纖維薄板與混凝土構(gòu)件界面剝離斷裂機理的研究項目摘要

對纖維薄板增強混凝土構(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理進行理論和實驗研究，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，建立纖維薄板增強混凝土構(gòu)件的強度理論，對相關(guān)學(xué)科的發(fā)展，對橋梁、隧道、房屋等建筑物的抗震、防震、加固和維修，對新材料、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，纖維增強復(fù)合材料（FRP）加固混凝土結(jié)構(gòu)往往因界面強度不足而發(fā)生界面剝離破壞。界面剝離過程復(fù)雜，試驗觀測難度大。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靜載下的界面剝離問題，沖擊、碰撞和爆炸等動載作用下的界面剝離機理尚不明確。本項目擬基于Griffith應(yīng)變能釋放率推導(dǎo)和驗證一種普適的彈塑性復(fù)合型裂縫擴展準則，結(jié)合面內(nèi)剪切試驗建立合理的率相關(guān)界面單元本構(gòu)模型，在FEM-SBFEM耦合技術(shù)、局部弧長法、高效的網(wǎng)格重分和映射技術(shù)的基礎(chǔ)上實現(xiàn)沖擊荷載下FRP-混凝土界面動態(tài)剝離全過程的快速顯式模擬，并與精細有限元和沖擊試驗相互驗證。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

本項目經(jīng)過三年的研究，取得了下述的研究成果：（1）引入未計及微尺度效應(yīng)的薄膜彈塑性撕裂模型和三種雙參數(shù)擴展準則，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)力重新分布計算模型，并采用統(tǒng)計斷裂理論，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理、開裂荷載和極限承載力，獲得了與實驗較吻合的計算結(jié)果。（4）根據(jù)Fick第二定律擴散控制方程，推導(dǎo)了以環(huán)境相對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散率和濕含量關(guān)于相對濕度的一般表達式，建立界面層本構(gòu)關(guān)系。（5）采用ABAQUS的質(zhì)量擴散模塊，對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)題時止，共發(fā)表論文11篇，其中在國內(nèi)外重要刊物上發(fā)表論文8篇，在國際會議上發(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劃。 2100433B