了加载端局部粘结滑移本构关系. 局部最大粘结应力主要与混凝土强度、配箍率、混凝土相对保护层厚度有关. 引入粘结滑移本构关系的型钢轻骨料混凝土梁有限元分析结果和试验结果吻合较好.     

金属/环氧/金属粘结体系的强韧和失效机制实验研究

本文系统地开展了金属/环氧/金属胶结体系的强韧机理及失效行为实验研究,针对铝合金圆棒与铝合金圆棒通过环氧树脂胶层的各种斜截面方向粘结,实验观测了该体系的拉伸变形和失效行为,测量了界面失效载荷对胶层厚度和粘结界面倾斜角的依赖关系;通过引入胶结界面平均正应力、平均剪应力、平均正应变、平均剪应变等概念,可对界面失效强度进行测量,获得界面强度与界面粘结角度以及胶层厚度的关系,进而获得了铝合金/环氧胶层/铝合金体系的强度失效面以及胶结界面的断裂能和胶结体系的能量释放率.上述研究结果为深入认识金属胶结体系的强韧性能和失效机制提供了科学依据,对金属胶结体系的优化设计和性能评判具有重要指导意义.研究结果表明,铝合金/环氧胶层/铝合金体系的拉伸失效总体呈弹脆性破坏特征,失效表现为胶层粘结界面的断裂,失效强度和界面断裂能在胶层厚度为百微米量级时表现出强烈的尺度效应:界面粘结强度随着胶层厚度的减小而显著增大,临界状态的平均正应力和平均剪应力在强度破坏面上近似位于同一圆上,界面断裂能随着胶层厚度的减小而显著减小;与此同时,界面失效强度和界面断裂能也密切依赖于界面粘结角度.     

EXPERIMENTAL INVESTIGATIONS OF STRENGTH,TOUGHNESS AND FAILURE MECHANISM OF THE METAL/EPOXY/METAL ADHESIVE SYSTEM

本文系统地开展了金属/环氧/金属胶结体系的强韧机理及失效行为实验研究，针对铝合金圆棒与铝合金圆棒通过环氧树脂胶层的各种斜截面方向粘结，实验观测了该体系的拉伸变形和失效行为，测量了界面失效载荷对胶层厚度和粘结界面倾斜角的依赖关系；通过引入胶结界面平均正应力、平均剪应力、平均正应变、平均剪应变等概念，可对界面失效强度进行测量，获得界面强度与界面粘结角度以及胶层厚度的关系，进而获得了铝合金/环氧胶层/铝合金体系的强度失效面以及胶结界面的断裂能和胶结体系的能量释放率.上述研究结果为深入认识金属胶结体系的强韧性能和失效机制提供了科学依据，对金属胶结体系的优化设计和性能评判具有重要指导意义.研究结果表明，铝合金/环氧胶层/铝合金体系的拉伸失效总体呈弹脆性破坏特征，失效表现为胶层粘结界面的断裂，失效强度和界面断裂能在胶层厚度为百微米量级时表现出强烈的尺度效应：界面粘结强度随着胶层厚度的减小而显著增大，临界状态的平均正应力和平均剪应力在强度破坏面上近似位于同一圆上，界面断裂能随着胶层厚度的减小而显著减小；与此同时，界面失效强度和界面断裂能也密切依赖于界面粘结角度.     

基于能量守恒理论的带肋钢筋-混凝土粘结滑移本构关系研究

针对钢筋-混凝土粘结滑移的劈裂破坏模式,将整个破坏过程分为未开裂的弹性阶段和带裂缝阶段。弹性阶段采用弹性厚壁圆筒模型,带裂缝阶段采用考虑混凝土软化特性的厚壁圆筒模型。基于这两种模型,研究了粘结滑移劈裂破坏过程的能量变化规律,推导出了两种模型的能量计算公式。利用能量守恒定律建立了钢筋-混凝土粘结滑移本构关系的微分方程,并通过数值积分方法得到了粘结滑移本构模型。该本构模型能够体现混凝土与钢筋材料参数和几何参数的影响,对不同形状的粘结滑移关系曲线具有较好的适应性。最后,将得到的本构关系与文献的试验结果进行对比,并分析了各参数的变化规律。     

钢筋与混凝土粘结本构关系数值模拟

钢筋与混凝土间的粘结本构关系是混凝土结构弹性有限元分析的基础之一.针对这一基本问题，本文提出了通过数值模拟方法研究粘结本构关系的思路.采用不连续介质力学问题的界面元法,编制了在维问题的界面元分析程序,用以对混凝土结构中钢筋与混凝土界面的粘结性能进行细观力学分析.通过对两类测量粘结应力及滑移的典型试件(单端拉拔试件和两端对拉试件)的分析,表明计算结果与试验结果吻合良好.     

钢筋与混凝土粘结本构关系的数值模拟

钢筋与混凝土间的粘结本构关系是混凝土结构弹塑性有限元分析的基础之一。针对这一基本问题，本文提出了通过数值模拟方法研究粘结本构关系的思路。采用不连续介质力学问题的界面元法，编制了三维问题的界面元分析程序，用以对混凝土结构中钢筋与混凝土界面的粘结性能进行细观力学分析。通过对两类测量粘结应力以及滑移的典型试件(单端拉拔试件和两端对拉试件)的分析，表明计算结果与试验结果吻合良好。     

A three-parameter elastic foundation model for interface stresses in curved beams externally strengthened by a thin FRP plate

Externally bonding of fiber reinforced polymer (FRP) plates or sheets has become a popular method for strengthening reinforced concrete structures. Stresses along the FRP–concrete interface are of great importance to the effectiveness of this type of strengthening because high stress concentration along the FRP–concrete interface can lead to the FRP debonding from the concrete beam. In this study, we develop an analytical solution of interface stresses in a curved structural beam bonded with a thin plate. A novel three-parameter elastic foundation model is used to describe the behavior of the adhesive layer. This adhesive layer model is an extension of the two-parameter elastic foundation commonly used in existing studies. It assumes that the shear stress in the adhesive layer is constant through the thickness, and the interface normal stresses along two concrete/adhesive and adhesive/FRP interfaces are different. Closed-form solutions are obtained for these two interfacial normal stresses, shear stress within the adhesive layer, and beam forces. The validation of these solutions is confirmed by finite element analysis.     

