基于梁式试验法的CFRP布与钢材界面-动态粘结性能研究

针对碳纤维增强复合材料（CFRP）加固结构构件常发生界面过早剥离破坏的问题,进行了4个粘贴CFRP布试件的冲击试验和2个静力对比试验,主要研究CFRP与钢材界面动态粘结性能。从界面的破坏形态、CFRP应变分布以及荷载 滑移曲线等方面,对冲击荷载和静力荷载下CFRP与钢材界面动态粘结性能进行了对比分析。在试验的基础上,提出了基于梁式试验法的局部粘结应力 滑移本构关系计算方法。结果表明:冲击荷载下CFRP应变分布曲线与静力荷载下相比更加陡峭;界面极限动态承载力有所提高。     

铝合金板混凝土界面的粘结滑移性能及其本构关系

铝合金板具有轻质高强、耐腐蚀性和延展性好等优点,是复杂恶劣环境中加固混凝土结构的理想材料。基于双剪试验进行铝合金混凝土界面粘结滑移性能研究,完成了45个构件的双面纯剪试验,得到了其破坏形态、荷载应变关系曲线、粘结界面剪应力分布曲线、荷载滑移关系曲线以及界面极限承载力,分析了不同的混凝土强度等级、铝合金板表面粗糙度、铝合金板粘结长度和粘结宽度条件下界面粘结滑移性能的演化规律。研究表明:加载过程中,界面应力从加载端向自由端逐步传递,且随着混凝土强度等级、铝合金板的粘结长度和宽度的增加,试件的剥离承载力也有所提高。但铝合金的粘结长度存在一个有效粘结长度值,超过该值试件的剥离承载力将不再增加,同时,铝合金表面粗糙度对试件剥离承载力的提高没有实质影响。通过测量铝合金板的应变得到了不同参数条件下铝合金板混凝土粘结滑移本构曲线,结果表明:铝合金板混凝土粘结滑移本构曲线存在明显的界面软化特征和非线性行为。     

不同材料胶结层对组合梁粘结性能影响的试验研究

为研究不同胶结层材料对装配式混合连接钢-混凝土组合梁受力性能及粘结性能的影响,设计制作了2根3 m跨径的试验梁进行静载试验。胶结层材料分别为环氧砂浆和C60水泥基灌浆料,其它参数不变。通过试验对比分析了试件的破坏模式、极限承载力、荷载-挠度曲线、荷载-滑移曲线和沿梁高应变曲线。研究表明,在弹性阶段,C60水泥基灌浆料的最大滑移量仅为环氧砂浆的62.7%,采用C60水泥基灌浆料作为胶结层在弹性阶段可以明显减少混凝土板与钢梁之间的滑移量,粘结性能更优;在塑性阶段,C60水泥基灌浆料的滑移量急剧增大,因此破坏阶段时环氧砂浆的粘结力稍强。     

水泥砂浆断裂韧度的尺寸效应研究

用两种不同配合比的水泥砂浆分别制作了三组几何相似的矩形截面直裂缝三点弯曲梁.在MTS815材料试验机上进行试验,记录了试件的荷载-加载点位移(P-δ)和荷载-裂缝端口张开位移(P-ωCMOD)的全过程曲线.利用最大荷载和初始裂缝长度求得的线弹性断裂韧度存在明显的尺寸效应.为此,基于虚拟裂缝模型,认为裂缝端口张开位移是荷载、自霞和黏聚力共同作用的结果,求解该位移公式得到断裂过程区长度值,用断裂过程区长度修正初始裂缝长度后,再代入三点弯曲梁应力强度因子公式,进而得到尺寸效应程度较弱的等效断裂韧度值.     

