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近几十年来,由于纤维复合材料(Fibre Reinforced Ploymer,FRP)质强比较小、施工方便以及造价低廉,该材料在土木工程加固行业的应用日益广泛。而正是由于FRP片材在土木工程中应用的日益增多和FRP-混凝土界面过早的发生脆性剥离破坏,FRP-混凝土界面各种剥离模式亟需广大科研工作者进一步的研究和探讨。但是,由于FRP-混凝土界面的极限剥离承载力与荷载加载角有着复杂的关系,该领域的研究工作到目前为止尚难有长足的进步。鉴于此,本文将采用理论研究、试验研究和数值模拟等手段,来系统的研究和探讨FRP-混凝土界面在不同断裂模式下的剥离机理,其主要研究内容和成果列举如下:
◆基于三点弯的试验模型,根据外力对双材料界面试件所做的功等于界面断裂能和界面面积的乘积这一假设,推导了FRP-混凝土双材料界面Ⅰ型剥离断裂能的表达式;除此之外,通过加载三点弯试件的试验方法,来考察FRP-混凝土界面Ⅰ型剥离的粘结性能,并与前人所做过的FRP-混凝土双材料界面的三点弯曲梁和混凝土材料的三点弯曲梁的相关试验数据,进行了相应的对比。
◆ FRP-混凝土界面的Ⅱ型剥离极限承载力,应该由粘结区域的粘结力和已剥离区域的摩擦力两部分组成。关于粘结区域粘结力的研究,拟分别从线性断裂力学和非线性断裂力学的角度,来研究FRP-混凝土界面的粘结性能,并采用非线性断裂力学方法所得的表达式求得界面的断裂能GⅡ,b。除此之外,通过具有不同粘结长度的不同构件的对比计算,可得出如下结论:双材料界面在已剥离区域的界面摩擦应力基本相同。
◆关于FRP-混凝土界面Ⅰ-Ⅱ复合型极限剥离承载力的研究,主要是基于线弹性的基本假设,采用材料力学中关于轴拉和弯曲公式,分别求得界面Ⅰ型和Ⅱ型剥离承载力以及断裂能,并用叠加原理将其力学响应叠加,即可得到双材料界面的Ⅰ-Ⅱ复合型的力学响相应。除此之外,采用在FRP-混凝土双材料界面试件的Ⅱ型加载试验装置基础上,添加一水平顶杆使得双材料界面构件的FRP自由端加载时可产生偏离(即在其极限荷载中产生Ⅰ型荷载的组分)的试验装置,对FRP-混凝土双材料界面试件在Ⅰ-Ⅱ复合型荷载作用下的断裂性能进行了相应的试验研究。
◆采用ABAQUS中的扩展有限元法(eXtended Finite Element Method,XFEM)方法有效的模拟了FRP-混凝土界面在不同加载模式下的断裂行为,通过将界面的断裂能和最大应力作为材料性能的基本参数,来计算FRP-混凝土界面的极限剥离承载力。