基于断裂力学的钢筋、FRP与混凝土界面力学特性研究

论文摘要

随着混凝土锚固与加固技术的推广和应用,补强材料与混凝土界面粘结问题逐渐引起了国内外学者们的普遍关注。本论文采用断裂力学方法研究钢筋、FRP（纤维增强复合材料）与混凝土界面力学特性,主要针对钢筋-砂浆-混凝土三相介质锚固体和CFRP（碳纤维增强复合材料）布加固混凝土弯曲梁两个问题,分别进行研究。具体工作如下:（1）首先提出了一个计算混凝土等效断裂韧度的解析模型。利用该模型,只要测得混凝土的弹性模量和抗折强度,就可以计算临界等效裂缝长度和极限荷载,进而求得混凝土等效断裂韧度,在此基础上研究了等效断裂韧度的尺寸效应。（2）针对少筋混凝土三点弯曲切口梁断裂问题,采用虚拟裂缝模型以及钢筋与混凝土界面变形协调条件提出了计算极限荷载的解析方法,考虑了钢筋不屈服界面发生粘结滑移和钢筋屈服界面不发生粘结滑移两种情况。结果表明,加载过程中荷载将出现两个峰值,而对于钢筋发生屈服的情况,第二个峰值对应的是钢筋刚刚发生屈服时的荷载,该种情况下两峰值的计算结果得到了试验验证。因此采用该解析模型,只要测得混凝土的抗折强度、弹性模量以及钢筋的屈服强度,就可以计算不同缝高比的钢筋混凝土少筋梁在钢筋发生屈服时的承载力。（3）针对钢筋-砂浆-混凝土三相介质锚固体发生界面粘结破坏的情况,根据界面变形协调条件和砂浆层的剪切变形协调条件得到了砂浆层剪应力沿砂浆层厚度方向的分布,以及钢筋拉应力和两界面剪应力的表达式。根据两界面粘结强度、钢筋直径和砂浆层厚度判断了两界面发生粘结破坏的可能性;针对钢筋与砂浆界面发生粘结破坏和两界面均发生粘结破坏两种情况下的钢筋极限抗拔力进行研究。将界面粘结破坏过程作为剪切裂缝扩展,对锚固体不同边界约束条件下裂缝在钢筋加载端界面和自由端界面出现的可能性和先后顺序进行判断,建立了拔出荷载和裂缝长度的关系,并通过极值理论求得极限荷载和对应的临界裂缝长度。并研究了钢筋锚固长度、混凝土刚度、砂浆层厚度以及界面参数对计算结果的影响。（4）当锚固体破坏型式为砂浆层剪切破坏时,根据界面变形协调条件和砂浆层剪切变形协调条件,得到了钢筋拉应力和砂浆层剪应力的表达式。针对锚固体不同边界约束条件下砂浆层剪切裂缝在钢筋加载端和自由端出现的可能性和先后顺序进行判断,建立了荷载和剪切裂缝长度之间的关系,进而利用极值理论求得极限荷载和对应的临界裂缝长度。参数研究中分析了钢筋锚固长度、混凝土刚度、砂浆剪切模量和剪切断裂能对计算结果的影响。（5）针对锚固体中混凝土锥形破坏和界面粘结破坏均发生的情况提出了一个解析方法,研究了两种破坏之间的影响以及两种破坏出现的可能性和先后顺序,分析了不同锚固长度、混凝土刚度、砂浆层厚度和混凝土抗拉强度对锚固体破坏型式的影响。（6）作为问题的一个推广,还针对锚筋从灌注于钢管内的砂浆中拔出问题,利用锚筋与砂浆界面的变形协调条件和砂浆层剪切变形协调条件提出了一个计算锚筋极限抗拔力的解析模型,并得到了试验验证。因此,只需确定锚筋与砂浆界面的四个特征参数,并结合锚筋、砂浆和钢管的弹性模量,就可以计算相同结构型式不同尺寸锚固体中锚筋的极限抗拔力。（7）针对CFRP布加固的混凝土三点弯曲切口梁,基于虚拟裂缝模型和界面变形协调条件提出一个解析方法,研究混凝土跨中垂直裂缝和界面水平裂缝扩展共同作用对梁承载力的影响。分析结果表明,加载过程中荷载出现两个峰值,且两峰值的计算结果得到了试验验证。采用该解析模型,只需CFRP布与混凝土界面的三个特征参数、混凝土和CFRP布的弹性模量及混凝土的抗折强度,就可以计算不同初始缝高比CFRP布加固的混凝土梁的承载力。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 引言
• 1 绪论
• 1.1 锚固技术在岩土工程中的应用
• 1.2 钢筋-砂浆/粘结剂-混凝土三相介质锚固体的理论及试验研究
• 1.3 纤维从基体中拔出问题的理论研究
• 1.4 FRP布或板与混凝土界面粘结问题
• 1.4.1 界面粘结问题的试验研究
