详情

原文传递 GFRP桥面板胶接界面力学性能研究

论文题名：	GFRP桥面板胶接界面力学性能研究
关键词：	GFRP桥面板;胶接界面;界面应力分布;断裂韧性;力学性能
摘要：	胶接接头是GFRP桥面板的关键部位之一，它决定了桥面板的整体力学性能以及桥面板与主梁之间的组合行为。实际桥梁工程中，GFRP桥面板胶接接头常暴露出脱粘、剥离以及裂纹等病害，严重影响了GFRP桥面板的使用性能和耐久性。为提升GFRP桥面板的工作性能，推动GFRP桥面板的工程应用，需对其胶接接头力学性能进行系统研究。　　本文采用理论研究、数值仿真与模型试验相结合的方法，深入揭示了复合材料单搭接胶接界面应力分布特征、DCB试件裂纹尖端能量释放率不均匀分布特性及其对Ⅰ型断裂韧性的影响，为GFRP桥面板胶接接头强度设计与抗裂设计提供了理论模型和实用方法。主要研究工作与结论包括: 　　(1)通过计入拉-弯耦合效应与搭接区域几何大变形效应的影响，给出了适用于分析拉伸荷载作用下复合材料非平衡单搭接接头端部弯矩因子的一维非线性模型，该模型计算精度较高;基于提出的一维模型，开展关于几何参数与材料属性的参数分析，揭示了非平衡单搭接接头端部弯矩因子的变化规律，明确了非平衡单搭接接头经典理论模型的适用范围、计算精度。同时，给出了非平衡长、短搭接接头的临界值，据此推导得到了判别非平衡长、短搭接接头的计算公式。　　(2)提出了适用于确定拉伸荷载作用下复合材料非平衡单搭接接头胶层界面应力分布的二维非线性模型，该模型考虑了拉-弯耦合效应与搭接区域几何大变形效应的影响、具有较高计算精度。利用文中二维非线性模型研究了拉伸荷载与材料属性对胶层界面应力分布的影响。研究结果表明，搭接区域几何大变形对胶层界面应力分布的影响不可忽略;胶层界面应力集中程度与上、下搭接板的抗弯刚度差异相关。　　(3)提出了适用于分析DCB试件直线形裂纹尖端Ⅰ型能量释放率不均匀分布特性的等效板模型。基于经典Kirchhoff板理论与Rayleigh-Ritz法，推导得到了不均匀分布系数与变异系数的解析表达式，以上表达式计算精度均较高。采用等效板模型与虚拟裂纹闭合法，定量研究了双材料DCB试件不均匀分布系数，该系数可表示为分别由双材料DCB试件的上、下搭接板组成的单材料DCB试件裂纹尖端不均匀分布系数的平均值。　　(4)揭示了裂纹萌生与扩展过程中DCB试件不均匀分布系数与裂纹长度偏差的变化规律，明确了不均匀分布特性对Ⅰ型断裂韧性的影响，据此修正了ASTMD5528-01e3等既有规范中计算DCB试件Ⅰ型断裂韧性的三种经典梁模型。给出了适用于计算裂纹萌生与扩展过程中裂纹长度偏差的实用计算公式，该类公式形式简洁、计算精度较高。　　(5)提出了一种含曲线形预设裂纹尖端的改进型DCB试件，该新型试件的Ⅰ型能量释放率沿其曲线形预设裂纹尖端均匀分布。与含直线形预设裂纹尖端的传统型DCB试件相比，改进型试件确定的Ⅰ型断裂韧性更合理且其计算工作更简便。为便捷且准确地选用具有Ⅰ型能量释放率均匀分布特性的曲线形预设裂纹尖端形状，给出了形式简洁的实用计算公式。　　(6)基于多尺度有限元模型与虚拟裂纹闭合法，定量研究了胶接界面裂纹长度对钢-GFRP组合梁桥负弯矩区GFRP桥面板局部力学性能的影响，评估了三种最不利工况条件下胶接界面裂纹的断裂行为。
作者：	蒋正文
专业：	土木工程；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：	2018
正文语种：	中文