FRP板與混凝土材料相關

1、.摘要纖維增強復合材料(FRP)廣泛應用于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的加固中。它具有應用面廣、高強高效、施工便捷、耐久性好等一系列優(yōu)點。但在諸多因素作用下，F(xiàn)RP加固后的鋼筋混凝土梁、板等受彎構(gòu)件經(jīng)常會發(fā)生FRP與混凝土結(jié)構(gòu)表層的剝離破壞，這大大限制了這一加固技術更廣泛的應用。因此，深入研究FRP-混凝土的粘結(jié)性能對這一加固技術有重要的意義。本文詳細描述了在自行研制的試驗裝置上進行的FRP-混凝土試件的純剪試驗和彎剪試驗。通過對試驗數(shù)據(jù)和現(xiàn)象的分析，重點研究了FRP板表面應變、界面剪應力沿板長的分布規(guī)律以及試件的粘結(jié)強度。通過對比純剪脫粘試驗和彎剪脫粘試驗結(jié)果，揭示了FRP-混凝土界面剝離破壞過程、彎剪共

2、同作用對粘結(jié)強度的影響等。并將試驗結(jié)果與典型的應力-滑移簡化模型和陳-滕粘結(jié)強度模型進行對比，分析了各模型的優(yōu)劣。結(jié)果表明：(1)界面剝離破壞一般發(fā)生在膠層附近的混凝土層，從加載端開始并向自由端發(fā)展，界面的剪應力分布是不均勻的，整個過程為脆性破壞。(2)彎剪共同作用極大地降低了粘結(jié)強度，但對界面的剪應力影響不大。(3)應力-滑移簡化模型只能大概地模擬應力-滑移曲線的分布。(4)陳-滕粘結(jié)強度模型能比較精確地確定FRP的有效粘結(jié)長度，但對粘結(jié)強度的計算還存在一定的偏差。關鍵詞：FRP板；純剪試驗；彎剪試驗；界面粘結(jié)性能；界面模型*;*;AbstractAbstractFiber-Reinforc

3、ed Polymer(FRP) is widely used in the reinforcement of reinforced concrete structure.It has a series of advantages including wide application,high efficiency,convenient construction,good durability and so on.But under the influence of many factors,FRP reinforcement of reinforced concrete flexural me

4、mbers such as beams and plates often occur debonding in the surface of FRP and concrete structure,which greatly limits its further application of the reinforcement technology.For this reason,In-depth study of FRP and concrete bonding performance has irreplaceable significance to the reinforcement te

5、chnology.In this paper,pure shear test and flexure-shear test of the FRP-concrete specimens by the self-designed testing device are described in detail.Strain of FRP plates surface,the distribution regularity of interface shear stress along the plate length and the bond strength of the specimens are

6、 mainly researched by the analysis of test data and phenomena. The debonding process of FRP-concrete interface and the influence of combined action of flexure and shear on bond strength are revealed by the comparison of the test results of pure shear test and flexure-shear test.Meanwhile,test result

7、s are compared with the typical simplified stress-slip model and Chen-Teng bond strength model to analyse advantages and disadvantages of each model.Results indicate that:(1)The interface debonding generally occur the concrete layer near the rubber and start from the loading end to the free end.The

8、interface shear stress distribution is uneven,and the whole process is called as brittle failure.(2)The combined action of flexure and shear is greatly reduced the bond strength,but its effect on interfacial shear stress is not much.(3)The simplified stress-slip model can only roughly simulate the d

9、istribution of stress-slip curve.(4)Chen-Teng bond strength model can accurately determine the effective bond length of FRP,but it has a certain deviation about the calculation of bond strength.Key words:FRP plates;pure shear test;flexure-shear test;interface bond behavior;interface model;debondingI

10、II目錄目錄摘要IAbstractII目錄III第一章 緒論11.1 課題研究的背景與意義11.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀51.2.1 FRP-混凝土試件界面粘結(jié)問題的實驗研究51.2.2 FRP-混凝土梁界面應力分析61.2.3 現(xiàn)有的FRP-混凝土界面的粘結(jié)性能的理論模型61.3 本文主要研究內(nèi)容10第二章 試驗裝置和測量方法介紹112.1 試驗裝置簡介112.2 試件的制作122.2.1 混凝土試件122.2.2 FRP板122.2.3 混凝土與FRP板的粘結(jié)132.3 數(shù)字圖像相關測量方法介紹132.3.1 發(fā)展概況132.3.2 數(shù)字圖像相關在本實驗中的應用152.4 本章小結(jié)16第三章 F

11、RP-混凝土純剪脫粘的試驗研究173.1 試驗方案173.1.1 實驗前的準備173.1.2 進行試驗173.2 試驗現(xiàn)象183.3 試驗數(shù)據(jù)分析223.3.1 試件的荷載-位移曲線223.3.2 試驗測得的極限承載力、加載端滑移量及破壞模式233.3.3 FRP板表面應變分布243.3.4 粘結(jié)面應力分布283.3.5 FRP板-混凝土的應力-滑移模型303.3.6 與陳-滕抗剪粘結(jié)強度模型公式的比較323.3.7 FRP板-混凝土試件的有效粘結(jié)長度363.4 本章小結(jié)37第四章 FRP-混凝土彎剪脫粘的試驗研究384.1 試驗方案384.1.1 試驗前的準備384.1.2 進行試驗384.