Debonding of FRP-plated reinforced concrete beam,a bond-slip analysis. I. Theoretical formulation

External bonding of FRP plates or sheets has emerged as a popular method for strengthening reinforced concrete. Debonding along the FRP–concrete interface can lead to premature failure of the structure. In this study, a bond-slip model is established to study the interface debonding induced by a flexural crack in a FRP-plated concrete beam. The reinforced concrete beam and FRP plate are modeled as two linearly elastic Euler–Bernoulli beams bonded together through a thin layer of FRP–concrete interface. The interface layer is essentially modeled as a large fracture processing zone of which the stress–deformation relationship is described by a nonlinear bond-slip model. Three different bond-slip models (bi-linear, triangular and linear-damaging) are used. By dividing the debonding process into several stages, governing equations of interfacial shear and normal stresses are obtained. Closed-form solutions are then obtained for the interfacial shear and normal stresses and the deflection of the beam in each stage of debonding. In such a way, the proposed model unifies the whole debonding process, including elastic deformation, debonding initiation and growth, into one model. With such a superior feature, the proposed model provides an efficient and effective analytical tool to study FRP–concrete interface debonding.     

复合材料层合板单搭胶接力学性能检测技术与分析

胶接工艺缺陷对单搭胶接接头的拉伸剪切性能有着重要的影响。为了研究不同单搭接胶接层厚度对不同材质复合材料层合板胶接性能的影响规律,通过喷水穿透法超声C扫描对试样的剪切区域进行无损检测,并分别采用1mm、2mm、4mm的胶层厚度,以碳纤维/玻璃纤维复合材料层合板为被粘物,进行单搭胶接拉伸剪切性能试验。检测及试验结果表明:当胶层厚度h1mm时,对于相同材料的被粘物,胶层厚度越大,试件胶接接头剪切强度越小;相同的粘接剂厚度,以碳纤维增强复合材料板为被粘物的试件胶接接头剪切强度大于以玻纤增强复合材料板为被粘物的试件胶接接头强度;胶粘剂与碳纤维被粘物表面的润湿效果要优于胶粘剂与玻纤被粘物表面的润湿效果。     

FRP-混凝土界面剥离破坏过程并行数值模拟

采用材料真实破裂过程三维并行分析(RFPA~(3D)-Parallel)系统,对FRP-混凝土界面的粘结性能进行了三维并行数值试验研究,数值试验再现了FRP-混凝土构件的三维破裂过程演化过程,清晰地表明拉伸载荷作用下FRP-混凝土界面剥离破坏是一个细观损伤不断产生和宏观裂缝形成的渐进过程,FRP-混凝土结构损伤演化过程...     

Cohesive zone model of intermediate crack-induced debonding of FRP-plated concrete beam

External bonding of FRP plates or sheets has emerged as a popular method for strengthening reinforced concrete structures. Debonding along the FPR–concrete interface can lead to premature failure of the structures. In this study, debonding induced by a flexural crack in a FRP-plated concrete beam is analyzed through a nonlinear fracture mechanics method. The concrete beam and FRP plate are modeled as linearly elastic simple beams connected together through a thin layer of FRP–concrete interface. A bi-linear cohesive (bond-slip) law, which has been verified by experiments, is used to model the FRP–concrete interface as a cohesive zone. Thus a cohesive zone model for intermediate crack-induced debonding is established with a unique feature of unifying the debonding initiation and growth into one model. Closed-form solutions of interfacial stress, FRP stress and ultimate load of the plated beam are obtained and then verified with the numerical solutions based on finite element analysis. Parametric studies are carried out to demonstrate the significant effect of FRP thickness on the interface debonding. The bond-slip shape is examined specifically. In spite of its profound effect on softening zone size, the bond-slip shape has been found to have little effect on the ultimate load of the plated beam. By making use of such a unique feature, a simplified explicit expression is obtained to determine the ultimate load of the plated concrete beam with a flexural crack conveniently. The cohesive zone model in this study also provides an efficient and effective way to analyze more general FRP–concrete interface debonding.     

表层嵌贴CFRP板条-混凝土界面粘结应力模型的试验与理论研究

为研究寒冷地区饱和砂岩的冻融损伤机理,采用DMA450伺服压机,在静载100N、动载80N、波动频率5～200Hz、温度-40～40℃的条件下,进行了饱和砂岩在不同频率正弦波单轴载荷作用下杨氏模量随温度变化的实验研究,获得滞(粘)弹性的弛豫衰减,以及有衰减引起的砂岩样品微结构变化情况。结果表明：饱和砂岩的杨氏模量和弹性波速度随温度升高而降低,随频率提高而增大; -40～20℃温度范围是冻融损伤最严重的区域。同时,在三种低频条件下(1.6Hz、2.8Hz和5.0Hz)用共振法在0℃获得相变衰减峰,反映了饱和砂岩的冻胀融缩效应,其产生的应力导致了饱和砂岩的损伤。从机理来看,前者是微观缺陷的演变,长期积累会导致破坏;后者是一种物理风化作用造成的宏观损伤。本文结果可为研究寒冷地区饱和岩石冻融损伤的机理及规律提供一定的参考。