纤维增强复合材料加固裂纹黏弹性梁的弯曲变形

考虑裂纹缝隙效应,将裂纹等效为非线性旋转弹簧,假定纤维增强复合材料(fiber reinforced polymer, FRP)布与梁紧密粘贴,研究了FRP布加固裂纹标准线性固体黏弹性梁的弯曲行为.在给出FRP布加固裂纹的等效旋转弹簧刚度和FRP布加固黏弹性矩形截面梁弯曲变形控制方程的基础上,利用Laplace变换及其逆变换以及梁弯曲边界条件和裂纹处的连接条件,得到突加均布载荷作用下FRP布加固简支裂纹黏弹性梁弯曲蠕变的解析解.数值分析了碳纤维增强复合材料(carbon fiber reinforced polymer, CFRP)布含量、梁跨高比以及裂纹位置及其开闭状态等对CFRP布加固裂纹花旗松(Douglas-fir, DF)木梁弯曲蠕变的影响.     

纤维增强聚合物布加固黏弹性木梁弯曲的解析解

将木梁视为服从标准线性固体本构的黏弹性体,假定纤维增强聚合物(fiber reinforced polymer,FRP)布与木梁紧密粘贴,研究了FRP布加固木梁线性弯曲的蠕变行为.在建立FRP布加固黏弹性矩形截面木梁弯曲变形控制方程的基础上,利用Laplace变换,给出了突加均布载荷作用下FRP布加固简支黏弹性木梁弯曲的解析解.根据相关试验数据,确定了花旗松(Douglas-fir,DF)木梁标准线性固体本构的材料参数,分析了芳纶纤维增强塑料(aramid FRP,AFRP)布含量和梁跨高比等对AFRP布加固简支DF木梁弯曲变形的影响.结果表明:AFRP布加固可有效减小木梁的蠕变挠度;随着DF木梁蠕变的增加,AFRP布加固DF木梁的中性轴逐渐靠近粘贴AFRP布的侧边,且随着DF木梁跨高比或AFRP布含量的提高,AFRP布加固DF木梁的最大压应力和最大拉应力减小.     

纤维增强聚合物加固带裂缝圆截面木梁的弯曲

对具有纵向贯穿裂缝圆截面木梁全贴纤维增强聚合物(fiber reinforced polymer, FRP) 布的弯曲加固效果进行了研究. 在组合梁小挠度变形的假定下, 建立了全贴FRP 布加固带纵向贯穿裂缝圆截面木梁弯曲变形的控制方程, 研究了自由端集中载荷作用下FRP 布加固圆木梁的弯曲行为, 并得到了问题的解析解, 分析了FRP 布模量和厚度、梁长细比以及裂缝宽度等因素对FRP 布加固木梁弯曲变形的影响. 数值结果表明, FRP 布加固木梁自由端挠度随FRP 布厚度、弹性模量和剪切模量的增加而减少, 且当FRP 布厚度和弹性模量增加到一定值时, 继续增加其厚度和弹性模量对圆木梁的加固作用已不明显; FRP 布的剪切模量对短粗木梁挠度的影响较大, 且当剪切模量较大时, FRP 布加固可完全消除裂缝因素的影响.     

恒幅循环荷载作用下FRP加固桥梁疲劳寿命预测

在线性渐进叠加假定的基础上,理论推导了三点弯曲荷载下FRP加固桥梁应力强度因子的计算公式,并结合FRP加固桥梁疲劳裂纹扩展试验,分析了FRP加固梁裂纹的扩展行为,验证了裂缝口张开位移CMOD的经验公式可用于计算标准三点弯曲梁的裂缝口张开位移,进而计算断裂模型中梁的临界有效裂缝长度.利用线弹性断裂力学中应力强度因子对疲劳裂纹扩展进行定量描述,进而对FRP加固桥梁的疲劳寿命进行预估算研究.     

短纤维对FRP加固混凝土梁承载能力的影响

基于连续损伤理论,考虑胶层的剪切效应,建立了FRP加固修补混凝土结构的高阶剪切弯曲与面内变形耦合的非线性有限元分析模型.在FRP加固修补中,考虑到绝大多数破坏形式是在FRP附近混凝土表层到钢筋保护层之间发生剥离,很少在碳纤维布与混凝土的粘结界面或纤维布与粘结层的界面发生破坏,为了提高FRP加固混凝土结构界面区和整体的强度,分别在混凝土的下表面附近以及在整个混凝土构件中加入短纤维,对7种不同加固方式的混凝土梁进行了有限元分析,并与试验结果进行对比.结果表明:加入短纤维的FRP加固混凝土结构的裂纹扩展缓慢,韧性得到改善,承载能力明显提高.     