12、2 試驗現(xiàn)象404.3 試驗數(shù)據(jù)分析444.3.1 試件的荷載-位移曲線444.3.2 試驗測得的極限承載力、加載端滑移量及破壞模式454.3.3 FRP板表面應變分布454.3.4 粘結(jié)面應力分布484.3.5 試驗結(jié)果與陳-滕抗剪粘結(jié)強度公式的比較494.4 純剪試驗與彎剪試驗的比較524.4.1 實驗現(xiàn)象的比較524.4.2 應變分布的比較524.4.3 應力分布的比較524.5 本章小結(jié)53第五章 總結(jié)與展望545.1 總結(jié)545.2 展望54參考文獻56VII第一章 緒論第一章 緒論1.1 課題研究的背景與意義纖維增強復合材料，簡稱FRP(Fiber Reinforced Ploym

13、er)，是增強纖維材料(碳纖維、玻璃纖、芳綸纖維)與基體材料(玻璃纖維增強不飽和聚酯、酚醛樹脂、環(huán)氧樹脂等)按一定比例混合加工后得到的高性能新型材料。 FRP具有抗拉強度高，抗疲勞性能好，抗腐蝕性能優(yōu)越，比強度高等優(yōu)點，同時，可根據(jù)不同纖維材料的纖維含量和鋪陳方式等要求，設計出不同彈性模量、強度指標、特殊性能的FRP材料，具有良好的可設計性能。常見的FRP材料有碳纖維增強復合材料(CFRP)、玻璃纖維增強復合材料(GFRP)、芳綸纖維增強復合材料(AFRP)等。新材料、新技術的發(fā)展和應用，極大地促進了土木工程結(jié)構(gòu)學科的發(fā)展。當代混凝土結(jié)構(gòu)的發(fā)展對材料新的要求與挑戰(zhàn)概括為以下四點：(1)提高混凝

14、土結(jié)構(gòu)強度、延性、使用的耐久性等一系列性能要求；(2)尋找一種能抗腐蝕的配筋材料代替配置于普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的中、低強鋼筋和配置于預應力混凝土結(jié)構(gòu)的高強鋼絲、鋼絞線；(3)修補、加固現(xiàn)有混凝土結(jié)構(gòu)，不僅能使加固后的結(jié)構(gòu)承載力高, 而且加固過程中施工難度與強度比較低；(4)能夠回收利用廢舊混凝土結(jié)構(gòu)材料，符合可持續(xù)發(fā)展要求。FRP材料優(yōu)異的力學性能，恰好能滿足以上的要求，并且很好地符合現(xiàn)代工程向跨度大，海拔高，承重強，質(zhì)量輕方向發(fā)展，所以越來越廣泛地應用于民用建筑、橋梁工程、巖土工程、海洋工程、國防工程等一系列建設與加固改造工程中。FRP在土木結(jié)構(gòu)工程中的應用主要有以下幾個方面：(1)FRP混凝

15、土結(jié)構(gòu)；(2)FRP筋預應力混凝土結(jié)構(gòu)；(3)FRP索(筋)結(jié)構(gòu)；(4)FRP組合結(jié)構(gòu)；(5)FRP加固結(jié)構(gòu)。(1)FRP混凝土結(jié)構(gòu)FRP材料已用于混凝土結(jié)構(gòu)中, 部分代替了混凝土結(jié)構(gòu)中作為受拉構(gòu)件的鋼筋的作用。主要是由于FRP材料有良好耐久性，不會像鋼筋一樣因為混凝土表面的開裂而引起銹蝕，從而影響混凝土結(jié)構(gòu)的承載力。從而在提高混凝土的抗拉強度和增強抗裂能力的同時又提升了混凝土結(jié)構(gòu)整體的耐久性。值得一提的是，耐堿玻璃纖維的發(fā)明克服了混凝土結(jié)構(gòu)整體的耐堿性能, 并且成本低, 在我國具有較長遠的應用前景。(2)FRP筋預應力混凝土結(jié)構(gòu)CFRP絞線作為橋梁預應力筋最早出現(xiàn)在日本。1988年建成的新宮

16、橋為CFRP作為預應力筋的混凝土板式公路橋。由此為開端，日本修建了一系列FRP材料作為預應力筋的混凝土橋梁1。在此期間，為了達到提高FRP筋預應力混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性和承載力，做了大量的靜載和疲勞試驗。(3)FRP索(筋)結(jié)構(gòu)2005年建成的江蘇大學校區(qū)斜拉橋是中國第一座高性能CFRP 索斜拉橋。該橋采用塔梁墩固結(jié)體系,有8對Leadline CFRP對拉索，新型套筒粘結(jié)型錨具。它的建成，為我國建成大跨度大跨度CFRP索結(jié)構(gòu)大橋作出了成功的實踐探索。(4)FRP組合(木)結(jié)構(gòu)隨著對結(jié)構(gòu)以及材料性能要求的提高，F(xiàn)RP材料作為一種新型材料還被用于制作建筑框架結(jié)構(gòu)的標準構(gòu)件。瑞士有一座由GFRP標準構(gòu)

17、件裝配而成的高性能多層拼接框架建筑物。為了減少連接件數(shù)量，構(gòu)件間用環(huán)氧樹脂粘接并進行拼接，類似于一般木結(jié)構(gòu)。(5)FRP加固結(jié)構(gòu)目前使用FRP材料進行混凝土結(jié)構(gòu)加固主要是通過環(huán)氧樹脂將FRP片材粘貼在混凝土表面而使之形成一個受力整體。混凝土梁抗剪承載力加固方式按粘貼構(gòu)造不同分為以下三種: (1)在梁的兩側(cè)面粘貼FRP的“II型”加固法；(2)在梁的兩側(cè)面和底面圍粘FRP的“U型”加固法；(3)把梁的全截面用FRP包裹起來的“包裹”加固法。FRP材料作為加固結(jié)構(gòu)的材料，具有如下的優(yōu)越性：1) 應用面廣。FRP材料可以對各種結(jié)構(gòu)類型、各種結(jié)構(gòu)形狀、各種結(jié)構(gòu)部位進行加固修補，無論是殼體結(jié)構(gòu)還是橋梁橋

