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纤维增强复合材料(Fiber Reinforced Polymer,简称FRP)片材加固钢筋混凝土(RC)结构件的疲劳性能及其耐久性是国内外土木建筑领域的一个前沿课题。而温度对FRP片材加固RC构件的抗弯承载力和疲劳性能的影响的研究还很少见报道。因此,探明温度对FRP片材加固RC构件的抗弯承载力和疲劳性能的影响,对于加固件在实际环境中的应用及其耐久性研究具有极其重要的科学意义,对于旧危桥混凝土结构的FRP加固设计及加固件的疲劳寿命预测等具有重大的工程应用价值。
本文采用本课题组发明的新型FRP片材—碳纤维薄板(Carbon Fiber Laminate,简称CFL),制作了58条尺寸为1850×100×200mm的CFL加固RC梁,在不同温度(5℃、20℃、50℃、80℃)条件下,对CFL加固RC梁的抗弯承载力和疲劳性能进行了理论和实验研究。主要研究内容和结论如下:
1)理论分析和有限元计算相结合,探讨了加固梁中CFL与混凝土的界面的应力分布规律。分析结果表明,在三种载荷条件下(均布载荷、温度变化、均布载荷与温度变化共同作用),加固梁界面的应力分布规律基本相同,即界面剪应力和正应力的最大值都出现在CFL的端部,但在离开端部不远处就迅速减小并接近于0;温度变化ΔT=50℃时,在CFL端部产生的界面温度应力约为均布载荷q=50KN/m作用时产生的应力的2倍,即温度变化比车辆荷载(活载)对界面应力的影响大。
2)根据RC梁和CFL的热膨胀系数的不同,理论推导出加固梁的温度应力计算公式。计算结果表明,加固梁和CFL的热膨胀系数之差△α与变温大小△T是影响温度应力的主要因素;温度应力对加固梁的开裂载荷影响较大(>10%),对屈服载荷影响较小(<3.5%)。
w3)对于发生界面剥离破坏的加固梁,本文提出了基于CFL的剥离极限应变的考虑了温度影响的抗弯极限承载力计算公式。利用该公式求得的加固梁抗弯极限承载力的理论值与实验值吻合得较好。
4)疲劳试验研究结果表明,在5℃~80℃的试验温度范围内,随着温度的升高,加固梁的抗弯疲劳寿命及疲劳强度下降;而且,应力水平越高,加固梁的疲劳寿命下降得越快。
5)通过理论分析及对实验数据的分析,提出了在外力与温度耦合作用下CFL加固RC梁抗弯疲劳寿命的半经验公式,并通过实验验证了该公式的有效性。利用该公式,可方便地预测给定温度及载荷条件下CFL加固RC梁的抗弯疲劳寿命,并能较准确地推定该类加固梁的疲劳强度。
6)对各种试验温度下加固梁的疲劳累积损伤演化规律和寿命预测进行了研究,得到了以下主要成果:①提出了利用相对动态割线刚度来描述加固梁的疲劳损伤演化规律的方法,并得到各种试验温度下加固梁发生疲劳破坏时的相对动态割线刚度值和损伤量;②在加固梁的疲劳累积损伤过程中,动态割线刚度在其第一阶段衰减约30%,而在占有加固梁疲劳寿命绝大部分的第二阶段仅衰减约3%;③提出了动态割线刚度演化模型。利用该分析模型、以及对加固梁实施的少数循环次数n=[100,1000]的非破坏性弯曲疲劳实验,就可以较准确地预测加固梁的疲劳寿命。