纖維復(fù)合材料拉索疲勞性能及其高壽命大跨結(jié)構(gòu)研究中文摘要

針對纖維復(fù)合材料（FRP）在土木工程中應(yīng)用存在的理論研究不足，材料利用效率低和價(jià)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(jié)構(gòu)，建立FRP拉索疲勞壽命預(yù)測模型，完善其在高壽命大跨結(jié)構(gòu)中的分析方法，推動(dòng)FRP經(jīng)濟(jì)高效應(yīng)用。研究擬從微觀-細(xì)觀層次揭示FRP的疲勞損傷過程，闡明損傷機(jī)理，并結(jié)合宏觀FRP拉索的疲勞試驗(yàn)，綜合評價(jià)并建立多尺度FRP拉索疲勞壽命預(yù)測模型。在此基礎(chǔ)上，通過對FRP拉索大跨結(jié)構(gòu)的靜動(dòng)力、穩(wěn)定性和振動(dòng)性能分析，完善結(jié)構(gòu)性能分析和拉索設(shè)計(jì)方法。本研究特色在于通過集成掃描電鏡（SEM）-疲勞試驗(yàn)機(jī)，實(shí)現(xiàn)疲勞加載的同時(shí)進(jìn)行微-細(xì)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(jī)理，綜合評價(jià)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(yīng)和改性方法，對提升FRP拉索綜合性能具有重要意義。

項(xiàng)目通過對纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（FRP）疲勞性能的多層次研究，并結(jié)合大跨橋梁中FRP拉索的力學(xué)性能分析和需求，提出FRP拉索在大跨橋梁中的設(shè)計(jì)方法和優(yōu)化手段，以此實(shí)現(xiàn)大跨橋梁的高性能和長壽命。項(xiàng)目具體研究了FRP材料微細(xì)觀疲勞損傷規(guī)律，宏觀FRP筋疲勞強(qiáng)度和壽命預(yù)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(shè)計(jì)方法和大跨懸索橋綜合力學(xué)性能。研究結(jié)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(guān)鍵因素，并可通過基體增韌等方法進(jìn)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(qiáng)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(jià)比材料。不過，在應(yīng)用中，BFRP拉索的錨固方法是控制疲勞性能的關(guān)鍵因素，合理解決錨固應(yīng)力的緩慢過度是實(shí)現(xiàn)BFRP拉索應(yīng)用的關(guān)鍵問題。多種FRP拉索在大跨斜拉橋中具有不同的優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)，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(dòng)力性能。 2100433B

碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料CFRP（Carbon Fiber Reinforced Polymer）以其強(qiáng)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(diǎn)。纜索承重橋梁的拉索或吊桿在運(yùn)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(xiàng)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(yīng)用推廣的關(guān)鍵問題之一，而國內(nèi)外這方面的研究鮮見文獻(xiàn)報(bào)道?；诖?，本申請項(xiàng)目將對CFRP拉索及其錨固系統(tǒng)的抗沖擊性能進(jìn)行研究，基于系統(tǒng)的試驗(yàn)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(jī)理，提出CFRP拉索及其錨固系統(tǒng)的抗沖擊設(shè)計(jì)方法，研發(fā)提高CFRP拉索抗沖擊性能的防護(hù)措施，為其工程應(yīng)用提供可靠依據(jù)。

疲勞損傷是鋼結(jié)構(gòu)失效的重要原因，碳纖維復(fù)合材料加固鋼結(jié)構(gòu)已成為未來改善疲勞性能，延長結(jié)構(gòu)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(xiàng)目研究碳纖維復(fù)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(jìn)行疲勞試驗(yàn)，其次將對不同形式的面外焊接接頭進(jìn)行疲勞試驗(yàn)。考察外貼碳纖維復(fù)合材料尺寸、接頭形狀以及應(yīng)力比、應(yīng)力幅等參數(shù)對疲勞壽命的影響。數(shù)值計(jì)算時(shí)，采用精細(xì)化模型對試件進(jìn)行分析，并采用paris裂紋擴(kuò)展公式和應(yīng)力強(qiáng)度因子進(jìn)行分析，探求加固后焊接接頭疲勞失效的機(jī)理，尋求破壞準(zhǔn)則。同時(shí)為得到易于工程師應(yīng)用的疲勞曲線，將采用常規(guī)的熱點(diǎn)應(yīng)力法，綜合考慮各種參數(shù)影響，對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，提出碳纖維復(fù)合材料加固焊接接頭的設(shè)計(jì)理論和壽命預(yù)測方法，從而促進(jìn)新材料、新技術(shù)在鋼結(jié)加固中的應(yīng)用。 2100433B