18、墩，抑或是隧道還是一般的梁、板，而且具有別的加固方法所不具有的特點不改變結(jié)構(gòu)形狀及不影響結(jié)構(gòu)外觀。2) 高強高效。FRP材料的高強度、高彈性模量特點，可以用來提高混凝土結(jié)構(gòu)及構(gòu)件的延性和承載力, 高效修補加固。3) 施工便捷。工效高，質(zhì)量易保證, 無噪聲, 施工用地少，無需螺栓、鉚釘固定, 易操作，對結(jié)構(gòu)擾動小。4) 耐久性好。FRP具有良好的耐久性，特別是CFRP更是具有優(yōu)秀的耐腐蝕性, 有效抵抗建筑物中常遇的酸、堿、鹽,這樣就可以節(jié)省了大筆維修費用。5) 質(zhì)輕、不占空間。FRP材料的密度遠低于傳統(tǒng)用于修補的鋼材, 基本不增加現(xiàn)有結(jié)構(gòu)自重與尺寸。6) FRP材料與混凝土的熱膨脹系數(shù)相近。在溫

19、度變化時，F(xiàn)RP材料與混凝土協(xié)調(diào)工作，兩者間不會產(chǎn)生較大的溫度應力。7) 合理的排列方式的FRP材料的加固效果等同于鋼板的加固效果。8) 節(jié)省加固投入資金。例如，用FRP材料板代替鋼板加固混凝土梁大約節(jié)約20%資金2,3。1991年7月首次用粘貼CFRP板加固橋梁的技術加固瑞士伊巴赫橋4，用3塊共6.2kg的CFRP板代替了原計劃的175 kg的鋼板，最終花費相當。但CFRP板加固易操作,且極大地降低勞動成本。前文提到，F(xiàn)RP材料具有功能多，用途廣等一系列優(yōu)點，尤其在加固方面，具有別的任何加固方式所不具有的優(yōu)勢，所以有必要對其進行研究。而研究的重點之一，就是FRP板-混凝土粘結(jié)性能、產(chǎn)生作用的

20、機理?；谶@方面的考慮，國內(nèi)外已開展了廣泛而全面的研究，到目前為止，已取得了令人鼓舞的研究成果。FRP與混凝土之間有效地傳遞應力，是FRP-混凝土有效提高加固后結(jié)構(gòu)的承載力的關鍵。試驗及工程表明，F(xiàn)RP-混凝土的破壞往往是FRP-混凝土界面的剝離破壞或是界面附近混凝土局部破壞5,6,7,8，破壞前沒有明顯征兆，屬于脆性破壞。因此，F(xiàn)RP-混凝土界面力學性能直接影響其強度與耐久性。對FRP-混凝土界面的力學性能進行研究是FRP加固技術的關鍵問題。圖1-1 FRP-混凝土界面可能的破壞形式FRP-混凝土界面是由混凝土、粘結(jié)劑與FRP材料組成的三相介質(zhì)粘結(jié)系統(tǒng)。根據(jù)其組成材料和受環(huán)境因素影響不同，F(xiàn)

21、RP-混凝土界面有5種可能的破壞形式9(圖 1-1)：(1) 混凝土層的基體破壞；(2) 粘結(jié)膠層與混凝土的剝離破壞；(3) 粘結(jié)膠層自身的剪切破壞；(4) FRP與粘結(jié)膠層界面的脫膠破壞；(5) FRP板的分層破壞。 在FRP加固混凝土結(jié)構(gòu)中，剪應力是FRP與混凝土界面粘結(jié)應力主要方面，因此對FRP與混凝土界面受剪性能應重點研究。界面內(nèi)剪切試驗是研究界面受剪性能的有效途徑。目前，研究FRP與混凝土界面力學性能的試驗有四種：單剪實驗、雙剪實驗、梁式實驗和修正梁實驗(圖1-2)。圖1-2 FRP-混凝土界面力學性能的四種試驗單剪或雙剪試驗是力學性能最常用的試驗方法之一，因其受力狀態(tài)明確且簡單易行

22、。本文采用單剪這一試驗方法，試圖為深入地了解FRP板-混凝土的力學性能及機理提供有效的途徑。1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.2.1 FRP-混凝土試件界面粘結(jié)問題的實驗研究在復合材料，特別是FRP新型材料出現(xiàn)之前，混凝土結(jié)構(gòu)的加固一般是通過將鋼板粘結(jié)到混凝土結(jié)構(gòu)上得以實現(xiàn)的。當然，這種加固方式一直沿用至今。Van Gemert10在1980年率先通過雙剪試驗，研究了鋼板加固混凝土結(jié)構(gòu)的粘結(jié)性能，給出了鋼板-混凝土界面的最大剪應力和平均剪應力值、應力分布的傳遞規(guī)律以及計算公式。復合材料出現(xiàn)后，Kobatake11，Chajes12,13進行了類似的試驗研究。當FRP新型材料面世，Neubauer14，

23、姚諫15和任慧韜16等又采用類似方法研究了FRP-混凝土界面的力學性能。 楊勇新等17研究208個FRP-混凝土試件在四種(正拉、推剪、拉剪、彎拉)受力狀態(tài)的粘結(jié)性能，比較了這四種受力狀態(tài)下的粘結(jié)強度，建立了這四種受力狀態(tài)的數(shù)學聯(lián)系；初步分析了FRP-混凝土的粘結(jié)機理；并指出影響向FRP-混凝土粘結(jié)強度的幾個因素：粘結(jié)質(zhì)量、混凝土強度等級、粘結(jié)面的受力形式等。Sharma等18基于單剪試驗，著重研究FRP-混凝土界面有效粘結(jié)長度對粘結(jié)強度的影響，發(fā)現(xiàn)FRP-混凝土的粘結(jié)強度不會因FRP板的粘結(jié)長度增加而持續(xù)增加，故而他引入“有效粘結(jié)長度”的概念。繼而，他分析了影響有效粘結(jié)長度與粘結(jié)強度的因素：