GFRP型材与混凝土湿粘结界面力学性能研究

文章进行了湿粘结界面条件下GFRP型材与混凝土粘结界面力学性能的推出式试验研究,试验变量为混凝土浇筑时间、界面形式以及GFRP型材的形式;对比分析了带T形肋和不带T形肋GFRP型材与混凝土界面的抗剪能力,探究了环氧树脂胶体养护时间与界面形式对界面抗剪性能的影响,获得了相应的荷载-滑移曲线、应变分布、剥离和极限荷载及破坏形态。结果表明:不带T形肋和带T形肋的试件的破坏形态明显不同;胶体养护时间为30 min试件的极限荷载和界面剪切刚度均强于胶体养护时间为0 min试件;在粘结界面中加入粗砂,增大有效粘结面积,适当增加胶体养护时间,可以显著提高界面剥离承载力。     

CFRP板-钢黏结界面的疲劳性能

开展了碳纤维增强聚合物（CFRP）板-钢双搭接试件的疲劳试验,考虑荷载水平的影响,分析了黏结界面的疲劳性能,比较了基于平均黏结应力幅或局部黏结应力幅的中值及设计疲劳曲线（S-N曲线）的适用性.结果表明：疲劳荷载下CFRP板-钢接头的主要破坏模式为钢-胶层界面剥离或钢-胶层/CFRP板-胶层界面剥离的混合破坏模式;不同荷载水平下荷载-位移曲线斜率的变化趋势大致相同;界面损伤从界面黏结应力较大的加载端开始,逐渐向自由端扩展,扩展至一定程度后界面突然断裂;采用幂函数公式预测试件的疲劳寿命时,基于平均黏结应力幅S-N曲线的拟合优越性更为显著,疲劳极限为1.88 MPa;最后,给出了具有95%可靠度的设计S-N曲线.     

形状记忆合金纤维与高延性水泥基复合材料基体的界面粘结性能的影响

针对形状记忆合金（SMA）纤维端部形式、直径、深径比（粘结长度/纤维直径）3个因素设计制作了5组试件，通过位移控制加载进行拉拔试验，分析了破坏形态、拉拔应力-应变曲线、平均粘结强度以及纤维利用率等性能，并比较了各因素对其与高延性水泥基复合材料（ECC）粘结力学性能的影响。基于试验结果，对SMA纤维在ECC中的破坏模式和粘结-滑移机理进行分析。结果表明，SMA纤维拉拔应力-位移曲线分为弹性阶段、脱粘阶段、马氏体相变阶段以及马氏体硬化阶段，直型端部SMA纤维直径和深径比的增大均会降低界面间粘结力，而N型端部SMA纤维端部锚固力能够有效改善界面间粘结性能和提高纤维利用率。     

铝合金板与混凝土的粘结性能

铝合金材料具有强度高、变形性能好、耐腐蚀等优点,是沿海侵蚀环境中钢筋混凝土结构加固工程的理想材料;而铝合金板与混凝土的粘结性能是铝合金板加固钢筋混凝土梁能否协同工作的关键问题。基于此,对铝合金板与混凝土的粘结性能进行试验和理论研究。考虑混凝土强度、铝合金板宽度和厚度、粘贴长度及界面处理等因素对铝合金板和混凝土块体粘结性能的影响,设计了一套试件固定装置,采用万能试验机对105个铝合金板与混凝土棱柱体的粘贴试件进行了面内单剪试验。根据试验结果,结合理论分析,得到了铝合金板和混凝土连接的粘结破坏典型特征、剪应力分布曲线和粘结滑移曲线。研究表明,试件存在两种破坏形式:界面剥离破坏和混凝土层剥离破坏。界面处理对粘结性能有重要的影响,粘贴界面没有进行糙化处理的试件发生了界面剥离破坏,其他试件发生了混凝土层剥离破坏;随着混凝土强度的提高、铝合金板宽度和厚度的变小,粘结性能提高;存在一个有效粘贴长度,当粘贴长度大于有效粘贴长度后,增大粘贴长度并不能提高连接的极限荷载。     

钢筋混凝土压弯构件P-△曲线分析

根据钢筋混凝土的应力应变关系和压弯构件曲率分布规律，分析了钢筋混凝土压弯构件P-△曲线的计算过程，并用MATLAB绘制了荷载—挠度（P-△）的曲线，为后续试验部分提供了理论分析的依据。     

