纖維復合材料拉索疲勞性能及其高壽命大跨結構研究結題摘要

項目通過對纖維增強復合材料（FRP）疲勞性能的多層次研究，并結合大跨橋梁中FRP拉索的力學性能分析和需求，提出FRP拉索在大跨橋梁中的設計方法和優(yōu)化手段，以此實現(xiàn)大跨橋梁的高性能和長壽命。項目具體研究了FRP材料微細觀疲勞損傷規(guī)律，宏觀FRP筋疲勞強度和壽命預測，F(xiàn)RP筋蠕變性能以及在大跨斜拉橋中的FRP拉索優(yōu)化設計方法和大跨懸索橋綜合力學性能。研究結果表明FRP材料中基體微裂紋發(fā)展是控制FRP疲勞性能的關鍵因素，并可通過基體增韌等方法進一步提升。玄武巖纖維FRP（BFRP）材料的疲勞性能高，抗蠕變性能強，遠遠滿足一般大跨橋梁對拉索的疲勞蠕變性能要求，是一種適用大跨橋梁的高性價比材料。不過，在應用中，BFRP拉索的錨固方法是控制疲勞性能的關鍵因素，合理解決錨固應力的緩慢過度是實現(xiàn)BFRP拉索應用的關鍵問題。多種FRP拉索在大跨斜拉橋中具有不同的優(yōu)化設計參數，其由大跨斜拉橋非線性變形性能和拉索材料的疲勞蠕變性能共同決定。在大跨懸索橋中，多種FRP拉索表現(xiàn)出比傳統(tǒng)鋼拉索更加優(yōu)越的靜動力性能。 2100433B

針對纖維復合材料（FRP）在土木工程中應用存在的理論研究不足，材料利用效率低和價格高的瓶頸問題，通過研究FRP及混雜FRP拉索長期疲勞性能及其高壽命大跨結構，建立FRP拉索疲勞壽命預測模型，完善其在高壽命大跨結構中的分析方法，推動FRP經濟高效應用。研究擬從微觀-細觀層次揭示FRP的疲勞損傷過程，闡明損傷機理，并結合宏觀FRP拉索的疲勞試驗，綜合評價并建立多尺度FRP拉索疲勞壽命預測模型。在此基礎上，通過對FRP拉索大跨結構的靜動力、穩(wěn)定性和振動性能分析，完善結構性能分析和拉索設計方法。本研究特色在于通過集成掃描電鏡（SEM）-疲勞試驗機，實現(xiàn)疲勞加載的同時進行微-細觀層次的原位觀測，能夠全過程記錄FRP的疲勞損傷出現(xiàn)、積累和發(fā)展過程，為闡明損傷機理，綜合評價FRP拉索疲勞性能提供有力手段。此外，定量闡明纖維混雜效應和改性方法，對提升FRP拉索綜合性能具有重要意義。

碳纖維增強復合材料CFRP（Carbon Fiber Reinforced Polymer）以其強度高、重量輕、免銹蝕和抗疲勞性能好等優(yōu)異性能有望成為大跨纜索承重橋梁中傳統(tǒng)鋼制拉索或吊桿的替代品，以克服鋼制拉索或吊桿自重大、抗疲勞性能較低和耐腐蝕性能較差等缺點。纜索承重橋梁的拉索或吊桿在運營過程中可能遭遇車輛的橫向沖擊以及因相鄰拉索或吊桿脆性斷裂所造成的縱向沖擊， CFRP材料的橫觀各項異性和脆性破壞特征使得CFRP拉索及其錨固系統(tǒng)的抗沖擊性能成為其工程應用推廣的關鍵問題之一，而國內外這方面的研究鮮見文獻報道?；诖?，本申請項目將對CFRP拉索及其錨固系統(tǒng)的抗沖擊性能進行研究，基于系統(tǒng)的試驗研究和理論分析，明確CFRP拉索及其錨固系統(tǒng)在沖擊荷載作用下的受力變形特征及破壞機理，提出CFRP拉索及其錨固系統(tǒng)的抗沖擊設計方法，研發(fā)提高CFRP拉索抗沖擊性能的防護措施，為其工程應用提供可靠依據。

疲勞損傷是鋼結構失效的重要原因，碳纖維復合材料加固鋼結構已成為未來改善疲勞性能，延長結構物壽命的有效途徑。然而對裂縫起裂常出現(xiàn)處的焊接接頭加固研究較少。本項目研究碳纖維復合材料改善焊接接頭的疲勞性能。首先選取典型的十字型焊接接頭并對其進行疲勞試驗，其次將對不同形式的面外焊接接頭進行疲勞試驗?？疾焱赓N碳纖維復合材料尺寸、接頭形狀以及應力比、應力幅等參數對疲勞壽命的影響。數值計算時，采用精細化模型對試件進行分析，并采用paris裂紋擴展公式和應力強度因子進行分析，探求加固后焊接接頭疲勞失效的機理，尋求破壞準則。同時為得到易于工程師應用的疲勞曲線，將采用常規(guī)的熱點應力法，綜合考慮各種參數影響，對試驗結果進行分析，提出碳纖維復合材料加固焊接接頭的設計理論和壽命預測方法，從而促進新材料、新技術在鋼結加固中的應用。 2100433B