24、混凝土的寬度、抗拉強度以及FRP的寬度、厚度、彈模、抗拉強度。Ali-Ahmad等19采用單剪試驗方式，并利用先進的數(shù)字圖像相關技術，精確測量FRP-混凝土試件FRP板表面的應變分布。采用單調(diào)加載和周期加載這兩種加載方式，指出兩種加載方式的應力分布是同一的；研究了FRP板脫粘過程；確定在不同脫粘階段應力傳遞；根據(jù)產(chǎn)生脫粘的裂紋擴展，增進荷載-滑移反應的基本理解；建立FRP板-混凝土界面粘結(jié)的材料規(guī)律；揭示了極限破壞與FRP板的不穩(wěn)定回彈有關。姚諫15采用單剪試驗方法，揭示了：FRP板與混凝土寬度比，是決定是FRP剝離破壞還是拉剪破壞的主要因素；影響界面粘結(jié)強度的因素有：FRP板與混凝土的寬度比

25、、FRP板與混凝土的粘結(jié)長度、試件的對中偏位；驗證“陳-滕”粘結(jié)強度公式適用范圍。曹雙寅等20雙剪試驗，利用電子散斑干涉技術(ESPI)測量了FRP板-混凝土界面的變形場。重點研究結(jié)合面的粘結(jié)滑移本構(gòu)關系，考慮應力峰值及其對應滑移量、極限滑移量、初始剛度、下降剛度等一系列控制參數(shù)，確定了FRP板-混凝土結(jié)合面粘結(jié)滑移關系曲線的基本模式。胡安妮21采用單剪實驗的方法，以FRP-混凝土初始斷裂韌性作為指標，研究了在水環(huán)境、鹽水環(huán)境、堿性環(huán)境、干濕交替循環(huán)以及凍融循環(huán)作用等各種腐蝕環(huán)境下，F(xiàn)RP-混凝土粘結(jié)面破壞特征的變化以及對其耐久性產(chǎn)生的影響程度。1.2.2 FRP-混凝土梁界面應力分析分析試驗

26、數(shù)據(jù)，從事理論研究，歸根結(jié)底，都是為實際工程問題服務的?；谶@兩點，一些學者對FRP材料加固混凝土梁的界面應力進行了分析和計算。曹雙寅等22考慮不同CFRP混凝土粘結(jié)寬度、不同CFRP用量以及各種裂縫條件下的彎曲裂縫性能進行試驗，測量CFRP應變分布，從而得到CFRP-混凝土局部粘結(jié)滑移曲線特征。通過模擬裂縫寬度，驗證了粘結(jié)-滑移理論的裂縫分析模型的合理性。潘金龍等23通過2個對稱的集中荷載對7組21根組合梁進行抗彎試驗，研究組合梁在彎曲和彎剪裂縫所導致FRP剝離破壞的過程和形態(tài)，試驗表明他們的破壞模式是不同的。同時分析了FRP的粘結(jié)長度與組合梁的極限荷載以及豎向位移呈現(xiàn)相反的關系。琚宏昌等2

27、4描述了板端脫膠破壞和跨中裂縫導致的脫膠破壞這兩種脫膠破壞的形式。討論了在跨中裂縫導致的脫膠破壞形式中的界面剪應力、膠結(jié)滑移以及FRP軸向力，并且用試驗數(shù)據(jù)進行了驗證。同時討論了膠結(jié)層厚度對界面性能、膠結(jié)長度對界面承載力的影響。郭樟根等25通過對FRP加固混凝土梁進行粘結(jié)性能的試驗研究，驗證了FRP板的有效粘結(jié)長度，分析了FRP板的應變與粘結(jié)面剪應力發(fā)展規(guī)律，提出了有效粘結(jié)長度公式以及剪應力-滑移模型。1.2.3 現(xiàn)有的FRP-混凝土界面的粘結(jié)性能的理論模型一、粘結(jié)強度模型自1996年以來，有許多粘結(jié)強度模型對FRP-混凝土粘結(jié)面粘結(jié)強度進行了預測。文獻中記載的有12個模型，其中8個模型被陳、

28、滕26驗證，繼而被進一步發(fā)展。這12個模型的提出者與包含的參數(shù)列于表1-1。表1-1 粘結(jié)強度模型及其考慮的參數(shù)序號粘結(jié)強度模型混凝土強度FRP板彈模有效粘結(jié)長度FRP板寬度系數(shù)1Tanaka無無無無2Hiroyuki and Wu無無無無3van Gemert有無無無4Maeda et al.有有有無5Neubauer and Rostasy有有有有6Khalifa et al.有有有無7Chaallal et al.無有無無8Chen and Teng有有有有9Izumo有有無無10Sato有有有無11Iso有有有無12Yang et al.有有有無二、應力-滑移模型直接靠剪切試驗得到局部

29、應力或者應力-滑移曲線是有難度的。但是基于測量應變或者荷載-滑移曲線，可以得到FRP-混凝土粘結(jié)面的應力-滑移模型?，F(xiàn)有6個有效的應力-滑移模型，列于表1-2?，F(xiàn)有的界面模型包括粘結(jié)強度模型和應力-滑移本構(gòu)模型。其中，粘結(jié)強度模型只能給出界面的剝離承載力，而粘結(jié)滑移本構(gòu)模型則可以給出整個界面剝離過程以及界面應力應變的分布規(guī)律。因此，F(xiàn)RP-混凝土界面的粘結(jié)滑移本構(gòu)關系是FRP加固混凝土結(jié)構(gòu)受力分析的基礎。目前，采用四種方法可獲得FRP-混凝土界面的粘結(jié)滑移本構(gòu)關系：(1)將大量的應變片沿著板長度方向均勻貼在FRP板上，讀取應變片的讀數(shù)，取相鄰應變片讀數(shù)，利用公式得到局部平均粘結(jié)剪應力。接著還是

