纖維薄板與混凝土構(gòu)件界面剝離斷裂機(jī)理的研究基本信息

對(duì)纖維薄板增強(qiáng)混凝土構(gòu)件的開裂性狀以及纖維薄板與混凝土的界面的剝離斷裂機(jī)理進(jìn)行理論和實(shí)驗(yàn)研究，構(gòu)筑界面剝離破壞的分析模型，提出復(fù)合材料的斷裂力學(xué)新理論，建立纖維薄板增強(qiáng)混凝土構(gòu)件的強(qiáng)度理論，對(duì)相關(guān)學(xué)科的發(fā)展，對(duì)橋梁、隧道、房屋等建筑物的抗震、防震、加固和維修，對(duì)新材料、新工藝、新結(jié)構(gòu)的開發(fā)等意義重大，應(yīng)用前景廣闊。 2100433B

廣義荷載下，纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（FRP）加固混凝土結(jié)構(gòu)往往因界面強(qiáng)度不足而發(fā)生界面剝離破壞。界面剝離過程復(fù)雜，試驗(yàn)觀測(cè)難度大。有限元法等數(shù)值模擬方法在粘結(jié)界面本構(gòu)模型、求解精度、網(wǎng)格重分和映射、大型非線性方程組求解、算法穩(wěn)定性和收斂性等方面尚存不足。目前大部分研究針對(duì)靜載下的界面剝離問題，沖擊、碰撞和爆炸等動(dòng)載作用下的界面剝離機(jī)理尚不明確。本項(xiàng)目擬基于Griffith應(yīng)變能釋放率推導(dǎo)和驗(yàn)證一種普適的彈塑性復(fù)合型裂縫擴(kuò)展準(zhǔn)則，結(jié)合面內(nèi)剪切試驗(yàn)建立合理的率相關(guān)界面單元本構(gòu)模型，在FEM-SBFEM耦合技術(shù)、局部弧長(zhǎng)法、高效的網(wǎng)格重分和映射技術(shù)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)沖擊荷載下FRP-混凝土界面動(dòng)態(tài)剝離全過程的快速顯式模擬，并與精細(xì)有限元和沖擊試驗(yàn)相互驗(yàn)證。通過參數(shù)分析揭示應(yīng)變率效應(yīng)、慣性效應(yīng)、加載速率和粘結(jié)材料特性等因素對(duì)界面剝離宏觀規(guī)律和微觀表征的影響，為FRP加固混凝土結(jié)構(gòu)的安全性研究奠定重要基礎(chǔ)。 2100433B

本項(xiàng)目經(jīng)過三年的研究，取得了下述的研究成果：（1）引入未計(jì)及微尺度效應(yīng)的薄膜彈塑性撕裂模型和三種雙參數(shù)擴(kuò)展準(zhǔn)則，描述AFRP/混凝土端部界面剝離破壞形態(tài)。采用ABAQUS軟件，結(jié)合ABAQUS損傷斷裂原理，定義內(nèi)聚力模型的損傷和開裂行為來模擬粘結(jié)界面性能。建立了描述AFRP端部界面剝離破壞二維平面彈塑性模型，采用四點(diǎn)彎曲加載，考慮在不同AFRP加固量的情況下，研究端部界面剝離破壞規(guī)律。將二維剝離破壞模型擴(kuò)展到三維，充分考慮加固梁的各組成部分，研究了不同AFRP加固量在混凝土梁端部發(fā)生剝離破壞時(shí)各組分的力學(xué)性能。（2）基于AFRP片材-混凝土界面粘結(jié)樹脂的微觀結(jié)構(gòu)形態(tài)，引入微觀結(jié)構(gòu)特征參數(shù)，依據(jù)摩擦理論及變形層理論等界面理論提出一個(gè)新的AFRP片材-混凝土界面本構(gòu)模型。（3）根據(jù)預(yù)應(yīng)力和非預(yù)應(yīng)力芳綸纖維片材加固鋼筋混凝土梁的四點(diǎn)彎曲破壞特性，首先借鑒和采用復(fù)合材料力學(xué)的基本理論，建立含缺陷或損傷的分層分析模型，求出各子層的應(yīng)力或位移分布，并結(jié)合線彈性斷裂力學(xué)中的能量法，研究了芳綸纖維片材加固含微裂紋的鋼筋混凝土梁的初始開裂問題。然后推廣上述剪滯分析模型，建立計(jì)及纖維逐步斷裂、局部芳綸纖維片材/混凝土界面剝離的應(yīng)力重新分布計(jì)算模型，并采用統(tǒng)計(jì)斷裂理論，研究預(yù)應(yīng)力和非預(yù)應(yīng)力芳綸纖維片材加固鋼筋混凝土梁的破壞機(jī)理、開裂荷載和極限承載力，獲得了與實(shí)驗(yàn)較吻合的計(jì)算結(jié)果。（4）根據(jù)Fick第二定律擴(kuò)散控制方程，推導(dǎo)了以環(huán)境相對(duì)濕度為全局變量的濕度控制方程，求解了AFRP片材與混凝土梁的濕擴(kuò)散率和濕含量關(guān)于相對(duì)濕度的一般表達(dá)式，建立界面層本構(gòu)關(guān)系。（5）采用ABAQUS的質(zhì)量擴(kuò)散模塊，對(duì)AFRP纖維和UHL/EP復(fù)合材料及AFRP加固混凝土梁的吸濕行為進(jìn)行了有限元模擬分析，利用溫度-結(jié)構(gòu)耦合模塊研究了不同時(shí)刻材料內(nèi)部的吸濕應(yīng)力及界面損傷。結(jié)果表明：界面處的吸濕應(yīng)力水平明顯高于其他的區(qū)域，AFRP材料端部由于吸濕容易發(fā)生剝離破壞。（6）在經(jīng)典連續(xù)介質(zhì)力學(xué)的框架內(nèi)，通過加入表面能的影響，研究了納米材料彈性性能的尺寸依賴性。本項(xiàng)目的研究成果為AFRP加固混凝土結(jié)構(gòu)提供了重要的理論依據(jù)，至結(jié)題時(shí)止，共發(fā)表論文11篇，其中在國(guó)內(nèi)外重要刊物上發(fā)表論文8篇，在國(guó)際會(huì)議上發(fā)表論文3篇，SCI收錄1篇，EI收錄9篇，另有待發(fā)表論文3-4篇，圓滿高質(zhì)量地完成原定的研究計(jì)劃。 2100433B