CFRP-鋼復(fù)合結(jié)構(gòu)界面時變力學(xué)行為研究.pdf

1、CFRP與鋼之間的界面起到傳遞荷載、協(xié)調(diào)變形，保證CFRP與鋼共同工作的作用，其粘結(jié)性能的好壞是CFRP加固鋼結(jié)構(gòu)成敗的關(guān)鍵。加固用膠粘劑作為高分子聚合物，具有與時間相關(guān)的粘彈性行為，在外荷載作用下會產(chǎn)生隨時間變化的變形。膠粘劑的粘彈性會導(dǎo)致CFRP-鋼界面發(fā)生應(yīng)力重分布，從而界面的力學(xué)行為變得更加復(fù)雜。明確CFRP-鋼界面力學(xué)行為是了解界面?zhèn)髁C(jī)理和界面破壞機(jī)理的必要條件。本文針對CFRP-鋼復(fù)合結(jié)構(gòu)的界面時變力學(xué)行為進(jìn)行了深入地研究

2、，主要內(nèi)容如下:
　　1、首次采用雙剪試驗(yàn)的方法研究了CFRP-鋼界面膠粘劑的剪切粘彈性行為。設(shè)計與制作了5組27個CFRP-鋼雙搭接剪切試件，包括1組對比試件與4組不同持荷水平和不同持荷時間的試件。根據(jù)杠桿原理自制了蠕變試驗(yàn)加載裝置，進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室條件下3個月的蠕變試驗(yàn)，持荷水平分別取對比組試件極限荷載平均值的20％、40％、60％和75％。蠕變試驗(yàn)結(jié)果表明，持荷時間越長、持荷水平越高CFRP-鋼界面應(yīng)力重分布現(xiàn)象越明顯。

3、　　2、基于蠕變試驗(yàn)結(jié)果及理論分析，提出了修正的Burgers模型和Findley冪律方程表征CFRP-鋼界面受剪狀態(tài)下膠粘劑的粘彈性本構(gòu)關(guān)系。推導(dǎo)了修正的Burgers模型各參數(shù)的計算公式。通過對蠕變試驗(yàn)結(jié)果的回歸分析得到本構(gòu)模型參數(shù)表達(dá)式，討論了界面剪應(yīng)力和持荷時間對模型參數(shù)的影響。蠕變?nèi)崃款A(yù)測曲線和試驗(yàn)曲線對比分析表明，修正的Burgers模型的預(yù)測效果較好，而Findley冪律方程的預(yù)測結(jié)果偏高。基于修正的Burgers模型，推

4、導(dǎo)了純剪切狀態(tài)下雙剪試件界面剪應(yīng)力的時變解析解。
　　3、首次采用雙剪試驗(yàn)的方法研究了膠粘劑蠕變對CFRP-鋼界面粘結(jié)性能的影響。對1組對比試件和4組不同持荷水平、每組6個不同持荷時間的CFRP-鋼雙剪試件進(jìn)行靜力拉伸試驗(yàn)。對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析，包括破壞過程、破壞特征、荷載-位移曲線、CFRP應(yīng)變分布規(guī)律以及粘結(jié)-滑移曲線特點(diǎn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，膠粘劑蠕變導(dǎo)致加載端附近區(qū)域粘結(jié)界面發(fā)生蠕變損傷，持荷水平越高、持荷時間越長造成的蠕變損傷

5、越大。
　　4、基于靜力拉伸試驗(yàn)結(jié)果及理論分析，提出了考慮膠粘劑蠕變損傷折減的CFRP-鋼界面雙線性粘結(jié)-滑移本構(gòu)模型。在既有的雙線性粘結(jié)-滑移本構(gòu)模型的基礎(chǔ)上，引入峰值剪應(yīng)力蠕變損傷系數(shù)β、峰值滑移量蠕變損傷系數(shù)η和最大滑移量蠕變損傷系數(shù)γ3個蠕變損傷系數(shù)，通過對試驗(yàn)數(shù)據(jù)的回歸分析得到了包含持荷水平和持荷時間的3個蠕變損傷系數(shù)的計算公式。利用該模型對CFRP-鋼界面剝離全過程進(jìn)行了分析。
　　5、根據(jù)考慮變形協(xié)調(diào)條件的彈性

6、分析方法，推導(dǎo)了包含外荷載和溫度荷載的CFRP加固受彎鋼梁粘結(jié)界面應(yīng)力的微分方程，分別對均布荷載、單個集中力和兩個對稱集中力作用情況進(jìn)行了求解。依據(jù)敏感性分析的基本原理，從定量分析的角度研究了界面應(yīng)力對參數(shù)的敏感程度。分析結(jié)果表明:粘結(jié)界面應(yīng)力與膠層厚度成反比、與膠層彈性模量成正比、與CFRP厚度成正比、與CFRP彈性模量成正比、與CFRP端部到支座的距離成正比;對CFRP端部界面剪應(yīng)力影響最敏感的參數(shù)為CFRP端部離支座的距離，對CF

7、RP端部界面剝離應(yīng)力影響最敏感的參數(shù)為CFRP厚度。
　　6、基于修正的Burgers模型，利用粘彈性力學(xué)理論及Laplace變換的數(shù)學(xué)方法，推導(dǎo)了CFRP加固受彎鋼梁粘結(jié)界面應(yīng)力、CFRP軸力、鋼梁彎矩和加固梁撓度的Laplace象空間解析解。結(jié)合有限元方法分析了膠粘劑粘彈性對加固梁力學(xué)行為的影響。分析結(jié)果表明，膠粘劑的粘彈性對加固梁的力學(xué)行為的影響表現(xiàn)為，隨著持載時間的增加，界面峰值剪應(yīng)力和峰值剝離應(yīng)力均減小，CFRP軸力減小