30、取應變片的讀數(shù)，并進行疊加，進而得到局部滑移量。由此便可以得到局部平均粘結(jié)剪應力與局部滑移量的對應數(shù)據(jù)，將其整合起來，便是粘結(jié)滑移本構(gòu)關系曲線。大量的實驗結(jié)果表明，由此得到的粘結(jié)滑移本構(gòu)關系并不能呈現(xiàn)令人滿意的規(guī)律，原因是混凝土材料組分，包括試驗時產(chǎn)生的裂縫都是隨機分布的。另外膠層厚度不均勻也是一個影響因素。除此之外，在用應變片測量時由于測量標距的限制，測點處應變片得到的應變值與實際應變值會存在一定的誤差27,28。(2)也是通過直接試驗的方法，借助于數(shù)字圖像相關技術測量FRP板的表面變形，可以較好地克服第一種方法的部分局限性，消除應變片的一些弊端。本實驗就是采用這種方法。(3)通過加載端的荷

31、載滑移曲線通過簡單的推導，可以推算出界面的粘結(jié)滑移關系27。該方法需要確定界面的剪切斷裂能與界面延性指數(shù)這兩個參數(shù)。但是，后來又發(fā)現(xiàn)，不同的局部粘結(jié)滑移關系可以得到相似的荷載滑移曲線，所以這種方法有很大的局限性。(4)通過有限元模擬了試驗中FRP與混凝土界面的粘結(jié)破壞，提出基于有限元的粘結(jié)滑移本構(gòu)模型29。9第一章 緒論表1-2 應力-滑移模型及其參數(shù)應力-滑移模型上升段下降段最大剪應力最大剪應力處的滑移量剪應力為零時的滑移量FRP板寬度系數(shù)Neubauer and RostasyNakaba et al.Monti et al.Savioa et al.Dai and UedaUeda et

32、 al.111.3 本文主要研究內(nèi)容國內(nèi)外對FRP板-混凝土粘結(jié)力學性能作了大量的研究工作，主要內(nèi)容包括：(1) 設計了大量的實驗方案，包括研制了相關的試驗裝置，改善測量方法以提高測量的精度。同時，充分考慮了影響粘結(jié)性能的一系列參數(shù)(粘結(jié)長度，粘結(jié)面積，F(xiàn)RP板與混凝土的寬度比等)，并對這些參數(shù)進行系統(tǒng)的分析。(2)基于實驗結(jié)果，進行數(shù)據(jù)的有效處理，提出了一些經(jīng)驗、半經(jīng)驗的界面粘結(jié)滑移本構(gòu)關系模型；通過有限元軟件，同樣建立了一些粘結(jié)滑移本構(gòu)關系模型。(3)對影響FRP-混凝土粘結(jié)性能的因素進行了預測，并通過實驗將預測的因素量化，得到了這些因素對其粘結(jié)性能的影響程度。這些工作取得了大量的研究成果

33、，但仍存在一些不足：(1)實驗的測量手段比較落后。前文提到，在做為了得到FRP-混凝土界面的粘結(jié)滑移本構(gòu)關系的面內(nèi)剪切試驗時，由于應變片標距的限制，應變測點不能布置得非常密，由差分得到的界面粘結(jié)應力會存在一定的誤差。(2)通常的實驗，并沒有考慮FRP板受到彎剪共同作用及其對極限承載力的影響。針對以上兩個問題，本實驗作了如下兩個工作：(1)采用先進的數(shù)字圖像相關技術來測量FRP板的變形與應變，消除因應變片測量標距的影響，消除了由此而產(chǎn)生的實驗誤差。(2)設計了一套實驗裝置與實驗方案(彎剪實驗)，定性分析彎、剪共同作用對FRP-混凝土粘結(jié)承載力的影響。第二章 試驗裝置和測量方法介紹第二章 試驗裝置

34、和測量方法介紹2.1 試驗裝置簡介全部的試驗在自己設計制作的裝置(圖2-1)上完成。結(jié)合純剪試驗和彎剪試驗的要求，集成于一個裝置上。該裝置有如下組成部分：帶四個孔的上底板，帶八個孔的下底板，四根帶螺紋的鋼條，兩塊焊有小剛條(作為下拉頭連接試驗機夾頭)的擋板，上拉頭，夾具。在進行純剪試驗與彎剪試驗時，要分別組裝試驗裝置。組裝后的試驗裝置主要有如下區(qū)別：(1)分別選用下底板的兩組(每組4個)孔；(2)選用的擋板不同；(3)在彎剪試驗時，要用到上拉頭和夾具，而純剪試驗時，試驗機的上夾頭直接夾住FRP板。 圖2-1 試驗裝置2.2 試件的制作2.2.1 混凝土試件混凝土試件采用一定配合比進行澆注，強度

35、等級為C30，試件尺寸為50mm 100mm300mm。總共澆注14個試件，混凝土配合比見表2-1。表2-1 柱體混凝土試件配合比W/C配合比kg/m3水泥黃沙碎石粉煤灰礦粉減水劑膨脹劑水0.443408499195127836200考慮到現(xiàn)存沒有的鋼模，同時必須保證混凝土的上、下兩個橫截面平整，所以使用自落式攪拌機將原材料攪拌均勻后，先澆注到100mm100mm300mm鋼模中，插入式振搗棒振搗成型，三天后拆模，標準養(yǎng)護28天。試驗前，將14塊試件分別在切割機上切割，縱向兩頭分別切除50mm。同時，沿寬度方向?qū)⒚繅K試件一切為二，這樣，不僅得到了50mm100mm300mm的混凝土試件，而且無

