纤维薄板与混凝土构件界面剥离断裂机理的研究项目摘要

对纤维薄板增强混凝土构件的开裂性状以及纤维薄板与混凝土的界面的剥离断裂机理进行理论和实验研究，构筑界面剥离破坏的分析模型，提出复合材料的断裂力学新理论，建立纤维薄板增强混凝土构件的强度理论，对相关学科的发展，对桥梁、隧道、房屋等建筑物的抗震、防震、加固和维修，对新材料、新工艺、新结构的开发等意义重大，应用前景广阔。 2100433B

广义荷载下，纤维增强复合材料（FRP）加固混凝土结构往往因界面强度不足而发生界面剥离破坏。界面剥离过程复杂，试验观测难度大。有限元法等数值模拟方法在粘结界面本构模型、求解精度、网格重分和映射、大型非线性方程组求解、算法稳定性和收敛性等方面尚存不足。目前大部分研究针对静载下的界面剥离问题，冲击、碰撞和爆炸等动载作用下的界面剥离机理尚不明确。本项目拟基于Griffith应变能释放率推导和验证一种普适的弹塑性复合型裂缝扩展准则，结合面内剪切试验建立合理的率相关界面单元本构模型，在FEM-SBFEM耦合技术、局部弧长法、高效的网格重分和映射技术的基础上实现冲击荷载下FRP-混凝土界面动态剥离全过程的快速显式模拟，并与精细有限元和冲击试验相互验证。通过参数分析揭示应变率效应、惯性效应、加载速率和粘结材料特性等因素对界面剥离宏观规律和微观表征的影响，为FRP加固混凝土结构的安全性研究奠定重要基础。 2100433B

本项目经过三年的研究，取得了下述的研究成果：（1）引入未计及微尺度效应的薄膜弹塑性撕裂模型和三种双参数扩展准则，描述AFRP/混凝土端部界面剥离破坏形态。采用ABAQUS软件，结合ABAQUS损伤断裂原理，定义内聚力模型的损伤和开裂行为来模拟粘结界面性能。建立了描述AFRP端部界面剥离破坏二维平面弹塑性模型，采用四点弯曲加载，考虑在不同AFRP加固量的情况下，研究端部界面剥离破坏规律。将二维剥离破坏模型扩展到三维，充分考虑加固梁的各组成部分，研究了不同AFRP加固量在混凝土梁端部发生剥离破坏时各组分的力学性能。（2）基于AFRP片材-混凝土界面粘结树脂的微观结构形态，引入微观结构特征参数，依据摩擦理论及变形层理论等界面理论提出一个新的AFRP片材-混凝土界面本构模型。（3）根据预应力和非预应力芳纶纤维片材加固钢筋混凝土梁的四点弯曲破坏特性，首先借鉴和采用复合材料力学的基本理论，建立含缺陷或损伤的分层分析模型，求出各子层的应力或位移分布，并结合线弹性断裂力学中的能量法，研究了芳纶纤维片材加固含微裂纹的钢筋混凝土梁的初始开裂问题。然后推广上述剪滞分析模型，建立计及纤维逐步断裂、局部芳纶纤维片材/混凝土界面剥离的应力重新分布计算模型，并采用统计断裂理论，研究预应力和非预应力芳纶纤维片材加固钢筋混凝土梁的破坏机理、开裂荷载和极限承载力，获得了与实验较吻合的计算结果。（4）根据Fick第二定律扩散控制方程，推导了以环境相对湿度为全局变量的湿度控制方程，求解了AFRP片材与混凝土梁的湿扩散率和湿含量关于相对湿度的一般表达式，建立界面层本构关系。（5）采用ABAQUS的质量扩散模块，对AFRP纤维和UHL/EP复合材料及AFRP加固混凝土梁的吸湿行为进行了有限元模拟分析，利用温度-结构耦合模块研究了不同时刻材料内部的吸湿应力及界面损伤。结果表明：界面处的吸湿应力水平明显高于其他的区域，AFRP材料端部由于吸湿容易发生剥离破坏。（6）在经典连续介质力学的框架内，通过加入表面能的影响，研究了纳米材料弹性性能的尺寸依赖性。本项目的研究成果为AFRP加固混凝土结构提供了重要的理论依据，至结题时止，共发表论文11篇，其中在国内外重要刊物上发表论文8篇，在国际会议上发表论文3篇，SCI收录1篇，EI收录9篇，另有待发表论文3-4篇，圆满高质量地完成原定的研究计划。 2100433B