FPR-混凝土粘结界面的规律

根据试验数据,研究了FRP与混凝土粘结的非线性模型II界面规律。所提出的界面规律基于差分方程,并考虑了高剪应力下粘性剂和混凝土保护层的非线性作用。模型中的参数均在拉-拉剥离试验下校准,同时采用了不同荷载水平、不同粘结长度、沿FRP板方向的最大传递荷载与应变。通过有限粘结长度决定的最大传递荷载的估计值来确定界面规律中的断裂能,同时根据应变确定剪切-滑移关系。并通过一系列文献的试验结果验证参数优化程序。在粘结-滑移模型中采用所提出的界面定律进行数值模拟计算,得出粘结区域中FRP的应变、剪应力和滑移与试验结果很吻合。     

Numerical Analysis of Debonding Mechanisms in FRP-Strengthened RC Beams

Abstract:   Fiber-reinforced polymer (FRP) composites have been increasingly used as externally bonded reinforcement in lieu of their steel counterpart in the rehabilitation and retrofit of existing concrete structures. Without proper understanding of interfacial fracture behavior and failure mechanisms, it is impossible to efficiently develop an effective and rational FRP bonding technique. This article is mainly focused on clarifying the debonding behavior and failure mechanisms caused by different types of flexural crack distributions in FRP-strengthened R/C beams, which has not been solved so far. Using a discrete crack model for concrete crack propagation and a bilinear bond–slip relationship with softening behavior to represent FRP–concrete interfacial behavior, a nonlinear fracture mechanics-based finite-element analysis is performed to investigate the effects of crack spacing and interfacial parameters such as stiffness, local bond strength, and fracture energy on the initiation and propagation of the debonding and the structural performance. It is shown that the debonding behavior and load-carrying capacity are significantly influenced by two important factors: interfacial fracture energy and crack spacing in relation to the effective transfer length of FRP sheets. Based on the numerical results, some suggestions concerning the effect of interfacial properties are made as practical design aids.     

氯盐干湿循环作用下CFRP混凝土界面黏结性能研究

为了考察碳纤维复合材料(carbon fiber reinforced polymer, CFRP)与混凝土结构在氯盐干湿循环作用下界面黏结强度,开展不同干湿循环周期下混凝土的弹性模量、抗压强度和CFRP混凝土单剪试件界面黏结性能的腐蚀劣化试验研究。通过模拟氯盐的干湿循环作用和自主设计的单剪试验稳定装置,对混凝土基体的腐蚀劣化性能和界面的有效黏结长度进行研究,基于Popovics方程分别对不同腐蚀周期的界面黏结应力-滑移关系和界面断裂能进行研究。在此基础上,分析干湿循环作用下CFRP-混凝土界面黏结强度的劣化机理,并建立界面的时变黏结强度计算模型。结果表明,随着干湿循环周期的增长混凝土基体的弹性模量整体变化不大,而抗压强度则呈现出先增大后减小的趋势,最终腐蚀120 d后较未腐蚀混凝土抗压强度降11.2%;界面的有效黏结长度从未腐蚀的120 mm降低到腐蚀120 d后的72 mm,界面的断裂能也大幅下降。基于Popovics方程得到的腐蚀环境下CFRP混凝土界面黏结应力-滑移关系可揭示界面黏结强度劣化机理,建立的界面时变黏结强度模型有效,可应用于不同干湿循环作用下CFRP混凝土界面黏结强度的计算。     

混杂钢纤维二级配混凝土断裂性能试验研究

通过混杂钢纤维二级配混凝土的三点切口梁断裂试验,研究不同钢纤维体积掺量(0.5%,0.8%,1.0%,1.2%)、不同钢纤维长度(30mm,60mm)混杂使用以及水灰比对钢纤维二级配混凝土的P-CMOD曲线、起裂韧度、失稳韧度和断裂能的影响,并基于损伤力学理论,建立混杂钢纤维混凝土断裂损伤弯拉应力-应变关系。结果表明：掺入钢纤维的二级配混凝土相比于基体混凝土延性更好;不同长度钢纤维混杂使用对二级配混凝土的断裂韧度和断裂能有不同影响,试验范围内,钢纤维二级配混凝土断裂韧度提升最佳的优化组合为钢纤维掺量1.2%、长纤维占比50%、水灰比0.58;断裂能提升最佳的优化组合为钢纤维掺量1.2%、长纤维占比65%、水灰比0.33;文中建立的混杂钢纤维二级配混凝土弯拉应力-应变模型与试验结果吻合较好。     