36、需再處理即得到光滑平整的骨料層。2.2.2 FRP板板寬的確定：姚諫15等人指出，當FRP板與混凝土的寬度比時，試件破壞前的剝離發(fā)展過程幾乎觀察不到，沒有預兆，破壞突然發(fā)生，為脆性破壞，而且這一脆性破壞的現(xiàn)象與FRP板材的種類無關。同時，考慮到如果FRP的寬度太小，則難以準確切割。基于這兩點，故將FRP板寬度尺寸定為20mm。板長的確定：試驗要求的不同粘結(jié)長度與夾持的長度之和確定?；炷僚cFRP板的力學性能見表2-2。表2-2 試件組成材料的力學性能混凝土FRP板立方體抗壓強度彈性模量抗拉強度彈性模量極限拉應變29.328.241142561.612.2.3 混凝土與FRP板的粘結(jié)將切割后的混

37、凝土試件與FRP板用樹脂膠進行粘結(jié)。三天后，待膠水完全將混凝土試件與FRP板完全粘結(jié)牢固，將試件組裝到裝置上，進行試驗。FRP板-混凝土試件的尺寸參數(shù)匯總于表2-3。表2-3 FRP-混凝土試件的尺寸參數(shù)試驗類型試件編號粘結(jié)長度FRP板寬度混凝土塊寬度寬度比純剪SS-8080201000.2SS-9090201000.2SS-100100201000.2SS-110110201000.2SS-120120201000.2SS-150150201000.2SS-160160201000.2SS-180180201000.2彎剪BS-8080201000.2BS-9090201000.2BS-10

38、0100201000.2BS-110110201000.2BS-120120201000.2BS-150150201000.22.3 數(shù)字圖像相關測量方法介紹2.3.1 發(fā)展概況數(shù)字圖像相關DIC(digital image correlation)，又稱數(shù)字散斑相關方法DSCM(digital speckle correlation method)，計算機輔助散斑干涉法CASI(computer-aided speckle interferometry)，電子散斑攝影技術ESP(electronic speckle photography)，文理相關(texture correlation)

39、。該辦法是在80年代由日本學者Yamaguchi30以及美國的Peters和Ranson31教授分別獨立提出的。Yamaguchi的研究思路是采用激光光束照射物體表面形成散斑，并借助計算機，測量物體變形前后光強的相關函數(shù)峰值，同時基于相關理論，得出物體的位移，從而實現(xiàn)小區(qū)域小變形的實時測量。其研究重點是測量一維變形場，并進行相關的儀器化工作。Peters與Ronson利用計算機和圖像掃描設備獲得物體變形前后的散斑圖，通過對物體變形前后得到的灰度場進行迭代運算，找出相關系數(shù)的極值從而得到封閉區(qū)域內(nèi)的位移場與應變場，再通過邊界積分方程求得變形場。其后，一大批學學者在搜索方法、相關匹配、位移場與應變

40、場、降噪處理這四個方面，對數(shù)字圖像相關方法進行了優(yōu)化與發(fā)展。(1) 搜索方法：Sutton等32人，1983年提出了粗-細相關搜索法，簡化了數(shù)字相關方法；1986年提出的優(yōu)化搜索法，大大提高了搜索速度。T.C.Chu和Ranson33，在1985年提出了雙參數(shù)法，提高了計算速度，保證了計算精度。Bruck等34人，在1989年提出的基于二元三次樣條差值亞像素重構(gòu)的Newton-Rapshon相關搜索法，極大地推進了計算效率與計算精度。芮嘉白等35，于1994年提出了十字搜索法，將相關搜索維度從二維轉(zhuǎn)化到了一維，從而提高了搜索的效率。搜索的方法與數(shù)學算法密切聯(lián)系。與之相關聯(lián)的算法大類有純數(shù)學理論

41、算法和智能算法。純數(shù)學算法有：差分簡化法、后驗算算法、小波算法、基于B樣條插值函數(shù)方法等。智能算法有：蟻群算法、遺傳算法、粒子群算法、模擬退火算法、神經(jīng)網(wǎng)絡算法等。目前，有些算法還沒有有效地應用到具體的搜索方法中，還有待進一步研究使其更具應用價值。(2) 相關匹配數(shù)字圖像相關方法模板匹配可以在空域中和頻域中進行。空域法，是指利用坐標、數(shù)值等空間信息，實行相關匹配。頻域法，指在頻域中實行相關匹配的方法，該方法又稱為頻域數(shù)字散斑相關方法。這兩種方法都要基于相關函數(shù)，因此合理、準確的相關函數(shù)是進行相關匹配的關鍵。目前，相關函數(shù)分為三大類31：參數(shù)最小平方距離函數(shù)、互相關函數(shù)、最小平方距離函數(shù)。亓東平

42、等36等對頻域相關搜索進行了改進，將頻率匹配濾波應用于提取圖像位移信息，提高了頻域法的搜索精度和計算速度。Tong W37對多種相關函數(shù)進行了計算效率、抗干擾能力等研究，得到了三類相關函數(shù)具有模板相關性判斷的等效性。(3) 位移場與應變場1989年Thomas C.W.Mak等38基于數(shù)字圖像相關法測量復合材料的裂紋二維變形矢量與應變場。1991年，M.A.sutton等39提出了基于離散位移場的應變測量方法，提高了應變測量精度。1993年Luo和Chao提出了利用雙攝像機系統(tǒng)測量離面位移，得到了三維位移的全新測量方法。1995 年，M.A.stutton40等基于已知應變場分離彈塑性應變計算