基于分数阶Kelvin黏弹性模型的固体推进剂药柱应力分析

利用黏弹性材料本构关系的Laplace变换与弹性材料的形式相似性,得到了分数阶Kelvin黏弹性模型弹性模量和泊松比的Laplace变换解.将固体推进剂药柱视为黏弹性介质,并利用分数阶Kelvin本构模型来描述其应力-应变关系.在推进剂药柱应力弹性解的基础上,运用弹性-黏弹性对应原理得到了分数阶Kelvin黏弹性模型描述的推进剂药柱在均布内压作用下内力的拉氏解,通过Laplace逆变换求得了其时域解.研究结果表明:推进剂药柱径向应力总是压应力,而环向应力总是拉应力,分数阶Kelvin黏弹性模型的解可以退化到经典Kelvin黏弹性模型的解,分数导数的阶数越大,应力的绝对值越大.     

FRP片材加固混凝土梁的计算方法

对FRP片材加固混凝土梁的破坏形态、计算方法进行了探讨,并对8根FRP加固混凝土梁的极限承载能力进行了对比分析,理论计算结果与实测值吻合较好.研究表明:粘结FRP布加固混凝土梁承载力和加固时的初始应力水平有关,相同条件下,CFRP片材加固混凝土梁承载力最大;GFRP片材加固混凝土梁承载力最小;混杂纤维加固钢筋混凝土梁的承载力介于二者之间.     

多破坏模式和二次受力影响下FRP加固RC梁抗弯承载力

针对实际工程应用中FRP加固RC梁存在多种破坏模式和二次受力影响等关键问题,提出采用能基本表征受压区混凝土实际应力-应变情况的Hognestad本构模型,以考虑受压区混凝土非线性应力变化。推导FRP加固RC梁受压混凝土等效应力和受压区高度各自对应的相关比值,并得出FRP拉断、钢筋屈服前、后受压区混凝土压碎这3种不同破坏模式下的梁正截面极限抗弯承载力计算公式,同时推导加固梁FRP最大、最小加固量的计算公式以定义各破坏模式间的临界状态,并考虑二次受力影响和滞后应变效应。研究结果表明:所推导的公式能有效表征加固梁的不同破坏模式及二次受力效应,所计算的承载力与试验值较吻合,可以用于RC梁加固设计和承载力分析。     

蒸汽压力作用下黏弹性半平面问题的断裂分析

研究了蒸汽压力作用下黏弹性半平面的断裂问题.利用Fourier变换法、Jacobi多项式方法和黏弹性对应原理,获得了弹性和黏弹性半平面中裂纹的应力强度因子、张开位移和滑移位移.数值算例揭示了蒸汽压力作用下弹性半平面中裂纹应力强度因子与回流焊时间、几何尺寸的关系,以及黏弹性参数对裂纹张开位移和滑移位移稳态和瞬态响应的影响.     

GFRP/CFRP混杂加固混凝土梁阻裂增强机理

在研究GFRP/CFRP层间混杂复合材料极限拉伸性能的基础上,对外贴GFRP/CFRP混凝土加固梁的弯曲性能进行了研究,并建立裂尖闭合力阻裂模型,分析了GFRP/CFRP混杂效应机理和GFRP/CFRP加固梁的阻裂增强机理.结果表明:外贴GFRP/CFRP能显著降低加固混凝土梁裂纹尖端的应力强度因子,加固梁具有优越的抗裂性能和承载能力,开裂荷载和极限荷载较普通梁分别提高37%和172%以上;GFRP/CFRP加固梁中,裂纹在约70%梁高处停止扩展直至裂纹出齐,与阻裂机理模型分析结论一致;与单一FRP材料拉伸呈线弹性破坏性质不同,GFRP/CFRP呈现材料分级断裂性质,具有明显的屈服台阶,其加固的梁延性破坏特征明显;不同GFRP/CFRP粘贴加固方式中,U型加固方式的阻裂增强效果最佳,加固梁开裂荷载、极限荷载较I型加固方式分别提高17%和34%以上.     

玻璃纤维增强塑料加固砼梁的抗弯试验

通过对钢筋混凝土梁用GFRP片材进行抗弯加固试验，研究其受弯破坏特征、对梁的极限承载力、刚度等的影响。得出平截面假定适用、加固梁初期效果不明显，片材厚度、片材端部到支座的距离为主要影响因素，而对锚固端U形加强进行加强处理的效果明显等结论。它为进一步的理论研究提供依据。     

钢筋混凝土纤维强化塑料复合梁的弯曲失效线弹性断裂力学模型

钢筋混凝土梁的受拉部位粘贴纤维强化塑料(FRP，fiber reinforced plastic)板，可以提高整个结构的承载能力．随着载荷加大，在弯矩比较大的弯曲段经常出现钢筋层与FRP板之间的层间开裂和失效．建立了多层复合梁的层间裂纹分析模型，并对其失效行为进行分析．在线弹性断裂力学(LEFM，linearelastic fracture mechanics)范畴内，应力强度因子和能量释放率(或裂纹扩展力)是两个重要参量．提出了拉伸弯曲组合梁的能量释放率的计算方法，通过弯曲平面假设研究了复合梁的变形与受力特点，计算和讨论了裂纹在不同位置时的能量释放率。     