FRP加强修复金属结构研究概述

近年来,FRP(Fibre Reinforced Polymer)用于加强修复钢结构及铝合金结构取得了较多应用。本文首先总结回顾了钢结构、混凝土结构与FRP粘贴连接节点界面应力的弹性分析方法,然后总结了考虑胶水塑性变形的粘结-滑移分析及不同的强度设计准则。文中还总结了不同受力形式下,钢或铝合金与FRP组合结构构件的受力性能,包括受拉、受弯、受压等工况。已有的试验及有限元方法主要分析了FRP和胶水的材料性质、FRP粘贴位置和范围、胶水层厚度等因素对组合构件的强度和破坏模式的影响,并依据试验结果和理论分析,提出了有效粘贴长度的概念。简要回顾了FRP加固后钢结构或铝合金结构的疲劳性能,以及航空领域和相关领域的研究情况。最后提出了FRP用于加固金属结构的几点待研究或完善的问题。     

硫酸盐环境下CFRP加固顺序对混凝土梁界面黏结性能影响

提出了先粘贴CFRP后硫酸盐腐蚀以及先硫酸盐腐蚀后粘贴CFRP两种加固顺序,开展了64块CFRP-混凝土试件的双剪试验,分析了CFRP粘贴顺序、粘贴长度、粘贴宽度对混凝土界面破坏模态、抗压强度、剥离荷载、黏结强度、界面能、黏结应力-滑移曲线的影响,并基于硫酸盐环境影响系数建立了CFRP-混凝土界面黏结强度模型。试验结果表明,硫酸盐环境下,环氧树脂胶体能较好的保护混凝土黏结区域;随着硫酸盐腐蚀时间的延长,界面的剥离荷载、黏结强度均呈下降趋势,腐蚀至123 d时,下降最为严重,而对于界面断裂能,腐蚀至123 d时,下降幅度反而降低;CFRP黏结长度为65 mm下的界面黏结强度最大,随着黏结长度的增加,CFRP-混凝土界面的黏结性能逐渐降低;硫酸盐环境影响系数的提出可为恶劣环境的分类提供科学依据。     

端部机械锚固FRP-混凝土黏结界面承载力试验研究

采用胶-机械混合锚固体系可以有效防止纤维增强复合材料 (FRP)与混凝土之间的早期剥离破坏,提高FRP材料的强度利用率。为明确端部锚固对黏结界面性能及破坏形式的影响,进行了不同锚固形式的FRP-混凝土黏结结点的单面剪切试验,对比分析了纯外贴锚固（EB）、普通混合锚固（HB）和自锁混合锚固(SLHB)三种不同端部锚固形式的锚固性能。对于HB-FRP加固方法,探究了FRP黏贴长度和机械锚固扣件施加扭矩大小对加固效果的影响。结果表明：采有EB、HB、SLHB锚固形式的FRP加固构件破坏形式分别为界面剥离、FRP滑动拉出和FRP拉断（强度利用率为1.0）;采用SLHB-FRP和HB-FRP加固方法的试件相比采用EB-FRP加固方法的加固构件在15N·m的扭矩下可以提高承载力约122.9%和56.4%,采用EB-FRP和HB-FRP加固方法试件的FRP强度利用率分别为0.448和0.702;随着扭矩的增大,采用HB-FRP加固方法的试件极限荷载也有不同程度的提升,且失效荷载与扭矩线性相关;对于自锁混合锚固形式,在15kN·m的扭矩作用下,FRP强度均能得到100%利用,失效荷载均为FRP拉断荷载,与黏结长度无关。     