43、應力場，奠定了數(shù)字相關測量技術分析斷裂等彈塑性問題的基礎。1997 年，W.Tong41通過B樣條數(shù)據(jù)光滑方法和位移平均法平滑位移場，大大降低了應變的誤差。2006 年，G. Besnard等42等提出了擴展數(shù)字圖像相關法，將擴展有限元位移分解的思想應用到數(shù)字圖像相關法中，通過求局部殘余的極小值來達到測量位移。(4) 降噪處理較高的信噪比有利于得到更為理想和有效的實驗數(shù)據(jù)，因此降低噪音對應變測量的影響也是研究的重點。降噪的具體方法有理論方面的，也有硬件方面的，還有試驗操作規(guī)范方面的。理論方面，Mallat等43提出了圖像信息的小波表示，是小波降噪方法的開端。硬件方面，2010年，李茜44研究了

44、硬件部分引起的噪音，并提出了硬件噪音矯正方法。操作規(guī)范方面，王冬梅等45提出了降低試驗操作誤差的試驗規(guī)范。2.3.2 數(shù)字圖像相關在本實驗中的應用2003年，姚諫15等采用單剪試驗方法，考慮FRP板粘結(jié)長度、支座高度、對中偏位、FRP板與混凝土塊的寬度比等因素，對FRP板與混凝土塊粘結(jié)性能進行試驗研究。其測量FRP板表面變形的手段是通過應變片來實現(xiàn)，在精度方面，與數(shù)字圖像相關方法還有一定的差距。同時，在彎曲、剪力共同作用的研究方面還不夠深入。2006年，Mohamad Ali-Ahmad46等人,應用數(shù)字圖像相關方法對FRP板與混凝土塊的粘結(jié)強度進行了深入研究。詳細研究了脫粘過程，確定了在脫粘

45、不同階段的應力傳遞，增進了荷載-滑移反應的基本理解，建立了FRP-混凝土界面粘結(jié)的材料規(guī)律，分析了失效反應中不穩(wěn)定性的本質(zhì)，即回彈。但是美中不足的是，他們沒有研究試件“彎、剪共同作用”對粘結(jié)強度的影響，而且試驗的裝置也有一定的局限性，并不能在所有的拉伸試驗機上進行試驗。所以，針對以上兩個方面，結(jié)合他們研究的優(yōu)點，本實驗既采用精度較高的數(shù)字圖像相關方法，又對彎、剪共同作用進行了比較深入的研究，希望在他們的基礎上，得到一些有益的結(jié)果。2.4 本章小結(jié) (1) 簡要介紹了自己研制的用于研究FRP-混凝土粘結(jié)性能的裝置，該裝置能用于FRP板-混凝土試件純剪與彎剪兩個實驗。(2) 制作了試驗用的混凝土試

46、件，并測定混凝土與FRP板的力學性能。(3) 簡單介紹了用于測量試件表面變形的數(shù)字圖像相關方法(DIC)。19第三章 FRP-混凝土純剪脫粘的試驗研究第三章 FRP-混凝土純剪脫粘的試驗研究3.1 試驗方案3.1.1 實驗前的準備同批澆注8塊混凝土立方體試件，尺寸為長100mm，寬50mm，高300mm。用磨砂紙打磨待測混凝土表面，并用干抹布將表面擦干凈。將8塊寬度20mm，長度分別為80mm，90mm，100mm，110mm，120mm，150mm，160mm，180mm的FRP板用樹脂膠貼于待測混凝土表面，用滾輪擠出里面氣泡。施重物于FRP板上，持續(xù)時間三天，保證FRP板與混凝土完全粘結(jié)。

47、試件尺寸如圖3-1所示，試件實物如圖3-2所示。 圖3-1 試件尺寸 圖3-2 試件實物為了得到光測用的散斑，待FRP板與混凝土表面完全粘結(jié)后，分別用白、黑兩種顏色的噴漆噴涂于待測面。噴涂步驟：(1)均勻噴灑白色噴漆完全覆蓋FRP板表面，并置于通風處晾干；(2)待白色噴漆完全干燥后，輕點黑色噴漆噴口，使黑漆不連續(xù)噴出。待測面的黑漆為點狀分布。同樣置于通風口處晾干。3.1.2 進行試驗 (1) 試驗機的設置將固定有FRP板-混凝土試件的組裝好的試驗裝置放在CSS44100型10噸試驗機上進行試驗。如圖3.4所示。Ali-Ahmad等47指出，試驗的結(jié)果不隨加載方式的不同而不同，故本實驗采用位移控

48、制下的單調(diào)加載模式。開動試驗機之前，編制好試驗機控制程序，設置主要參數(shù)試驗機拉伸速率。設置拉伸速率為0.03mm/min。(2) 光測設備的設置本實驗采用光測技術對FRP板表面變形進行測量。將光測鏡頭數(shù)據(jù)線連接計算機，觀察計算機屏幕，調(diào)節(jié)鏡頭的高度與焦距，直到能清晰地看到FRP板上的散斑為止。設置照相頻率為5幅/秒。分兩人同時按下試驗機與光測程序開始按鈕，使試驗機加載與光測同步。純剪裝置模型圖和純剪裝置圖如圖3-3、圖3-4所示。 圖3-3 純剪裝置模型 圖3-4 純剪裝置3.2 試驗現(xiàn)象一、肉眼觀察到的試驗現(xiàn)象：對于試SS-80、SS-90、SS-100，從開始加載到破壞，并沒有觀察到任何明

