GFRP橋面板黏結(jié)界面力學(xué)分析與試驗(yàn)研究.pdf

1、GFRP橋面板以其輕質(zhì)、高強(qiáng)、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，近年來已在橋梁工程中得到越來越廣泛地應(yīng)用。GFRP構(gòu)件黏結(jié)界面是GFRP橋面板的一個(gè)重要組成部分，它決定各構(gòu)件能否有效協(xié)同承載和承受溫度變化引起的變形。黏結(jié)界面性能的好壞對(duì)結(jié)構(gòu)性能產(chǎn)生重要的影響，在實(shí)際工程中經(jīng)常發(fā)生因?yàn)轲そY(jié)界面首先破壞而危及整個(gè)結(jié)構(gòu)的現(xiàn)象，結(jié)構(gòu)的整體承載能力往往不是橋面板本身的材料強(qiáng)度決定，而是取決于界面的黏結(jié)強(qiáng)度和斷裂韌性。本論文在國家自然科學(xué)基金(50878048、509

2、78055)、國家973計(jì)劃項(xiàng)目(2012CB026200)子課題的支持下，圍繞GFRP橋面板構(gòu)件黏結(jié)界面失效、斷裂行為等亟待解決的關(guān)鍵問題，對(duì)GFRP橋面板構(gòu)件間粘結(jié)界面破壞模式、破壞機(jī)理進(jìn)行分析，對(duì)粘結(jié)界面斷裂行為進(jìn)行研究;分析荷載和溫度作用下GFRP橋面板結(jié)構(gòu)的力學(xué)響應(yīng)特別是黏結(jié)界面的力學(xué)響應(yīng)。主要研究工作如下:
　　(1)分析了GFRP橋面板黏結(jié)接頭的破壞模式、破壞機(jī)理。以單搭黏結(jié)接頭的膠層為研究對(duì)象，基于Hart-Smi

3、th公式計(jì)算了GFRP單搭接界面的彈性、彈塑性應(yīng)力分布，根據(jù)膠層最大剪應(yīng)變準(zhǔn)則得到了膠層剪切失效時(shí)接頭的極限承載力，并探討了搭接參數(shù)對(duì)彈性應(yīng)力和極限承載力的影響。隨后，開展了GFRP橋面板黏結(jié)界面力學(xué)性能的試驗(yàn)研究，得到了黏結(jié)界面實(shí)際的破壞模式，分析了其破壞機(jī)理，考慮了黏結(jié)參數(shù)對(duì)黏結(jié)強(qiáng)度的影響，建立了復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的FRP界面黏結(jié)強(qiáng)度準(zhǔn)則。研究成果可為GFRP橋面板黏結(jié)界面安全評(píng)估提供科學(xué)依據(jù)。
　　(2)基于彈性地基梁理論，考慮

4、了GFRP板的剪切變形、以及裂尖轉(zhuǎn)角和位移對(duì)梁變形的影響，對(duì)雙懸臂(DCB)膠結(jié)試件進(jìn)行了分析，得到了柔度與Ⅰ型能量釋放率的解析式。考慮膠層對(duì)變形的影響，利用Goodman彈性夾層假設(shè)推導(dǎo)了4ENF和4MMB試件在四點(diǎn)彎作用下的撓度變形公式，得到了Ⅱ型和混合型能量釋放率解析表達(dá)式。開展了復(fù)合材料Ⅰ型、Ⅱ型和混合型試件膠結(jié)界面斷裂試驗(yàn)研究。將試驗(yàn)測得的臨界荷載結(jié)合理論公式求得其界面裂紋斷裂韌性，線性回歸得到裂紋尖端復(fù)合變形下的斷裂準(zhǔn)則。此

5、外，對(duì)粘結(jié)界面裂紋擴(kuò)展進(jìn)行了有限元數(shù)值模擬，驗(yàn)證了提出的斷裂準(zhǔn)則的正確性。
　　(3)通過GFRP橋面板的靜力試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)了粘結(jié)界面破壞先于其他破壞模式首先發(fā)生。通過對(duì)黏結(jié)界面端的應(yīng)力場分析，得到了橋面板粘結(jié)界面端的奇異系數(shù)，并提出了減小應(yīng)力奇異性的辦法。根據(jù)Chamis模型方法，建立了包含黏結(jié)膠層GFRP橋面板的細(xì)觀力學(xué)有限元模型，將有限元計(jì)算結(jié)果與GFRP橋面板靜載試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。研究發(fā)現(xiàn)在荷載作用下，構(gòu)件間膠結(jié)界面的剪應(yīng)力

6、較大，應(yīng)用第二章提出的粘結(jié)界面強(qiáng)度準(zhǔn)則得到了界面失效系數(shù)最大值達(dá)0.66，而材料的蔡-吳系數(shù)為0.42，表明界面為橋面板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的薄弱環(huán)節(jié)。分析了管材截面參數(shù)和膠層參數(shù)對(duì)GFRP界面應(yīng)力的影響。對(duì)GFRP橋面板在荷載作用下的穩(wěn)定性進(jìn)行了驗(yàn)算，討論了頂?shù)装搴瘛⒏拱搴穸?、?gòu)件高度、倒角半徑對(duì)橋面板屈曲性能的影響。
　　(4)采用彈性等效理論將GFRP橋面板彈性等效為正交異性板。根據(jù)正交異性板殼理論，基于基爾霍夫假定，推導(dǎo)了溫度作用下G

7、FRP橋面板的撓曲面控制微分方程，應(yīng)用納維解法計(jì)算出了板的撓度、轉(zhuǎn)角和內(nèi)力。分析了三種溫差模式對(duì)GFRP橋面板力學(xué)性能的影響，結(jié)果表明:溫差作用對(duì)GFRP橋面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響非常不利，整體降溫引起的橋面板內(nèi)應(yīng)力值和膠界面應(yīng)力值大于整體升溫、梯度溫度變化作用，需將整體降溫在GFRP橋面板設(shè)計(jì)中重點(diǎn)加以考慮。
　　(5)對(duì)含黏結(jié)界面裂縫橋面板的受力性能進(jìn)行了數(shù)值分析。采用虛擬裂紋閉合法計(jì)算了不同工況下GFRP構(gòu)件間粘結(jié)界面裂紋尖端的能量