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原文传递 GFRP桥面板黏结界面力学分析与试验研究

论文题名：	GFRP桥面板黏结界面力学分析与试验研究
关键词：	钢组合结构桥面板;黏结界面;力学分析;数值计算;使用寿命
摘要：	GFRP桥面板以其轻质、高强、耐腐蚀等优点，近年来已在桥梁工程中得到越来越广泛地应用。GFRP构件黏结界面是GFRP桥面板的一个重要组成部分，它决定各构件能否有效协同承载和承受温度变化引起的变形。黏结界面性能的好坏对结构性能产生重要的影响，在实际工程中经常发生因为黏结界面首先破坏而危及整个结构的现象，结构的整体承载能力往往不是桥面板本身的材料强度决定，而是取决于界面的黏结强度和断裂韧性。本论文在国家自然科学基金(50878048、50978055)、国家973计划项目(2012CB026200)子课题的支持下，围绕GFRP桥面板构件黏结界面失效、断裂行为等亟待解决的关键问题，对GFRP桥面板构件间粘结界面破坏模式、破坏机理进行分析，对粘结界面断裂行为进行研究;分析荷载和温度作用下GFRP桥面板结构的力学响应特别是黏结界面的力学响应。主要研究工作如下: 　　(1)分析了GFRP桥面板黏结接头的破坏模式、破坏机理。以单搭黏结接头的胶层为研究对象，基于Hart-Smith公式计算了GFRP单搭接界面的弹性、弹塑性应力分布，根据胶层最大剪应变准则得到了胶层剪切失效时接头的极限承载力，并探讨了搭接参数对弹性应力和极限承载力的影响。随后，开展了GFRP桥面板黏结界面力学性能的试验研究，得到了黏结界面实际的破坏模式，分析了其破坏机理，考虑了黏结参数对黏结强度的影响，建立了复杂应力状态下的FRP界面黏结强度准则。研究成果可为GFRP桥面板黏结界面安全评估提供科学依据。　　(2)基于弹性地基梁理论，考虑了GFRP板的剪切变形、以及裂尖转角和位移对梁变形的影响，对双悬臂(DCB)胶结试件进行了分析，得到了柔度与Ⅰ型能量释放率的解析式。考虑胶层对变形的影响，利用Goodman弹性夹层假设推导了4ENF和4MMB试件在四点弯作用下的挠度变形公式，得到了Ⅱ型和混合型能量释放率解析表达式。开展了复合材料Ⅰ型、Ⅱ型和混合型试件胶结界面断裂试验研究。将试验测得的临界荷载结合理论公式求得其界面裂纹断裂韧性，线性回归得到裂纹尖端复合变形下的断裂准则。此外，对粘结界面裂纹扩展进行了有限元数值模拟，验证了提出的断裂准则的正确性。　　(3)通过GFRP桥面板的静力试验，发现了粘结界面破坏先于其他破坏模式首先发生。通过对黏结界面端的应力场分析，得到了桥面板粘结界面端的奇异系数，并提出了减小应力奇异性的办法。根据Chamis模型方法，建立了包含黏结胶层GFRP桥面板的细观力学有限元模型，将有限元计算结果与GFRP桥面板静载试验结果进行了对比。研究发现在荷载作用下，构件间胶结界面的剪应力较大，应用第二章提出的粘结界面强度准则得到了界面失效系数最大值达0.66，而材料的蔡-吴系数为0.42，表明界面为桥面板结构设计的薄弱环节。分析了管材截面参数和胶层参数对GFRP界面应力的影响。对GFRP桥面板在荷载作用下的稳定性进行了验算，讨论了顶底板厚、腹板厚度、构件高度、倒角半径对桥面板屈曲性能的影响。　　(4)采用弹性等效理论将GFRP桥面板弹性等效为正交异性板。根据正交异性板壳理论，基于基尔霍夫假定，推导了温度作用下GFRP桥面板的挠曲面控制微分方程，应用纳维解法计算出了板的挠度、转角和内力。分析了三种温差模式对GFRP桥面板力学性能的影响，结果表明:温差作用对GFRP桥面结构强度的影响非常不利，整体降温引起的桥面板内应力值和胶界面应力值大于整体升温、梯度温度变化作用，需将整体降温在GFRP桥面板设计中重点加以考虑。　　(5)对含黏结界面裂缝桥面板的受力性能进行了数值分析。采用虚拟裂纹闭合法计算了不同工况下GFRP构件间粘结界面裂纹尖端的能量释放率，确立了不利工况下的能量释放率，并采用第三章胶结裂纹断裂准则进行了评价;研究了能量释放率随裂缝深度的变化规律，根据Paris公式计算了胶结裂纹的疲劳寿命。分析了裂纹存在造成的桥面板内应力重分布，对桥面板屈曲临界荷载、强度和刚度的不利影响。为提高GFRP桥面板的使用寿命，建议控制好桥面板粘结界面施工质量，尽量避免胶结裂纹产生。
作者：	钟志鹏
专业：	桥梁与隧道工程
导师：	万水
授予学位：	博士
授予学位单位：	东南大学
学位年度：	2015
正文语种：	中文