49、顯的現(xiàn)象；只是當荷載增加到非常接近極限荷載時，能聽到噼啪聲，最后“嘭”的一聲，F(xiàn)RP板與混凝土表面剝離。對于試件SS-110SS-180，從加載之后的很長一段時間里，并不能看到粘結(jié)面外沿明顯的變化；隨著外加荷載的增加，粘結(jié)面靠近FRP自由端處能觀察到沿著FRP板長度方向上的裂縫(圖3-5)，且裂縫并不是非常明顯。荷載繼續(xù)增加，伴隨著撕裂的噼啪聲，裂縫向下擴展(試件SS-180比較明顯)，最后破壞。將破壞后的試件取下，可以觀察到試件的破壞模式，例舉試件SS-150、SS-160與SS-180(圖3-6)。圖3-5 FRP-混凝土粘結(jié)面外沿裂縫擴展 SS-110 SS-150 SS-160 SS-

50、180 圖3-6 試件SS-110、SS-150、SS-160、SS-180的破壞模式二、光測微機屏幕上的現(xiàn)象：選擇觀察試件豎直方向上的應變，可以很明顯地觀察到不同時刻FRP板的應變分布。以截取試件SS-150不同時刻應變分布情況為例，敘述FRP板應變分布變化(圖3-7)。(1)加載前期，板上各部分應變均很小。應變峰值出現(xiàn)在加載端附近的一個小區(qū)域內(nèi)，其值為。應變峰值附近區(qū)域的應變接近0.0002，板的其余部分應變均不超過0.0002。隨著荷載增加，當應變峰值達到0.000985時，其附近區(qū)域的應變也超過了0.000779，此時應變峰值的位置基本上沒有變化。(2)加載中期，荷載繼續(xù)增大，峰值應變

51、()在持續(xù)增加的同時，其位置也在向板的自由端移動。整個板的應變都較加載前期有所增加，應變最小值0.0005出現(xiàn)在板的自由端。板中與自由端之間的區(qū)域的應變都很小，在0.0001到0.0003之間。(3)加載后期，應變峰值()的位置較加載中期時基本上沒有變化，自由端的應變也僅僅達到0.001。(a)(b)(c)(d)圖3-7 試件SS-180上FRP板不同時刻的應變分布情況3.3 試驗數(shù)據(jù)分析3.3.1 試件的荷載-位移曲線從試驗機上的數(shù)據(jù)可以得到試件的荷載-位移曲線如圖3-8(以試件SS-120為例)： 圖3-8 試件SS-120的荷載-位移曲線3.3.2 試驗測得的極限承載力、加載端滑移量及破

52、壞模式匯總試驗數(shù)據(jù)，可以得到各個試件的在純剪條件下的界面極限承載力、加載端滑移量；通過觀察試件，可以得到相應的破壞模式，列于表3-1。表3-1 純剪試驗試件的極限承載力、加載端滑移量及破壞模式試件編號粘結(jié)長度界面極限承載力(N)加載端滑移量(mm)破壞模式SS-80806195.80.095膠層發(fā)生破壞SS-90904309.80.093膠層發(fā)生破壞SS-1001004639.20.262FRP-混凝凝土界面剝離SS-1101108586.00.204FRP-混凝凝土界面剝離SS-1201206652.40.151FRP-混凝凝土界面剝離SS-1501505127.30.267FRP-混凝凝土

53、界面剝離SS-1601606168.80.033FRP-混凝凝土界面剝離SS-1801807280.40.195FRP-混凝凝土界面剝離按界面的極限承載力將各試件進行匯總(圖3-9)，除去試件SS-80，隨著粘結(jié)長度的增加，界面極限承載力是先增大(粘結(jié)長度為110mm時達到最大值)，然后呈現(xiàn)平穩(wěn)的趨勢。SS-80試件雖然粘結(jié)長度僅僅為80mm，但是其界面極限承載力卻很大，可能的原因是FRP板正好貼于粗骨料集中的部分，該部分砂漿比較少。試件SS-110，其界面極限承載力最大，也是基于這個原因。圖3-9 不同粘結(jié)長度的FRP-混凝土試件極限承載力分布圖3.3.3 FRP板表面應變分布Ali-Ahm

54、ad等19指出，在進行FRP-混凝土粘結(jié)性能試驗時，F(xiàn)RP板始終是在彈性范圍內(nèi)的，F(xiàn)RP板表面的應變分布能較好地反映FRP-混凝土粘結(jié)面的應變分布情，如圖3-10所示。分析DIC采集的數(shù)據(jù)，選取了不同試件在不同加載時刻(即不同荷載階段)-極限荷載的20%、40%、80%、100%的FRP板應變沿板長的分布(圖3-11(a)(e)，并將在極限荷載時各個試件的應變分布進行匯總(圖3-11(f)。需要說明的是，SS-80，SS-110和SS-180的應變-板長曲線與其實試件的應變-板長曲線偏差很大。本文對其應變-板長曲線分布規(guī)律，將在3.3.6中進行分析。圖3-10 FRP板應力-應變關系19 (a) (b) 圖3-11(a)是粘結(jié)長度為90mm的FRP-混凝土試件在不同荷載階段的應變沿板長的分布。(1)在加載前期(0至40%的極限荷載)，靠近加載端的一部分區(qū)域內(nèi)，應變?yōu)樨撝?，這部分板呈受壓狀態(tài)，原因可能是混凝土層對FRP板向下的拉結(jié)力阻礙了這部分板向上變形，而且其拉結(jié)力大于外荷載，加上該區(qū)域以外的一部分FRP板纖維已經(jīng)產(chǎn)生了一定的拉伸變形，對該區(qū)域的FRP板纖維產(chǎn)生擠壓。所以在圖上可以明顯的看到，加載端并非通常認為的峰值位置，真正的峰值在距離加載端20mm的某一位置處，且這一特征貫穿試驗的全過程。在加載中后期(40