拉挤GFRP型材翼缘-腹板结合部受力机理及疲劳性能研究

桥梁中采用的拉挤GFRP型材有工字型、槽型等截面形式，其翼缘与腹板结合部由弯折的纤维织物-树脂铺层构成，易形成富胶区。因此，本课题将拉挤GFRP型材的翼缘-腹板结合部作为研究对象，开展了如下研究：（1）提出了新型损伤扩展准则和拉挤型材单层板厚度、纤维体积率评估方法，针对土木工程领域拉挤GFRP型材的特点，编制了可模拟单层板剪切非线性、加载/卸载的三维渐进失效材料用户子程序。（2）设计了新型结合部拉伸、剪切和弯曲试验装置，对6种不同FRP型材翼缘-腹板结合部开展试验，得到了结合部拉伸、弯曲及剪切性能承载力和刚度，提出了结合部三折线模型和双折线模型，并根据试验结果确定三折线模型和双折线模型参数。（3）开展了结合部湿热老化拉伸、弯曲、剪切性能加速试验，获得了结合部拉伸、弯曲和剪切性能在湿热环境中随时间变化规律，试验结果表明湿热老化对结合部弯曲性能影响最大，对结合部剪切性能影响次之，对结合部拉伸性能影响最小；（4）为研究结合部疲劳性能，开展了GFRP桥面板轮载疲劳试验，得到了不同荷载水平下的疲劳寿命、破坏模态，试验结果表明桥面板的刚度退化十分有限。

拉挤玻璃纤维增强复合材料（GFRP）型材可用于桥梁的主要承重构件或加固构件，是仅次于钢材、混凝土的第三种主要建筑材料，具有很好的应用前景。桥梁用拉挤GFRP型材有工字型、槽型等截面形式，与钢结构型材不同，其翼缘与腹板结合部由弯折的纤维织物-树脂铺层构成，易形成富胶区。结合部构造复杂且各向异性，在弯、剪、扭等作用下，结合部富胶区极易产生层间损伤，使GFRP型材整体性能难以发挥。.本研究拟综合运用断裂、损伤及复合材料力学理论，从细观层次上揭示GFRP型材结合部富胶区层间损伤机理，建立结合部富胶区裂纹粘聚力本构关系，通过研究结合部铺层构造改进和短纤维增韧技术，从而达到提高结合部层间性能的目的。在宏观层次上开展结合部静力及疲劳性能试验，探究结合部拉伸、剪切及扭转受力机理，建立结合部承载力计算方法和疲劳寿命预测方法。其目标为拉挤GFRP型材翼缘与腹板结合部合理设计提供理论基础。

土木工程基础设施以钢筋作为受力筋的钢筋混凝土结构，由于钢筋的锈蚀导致其功能提前退化或失效，不仅造成巨大的经济损失，而且成为重大安全隐患。因此，如何采用性价比优越的GFRP筋有效替代或部分替代钢筋，提高土木工程基础设施耐久性具有重要理论和现实意义。本项目针对GFRP筋混凝土耐久性基础研究的控制问题，即受持续应力、带工作裂纹混凝土梁受环境作用引起其中GFRP筋抗拉强度演化机理作为研究主题：主要研究其GFRP筋抗拉强度加速试验短期行为；受环境作用GFRP筋聚合物基体玻璃软化温度及碱性等物质扩散特征；在此基础上进一步研究形成实际运营环境混凝土梁中GFRP筋寿命期长期抗拉强度多参数随机变化的半可靠性概率型预测理论模型。目的为GFRP筋混凝土结构设计规范或指南中GFRP筋抗拉强度确定及改善耐久性设计奠定一定的理论及应用基础。

腹板开孔是竹工字梁使用过程中常常遇到的问题，与腹板非开洞情况时的梁相比，孔洞会使原结构的受力性能和破坏机理发生显著变化，并最终导致其刚度和强度下降。国内外至今仍没有成熟的统一破坏理论和计算方法，严重阻碍了其在工程领域中的推广应用。本项目将采用试验研究的方法，原位、持续地追踪观测腹板孔洞处的裂纹开展历程全貌，探讨腹板开洞的竹工字梁在不同开洞情况下的传力模式，揭示孔洞间距、大小、形状等因素对裂缝机理及组合梁力学性能的影响规律，建立开洞梁的设计计算理论与理论模型；研究不同补强措施对腹板孔洞处的加固效果和受力机理的影响，提出不同加固补强措施的适用范围和设计计算方法。最后，利用数值模拟方法对开洞梁破坏全程进行3D重构，直观展现其开裂直至最终丧失承载力过程，并依据其传力模式提出相应的承载力计算公式和构造建议。本项目将为建立腹板开洞的竹工字梁的设计计算理论奠定科学基础。