砂浆与岩石黏结性能的试验研究

砂浆与岩石的黏结性能,对岩土工程中的山体支护效果、结构工程中抗浮锚杆的极限抗拔力及混凝土材料基本力学性能起着至关重要的作用。通过灌注于岩石块体内的砂浆圆柱体压出试验得到了砂浆与岩石界面的黏结滑移本构关系,进而研究了砂浆等级、砂浆柱体直径及黏结长度对界面的黏结强度和残余摩擦应力的影响。结果表明:砂浆与岩石界面的黏结滑移曲线由弹性上升段、软化下降段和水平摩擦段3部分组成。而且界面的黏结强度与残余摩擦应力随砂浆等级的提高而增大。但对相同等级的砂浆而言,界面黏结强度与残余摩擦应力随砂浆柱体直径的增大而减小。此外,界面的平均黏结应力随黏结长度的增加而减小。     

HB FRP加固混凝土结构组合界面黏结特性

为揭示HB-FRP(hybrid bonded fiber reinforced polymer)加固混凝土结构多作用组合工作机制,设计了5组黏结作用组合试验.基于实测荷载-滑移关系、应变分布、黏结-滑移关系开展了界面黏结特性研究,提出组合界面黏结-滑移统一模型和黏结荷载表达式.结果表明:HB-FRP加固混凝土组合作用可拆分为FRP黏结混凝土、侧压力和FRP黏结钢板;组合界面的黏结应力发展不同步,FRP板下表面与混凝土的剥离早于FRP板上表面与钢板的剥离,叠合工作时序不同;由侧压力引起的界面摩擦应力随界面应力的发展而增加并趋于稳定;理论模型结果与试验结果具有较好的一致性,可用于计算组合界面的黏结荷载.     

FRP增强预制裂缝混凝土的断裂性能

为了探讨纤维增强复合材料(FRP)增强预制裂缝混凝土的断裂性能,得到单层FRP对不同裂缝深度混凝土的最佳增强效果,通过相同尺寸、不同初始缝高比(0.2、0.3、0.4、0.5)的FRP增强预制裂缝混凝土三点弯曲梁断裂试验,基于FRP-混凝土界面黏结滑移模型,得到了FRP增强预制裂缝混凝土三点弯曲梁的断裂性能参数.结果表明:FRP增强预制裂缝混凝土的荷载-裂缝口张开位移(P-CMOD)曲线的峰值荷载大于普通混凝土的峰值荷载,且FRP增强预制裂缝混凝土峰值荷载随着初始缝高比的增加先增大后减小;初始缝高比从0.2变化到0.5时,FRP增强预制裂缝混凝土的起裂韧度可认为是常数;随着初始缝高比的增加,FRP增强预制裂缝混凝土的失稳韧度呈先增大后减小的趋势,当初始缝高比为0.4时,失稳韧度达到最大值,表明此时增强效果最佳;相比于普通混凝土失稳荷载后的脆性断裂破坏,FRP增强混凝土断裂破坏过程中的延性得到明显提高.     

预应力FRP筋混凝土梁的抗震性能试验研究

进行了8根混凝土梁在低周反复荷载下的拟静力试验,对其受力过程、破坏特征、滞回特性、骨架曲线、延性、刚度退化、耗能能力等抗震性能进行分析比较,研究不同预应力筋种类和预应力度(PPR)对预应力梁抗震性能的影响。考虑材料的非线性,对试验梁进行有限元计算分析。有限元计算和试验结果表明,预应力度是影响预应力梁抗震性能的主要因素,抗震性能随着预应力度的增加而逐渐降低;在同等预应力度的条件下,无粘结预应力FRP筋混凝土梁的耗能能力最好;采用有粘结和无粘结预应力相结合后,试验梁的延性指标有所提高,延性比有粘结和无粘结预应力梁分别提高12%和26%,滞回曲线变得更加丰满,对结构抗震性能有利;有限元计算结果与试验结果较为吻合。