基于温度效应的CFRP加固钢结构疲劳性能与控制方法研究结题摘要

由于碳纤维复合材料（CFRP）与钢材的热膨胀系数相差大，CFRP加固钢结构在服役过程中由于环境温度变化可能导致界面损伤脱粘，影响CFRP增强钢结构的长期服役性能。本项目系统研究了CFRP-钢界面粘结的温度特性及其控制方法研究，并在此基础上，研究了不同温度海水下CFRP-钢粘结性能演化规律与机理，获得了CFRP-钢界面粘结的温度特性及其控制方法，阐明了CFRP-钢界面在不同温度海水浸泡条件下的界面粘结演化规律，获得了CFRP-钢界面破坏模式、粘结-滑移关系、应变分布等演化规律，为CFRP增强钢结构在海洋环境下的设计应用奠定了基础；研究了温度效应对CFRP-钢界面损伤的影响规律，建立了温度效应与疲劳荷载对于CFRP-钢界面粘结性能影响的等效关系；基于CFRP-钢单搭接试验方法，完成了CFRP-加固钢梁抗弯疲劳加固试验研究，获得了温度效应下CFRP-钢梁的静力学性能，提出了考虑温度效应的CFRP加固钢梁的抗弯设计方法。 2100433B

国内外大量钢桥迫切需要疲劳加固维修，外粘贴碳纤维复合材料（CFRP）加固技术具有施工方便、不增加负载及不引入残余应力等优点。但由于钢材与CFRP热膨胀系数差别显著，季节变换与日照等引起的温度效应（温度交变与温差）将导致CFRP-钢结构的界面剪应力较大，易产生疲劳累积损伤。为此，本项目拟采用双搭接拉伸试验方法研究上述温度效应对CFRP-钢结构界面疲劳累积损伤的影响规律，建立温度效应与疲劳荷载的等效关系；研究胶粘剂性能、钢表面化学处理、玻璃纤维复合材料（GFRP）隔离层等对界面疲劳裂纹萌生及扩展的影响规律，提出考虑温度效应的CFRP-钢结构界面疲劳性能控制方法；研究温度效应对CFRP-钢梁抗弯疲劳寿命和破坏模式的影响规律，给出考虑温度效应的CFRP-钢梁抗弯疲劳加固的设计方法。本项目的研究将为CFRP加固钢结构的设计提供关键的科学依据，具有重要的学术和应用价值。

碳纤维复合材料（CFRP）胶接连接接头的设计也成为结构设计中必不可少的关键环节。本项目针对各类型CFRP胶接接头提出基于光纤光栅传感的损伤在线监测与识别问题进行研究，根据CFRP胶接接头的类型，主要从平面搭接和正交连接两类对象展开研究。 在平面搭接胶接接头损伤监测与识别研究方向主要成果有：（1）对基于非均匀应变重构方法对CFRP单搭接胶接接头的内聚损伤演化过程监测进行了研究，提出了一种基于遗传算法的FBG传感区域非均匀应变重构方法。对不同载荷下的单搭接胶接接头被粘件的应变分布进行了重构，重构的应变分布曲线与理想应变分布曲线的最大误差不超过7.43%。（2）分析胶层内聚损伤对CFRP被胶接件应变的变化情况，判断不同载荷作用下胶接接头的损伤状况，构建具备可靠性特点的分布式FBG应变传感网络系统实现了CFRP双搭接胶接接头的内聚损伤监测。实现了CFRP双搭接胶接接头载荷作用下胶层的内聚渐进损伤过程的监测。 在正交连接胶接接头损伤监测与识别研究方向主要成果有：（1）分析了L形CFRP胶接接头胶层的内聚损伤演化过程，得到了被胶接件胶接区域的层间应变分布的变化与胶层损伤演化间的映射关系，构建了基于FBG传感的L形CFRP胶接接头的内聚损伤监测实验系统，验证了仿真映射关系模型的准确性，最大误差不超过8.5%。（2）基于损伤力学确定了碳纤维复合材料π型胶接接头的损伤判定准则，仿真分析了拉伸载荷作用下碳纤维复合材料π型胶接接头的损伤过程，得到了损伤演化过程与应力应变分布变化的映射关系。在接头损伤部位埋置FBG传感器对CFRPπ型胶接接头进行了拉伸实验，利用传输矩阵法对FBG传感区的反射光谱进行了计算，并运用粒子群算法在理论上对碳纤维复合材料π型胶接接头FBG传感区的非均匀剥离应力分布进行了重构研究，重构误差不超过5.46%。 本项目利用光纤光栅传感在非均匀应变作用下的光谱特性对CFRP胶接接头损伤监测展开研究，为CFRP胶接接头的优化设计及光纤光栅传感技术在飞行器CFRP胶接接头损伤监测中的应用奠定理论基础。 2100433B

物质的磁效应具有基础研究的意义，它提供了物质结构、物质内部各种相互作用以及由此引起的各种物理性能相互联系的丰富信息。例如磁光效应可用来探测磁性物质内磁性电子的跃迁及其能级；磁电效应则反映传导电子与导致宏观磁性的电子之间的相互作用。磁效应在技术应用中已经或正在获得重要应用，为各种需要提供了性能优良的新器件、新材料和新手段。 如磁-力效应与磁声效应分别用于制造电声换能器及延迟线；磁光效应被用于观察磁化强度的分布，研制磁光器件及磁光存储器件；顺磁盐或核磁的绝热退磁为获得超低温的有效手段；磁电阻效应则用于检测磁场而制成新型磁头及磁泡检测器。在工程技术上有特殊应用的恒弹性材料及低膨胀系数材料则基于磁-力效应及磁热效应,均与磁致伸缩效应有关。