基于疲劳性能的碳纤维筋锚固系统可靠性设计理论研究

相对传统钢材，碳纤维复合材料（CFRP）在大跨预应力结构应用中具有显著优势。然而，CFRP筋因抗剪强度低而锚固困难，尤其是其锚固系统的锚固机理及疲劳性能的研究仍未得到足够重视。 本项目研究了直筒型粘结型锚具、内锥-直筒粘结型锚具和直筒-内锥-直筒型锚具等三种锚具的静力锚固性能，建立了锚固区应力分布的通用模型。通过参数分析得出结论：内锥长/直筒长=4:1~2:1的内锥-直筒粘结型锚具在三者中锚固性能最优；在一定范围内提高内锥角、降低粘结介质的弹性模量，或者采用递变粘结介质，均有助于优化锚固区的应力分布。此外，本项目建议Smith失效准则可用于粘结型锚固系统，提出了复合型锚固系统的锚固力计算模型。 本项目研究了CFRP筋粘结型锚具在循环荷载下的结构响应、疲劳损伤规律和机理。研究表明，当应力幅不超过锚固系统极限强度的10%时且最大应力水平不超过极限强度的50%时，循环加载会使锚固系统更加稳定；而且，在此范围内增大应力幅将使锚固系统更快达到重新稳定状态；加载频率对粘结型锚固系统锚固区的温度变化产生影响，当加载频率在10Hz以上时，增大频率会导致锚固区在加载的早期和中期产生剧烈的温度上升；锚固区的温升与结构内部损伤存在内在的联系，故温升可视为结构内部损伤严重程度的标志。 研究了CFRP筋复合型锚固系统在拉-拉循环加载中的荷载-滑移关系、能量释放率变化、残余承载力、疲劳加载后的套筒及筋材的循环次数-应变关系、疲劳失效模式、锚固区的温升等变化规律。结果表明，应力比与最大应力水平对锚固区的损伤、锚固系统的协同效应和以及系统是否能重新稳定具有重要的影响；复合型锚固系统与粘结型锚固系统的疲劳损伤机理有异，且前者具有更好的抗疲劳性。 结合小尺度现场试验与数值模拟方法，对比了CFRP长索与钢索两者应用于超大跨斜拉桥时在非线性静/动力特征上的差异和抗风性能，尤其是CFRP索等刚度替换钢索时对提高结构基频、扭转振动频率和弯扭频率比等的影响，结果显示CFRP索动力性能更优。 2100433B

与传统缆索材料相比，碳纤维增强复合材料（CFRP）在超大跨桥梁的应用中具有诸多优势，而耐疲劳性能良好的锚固系统是此应用的重要前提。本项目以静载锚固性能较优的复合型锚固系统为研究对象，在已有研究基础上，结合弹性力学理论研究锚具组装件协同工作原理和锚具的极限锚固力计算模型；基于相似原理、复合材料力学和疲劳理论，借助筋材及其锚固系统的疲劳试验，并结合本校人行斜拉桥CFRP索锚固系统的长期监测结果，研究处于径向静载和纵向拉-拉疲劳荷载下CFRP筋的疲劳损伤机理和规律，分析CFRP筋锚具组装件的设计参数、粘结介质厚度、疲劳应力幅和平均拉应力水平等因素对疲劳性能的影响，揭示CFRP筋复合型锚固系统的疲劳失效机理，建立其疲劳寿命预测模型，优化锚固系统的设计参数；进而借助结构可靠度理论，研究CFRP筋锚固系统的疲劳可靠性，建立其疲劳可靠性设计理论。预期成果对推动FRP在超大跨桥梁缆索中的应用具有重要意义。

混成系统是近些年来学术研究的热点领域之一，其主要特征表现为物理进程和计算进程的深度融合，广度交互，混成系统的异构性、复杂的时间约束性、一定的时间可预测性、更高的安全性以及交互的复杂性和不可预测性，给这类系统的描述、设计、分析和验证带来了巨大的挑战。如何保证信息物理融合系统的正确性业已成为国内外工业界和学术界的难题之一。本项目发展了一种混成系统的建模语言和基于事件的建模方法，引进了when型程序和Until型程序分别用来处理离散行为变迁和连续模式切换，形式化地描述了混成系统的行为和性质，提出了混成建模语言的若干语义模型，我们首先以公理化的方法描述基本原子反应和组合算子的含义，探讨混成建模语言的规范型，揭示了混成系统行为的基本模式，所有不同语法形式的混成程序都可以利用代数规则转化为规范型，从而将程序行为的语义分析转化为程序规范型的语法分析，为混成系统的分析和验证提供坚实的语义基础。研究了混成系统的中断机制，构造中断程序的描述语言和语义模型，发展了混成系统中断机制的分析方法和验证技术，如：中断程序的总体执行时间、不同中断类型的中断点检查以及中断次数统计。运用提出的建模技术，对自动驾驶、车联网、多智能体等实例系统进行建模和分析，为其他类型混成系统的分析和验证提供了参考和思路。该项目共发表学术论文12篇，其中SCI论文4篇，EI论文8篇，CCF B类论文3篇，CCF C类论文4篇。

本项目拟瞄准重大研究计划培育项目中优先资助领域：抗灾设计理论。针对斜拉桥、悬索桥等大跨度桥梁结构，根据大跨度桥梁寿命期内组成结构各部分的重要性、可检性、可修性和可换性以及地震破坏后桥梁结构修复工作（抢修）的难易程度和结构所能承受的损伤、破坏风险，初步建立大跨度桥梁基于性能的抗震设计理论和方法，实现对大跨度桥梁工程地震灾变合理有效控制，提升大跨度桥梁结构防灾减灾能力。重点研究内容为：（1）地震作用下，大跨度桥梁主要结构构件的损伤与性能目标的定量关系；（2）大跨桥梁结构地震易损性分析和地震损伤、破坏风险；（3）大跨桥梁抗震设防标准与相应的性能要求；（4）大跨桥梁基于性能抗震设计方法。 2100433B