• 1.4.2 界面粘结滑移本构关系
• 1.4.3 界面粘结问题的理论研究
• 1.5 混凝土断裂力学简介
• 1.5.1 断裂力学简介
• 1.5.2 混凝土断裂力学的发展
• 1.5.3 混凝土断裂参数的尺寸效应
• 1.6 断裂力学在FRP加固混凝土梁中的应用
• 1.7 本论文的主要工作
• 2 混凝土等效断裂韧度的解析方法及其尺寸效应的研究
• 2.1 引言
• 2.2 理论推导
• 2.2.1 基本假定
• 2.2.2 理论推导
• 2.3 计算结果及分析
• 2.3.1 计算结果与试验结果的比较
• 2.3.2 混凝土软化曲线形状对计算结果的影响
• 2.4 尺寸效应的研究
• 2.5 小结
• 3 钢筋混凝土少筋梁断裂研究
• 3.1 引言
• 3.2 理论推导
• 3.2.1 基本假定
• 3.2.2 理论推导
• 3.3 试验验证
• 3.3.1 试验概况
• 3.3.2 试验结果
• 3.3.3 理论计算结果与试验结果的对比
• 3.4 小结
• 4 钢筋-砂浆-混凝土三相介质锚固体的研究
• 4.1 引言
• 4.2 砂浆为剪切刚性
• 4.2.1 基本假定
• 4.2.2 理论推导
• 4.2.3 钢筋拉应力与界面剪应力沿锚固长度的分布
• 4.2.4 参数研究
• 4.2.5 小结
• 4.3 砂浆为剪切弹性
• 4.3.1 基本假定
• 4.3.2 理论推导
• 4.3.3 钢筋拉应力与界面剪应力沿锚固长度的分布
• 4.3.4 参数研究
• 4.3.5 小结
• 5 两界面同时发生粘结破坏时钢筋抗拔力研究
• 5.1 引言
• 5.2 理论推导
• 5.2.1 基本假定
• 5.2.2 理论推导
• 5.3 不同荷载阶段钢筋拉应力与两界面剪应力沿锚固长度方向的分布
• 5.4 参数研究
• 5.4.1 锚固长度L的影响
• 5.4.2 混凝土直径B的影响
• 0和孔径D的影响'>5.4.3 钢筋直径d₀和孔径D的影响
• c的影响'>5.4.4 混凝土弹性模量E_c的影响
• 5.4.5 砂浆剪切模量G的影响
• 5.4.6 界面参数的影响
• 5.5 小结
• 6 砂浆层发生剪切破坏时钢筋抗拔力研究
• 6.1 引言
• 6.2 理论推导
• 6.2.1 基本假定
• 6.2.2 理论推导
• 6.2.3 两种极端的情况
• 6.3 钢筋拉应力与砂浆层剪应力沿锚固长度方向的分布
• 6.4 参数研究
• 6.4.1 钢筋锚固长度L的影响
• 6.4.2 混凝土直径B的影响
• c的影响'>6.4.3 混凝土弹性模量E_c的影响
• 6.4.4 砂浆材料参数的影响
• s和k_c的影响'>6.4.5 界面刚度k_s和k_c的影响
• 6.5 小结
• 7 钢筋-砂浆-混凝土三相介质锚固体中混凝土锥形破坏研究
• 7.1 引言
• 7.2 理论推导
• 7.2.1 基本假定
• 7.2.2 理论推导
• 7.3 参数研究
• 7.3.1 锚固长度L的影响
• 7.3.2 混凝土直径B的影响
• 7.3.3 孔径D的影响
• t的影响'>7.3.4 混凝土抗拉强度f_t的影响
• 7.4 小结
• 8 锚筋从灌注于钢管内的砂浆中拔出问题的理论和试验研究
• 8.1 引言
• 8.2 理论推导
• 8.2.1 基本假定
• 8.2.2 理论推导
• 8.3 试验验证
• 8.3.1 FRP筋从灌注于钢管内的砂浆中拔出试验
• 8.3.2 高强预应力钢筋从灌注于钢管内的砂浆中拔出试验
• 8.4 小结
• 9 CFRP布加固混凝土三点弯曲切口梁的研究
• 9.1 引言
• 9.2 理论推导
• 9.2.1 基本假定
• 9.2.2 理论推导
• 9.3 试验验证
• 9.3.1 试验概况
• 9.3.2 试验结果
• 9.3.3 理论计算结果与试验结果的对比
• 9.4 小结
• 结论
• 参考文献
• 附录A 钢筋-砂浆-混凝土三相介质锚固体截面应力应变分析
• 攻读博士学位期间发表学术论文情况
• 创新点摘要
• 致谢