碳-芳混杂纤维布加固木梁抗弯性能试验研究

通过碳-芳混杂纤维布加固矩形木梁(杉木和松木)的抗弯性能试验,研究了不同层数的碳-芳混杂纤维布加固矩形木梁的破坏形式、抗弯承载力、荷载-挠度曲线和截面应变分布.试验结果表明:与未加固试件相比,木梁经碳-芳混杂纤维布加固后,其抗弯承载力和刚度有了一定程度的提高,抗弯承载力提高幅度在18.1%～62.0%(松木)和7.7%...     

FRP加固混凝土梁中弯曲和弯剪裂缝引起的FRP剥离破坏试验

采用同样尺寸的钢梁和混凝土梁,通过中间绞结和底面粘贴FRP布而形成的组合梁,对其进行抗弯试验来研究钢筋混凝土梁弯曲或弯剪裂缝所导致的FRP剥离破坏.试验共设计了7组21根组合梁,通过2个对称的集中荷载进行抗弯试验,重点研究了组合梁破坏过程和形态、FRP布在加载过程中应变分布的规律、不同的裂缝开展程度对组合梁初裂荷载和极限承载能力的影响以及混凝土强度对FRP与混凝土粘结强度的影响.试验结果表明:组合梁的初裂荷载与FRP的长度没有关系,主要取决于裂缝的竖向位移;裂缝的竖向位移和FRP的长度对梁的极限荷载具有较大的影响,特别是在FRP锚固长度较小的情况下.针对梁中弯曲及弯剪裂缝引起的FRP剥离破坏进行了深入的试验研究,为工程结构加固提供了一定的参考依据.     

部分充填砼钢箱连续组合梁抗裂性能分析

针对部分充填砼钢箱连续组合梁裂缝控制问题,开展超高性能混凝土(UHPC)翼板-部分充填砼钢箱连续组合梁抗裂性能研究,探讨该组合梁裂缝控制的新途径.通过3根部分充填砼钢箱连续组合梁试验,得到挠度、滑移和裂缝的开展特征.基于ABAQUS软件建立部分充填砼钢箱连续组合梁有限元分析模型,分析UHPC翼板部分充填砼钢箱连续组合梁关键参数对受力性能的影响.结果表明:负弯矩区采用UHPC翼板能显著提高组合梁抗裂性能;当负弯矩区UHPC翼板长为0.3倍跨径、厚度为1/3翼板总厚时,能满足裂缝控制要求且经济合理;与普通混凝土相比,高应变强化UHPC初裂荷载提升2.3倍,可视开裂荷载提升7.6倍.     

FRP片材在土木工程中应用的几个关键力学问题

纤维增强复合材料（FRP）由于其优异的力学性能和施工的便捷性而备受国内外土木界的关注，本文结合本课题组的前期工作和国内外的研究现状，对FRP片材（纤维布和纤维薄板）在土木工程中应用的几个关键力学问题－FRP片材增强构件的抗弯强度，抗剪强度，疲劳强度，以及FRP片材与混凝土的界面强度等进行综合和讨论，并试图指出今后有关FRP片材增强钢筋混凝土构件力学性能的研究方向。     

含表面贯通裂纹粘弹性板的线性自由振动

基于各向同性线性粘弹性本构关系和板的几何线性理论,建立了含表面贯通裂纹粘弹性板的线性动力方程.根据相应的边界条件和裂纹处的位移与力的连续性条件,提出了一组满足所列边界条件和裂纹连续性条件的挠度形函数.在材料为标准线性固体的情况下,采用Galerk in法,对含裂纹四边简支矩形板问题进行了求解.在数值计算中,主要讨论了裂纹参数和材料粘弹性参数对板的固有频率的影响,并对有关的其它参数也进行了讨论.     

内结合圆角处含有裂纹的曲轴动力学模型

建立裂纹曲轴的动力学模型,对裂纹曲轴的非线性动力学进行仿真与分析.针对内结合圆角处出现常见裂纹的曲轴,采用Timoshenko梁单元与裂纹梁单元相结合的方法建立其有限元模型;根据裂纹曲轴运动的特点及工作过程中裂纹开闭的实际情况,提出在旋转坐标系下建立其非线性振动模型.以一四缸发动机的曲轴为例,对含不同深度裂纹曲轴的振动响应进行了仿真计算,对其扭振、纵振及弯曲振动的频谱特性进行分析,提取并总结了裂纹曲轴动力学的一些特征.研究表明,所提出的裂纹曲轴动力学模型简洁且容易实现,裂纹曲轴的动力学特性分析为曲轴裂纹故障诊断奠定了理论基础.