FRP-混凝土界面行为研究/Studies on FRP-Concrete Interface
陆新征/Xin-zheng Lu
清华大学工学博士学位论文 / Tsinghua University Dissertation
2004
FRP-混凝土界面行为和剥离破坏是FRP加固混凝土技术应用的关键基础问题，也是难点问题。本文对FRP-混凝土界面的三种主要剥离破坏形式：面内剪切剥离、受弯加固剥离和受剪加固剥离进行了系统的研究，提出了相应的数值计算模型，深入分析了剥离破坏机理。基于对剥离破坏机理充分认识的基础上建立力学模型，并结合所收集的大量试验结果，提出了相应的简化设计公式。计算结果表明，本文建议的设计公式优于现有文献公式，为安全、经济、合理地应用FRP加固技术提供了设计理论和实用方法。
本文在清华大学和国内外大量试验研究的基础上，采用适当的数值模拟，深入系统地研究了FRP-混凝土的界面受力行为和剥离破坏机理。由于界面行为的复杂性，一般钢筋混凝土数值模型分析存在很大困难。本文提出了混凝土非共轴转动裂缝模型、混凝土精细单元有限元模型和基于无网格法的混凝土组合裂缝模型等数值模型，不但较好地模拟和解决了FRP-混凝土界面受力行为和剥离破坏这一难题，而且充分发挥了数值模型的优势，揭示了很多试验中难以观察的现象，在FRP-混凝土界面破坏机理及其相关计算理论方面有所进展。
本文主要工作可以总结为以下两部分：
1. 混凝土数值模型研究
a) 提出了混凝土非共轴转动裂缝模型，并编制了相应的本构计算程序。该模型在主应力方向有较大变化的受剪破坏问题中表现出较好的灵活性，可以通过一般混凝土有限元模型对FRP-混凝土界面的面内剪切剥离破坏加以模拟，其结果明显优于现在常用的固定裂缝模型和共轴转动裂缝模型；
b) 提出了混凝土精细单元有限元模型，并基于弥散裂缝模型的基本原理，对开裂后混凝土的受拉和受剪行为加以调整，较好地克服了单元尺寸对分析结果的影响，成功的模拟了FRP-混凝土界面剥离行为，揭示了界面剥离的内在机理，为建立合理可靠的界面粘结-滑移本构模型提供了依据；
c) 利用无网格法不需要单元网格，可以自由布置节点和边界的优点，将传统混凝土有限元分析中的弥散裂缝模型和分离裂缝模型结合起来，提出了基于无网格法的组合裂缝模型，较好地模拟了钢筋混凝土梁中主裂缝的开展和延伸，以及裂缝附近FRP-混凝土界面的滑移集中现象，验证了基于裂缝宽度的剥离破坏准则；
d) 基于精细单元有限元模型及组合裂缝模型的研究成果，开发了分析受弯剥离的界面单元模型和相应的双重剥离破坏准则，使得受弯剥离可以通过普通钢筋混凝土有限元程序加以模拟，且过程简单，结果稳定。
2. FRP-混凝土界面力学行为和剥离承载力设计公式
a) 基于非共轴转动裂缝模型和精细单元有限元模型，对FRP-混凝土界面的面内剪切剥离破坏进行了成功地模拟，揭示了界面剥离破坏的机理，并基于数值模型的分析结果，提出了FRP-混凝土界面粘结-滑移本构模型及剥离承载力计算公式。与大量试验的对比表明，本文建议模型和试验结果吻合良好，尤其是在界面本构模型方面，明显优于目前各现有模型；
b) 利用精细单元有限元模型得到了受弯剥离中的界面粘结-滑移关系，并提出了考虑裂缝宽度的双剥离破坏准则，并利用基于无网格法的组合裂缝模型进行了验证；
c) 开发了分析受弯剥离的界面单元模型，使得受弯剥离可以通过普通钢筋混凝土有限元程序加以模拟。通过45个剥离破坏试件对比，说明有限元计算结果和试验结果吻合良好，优于现有有限元分析结果；
d) 根据有限元分析得到的界面粘结应力分布，进行适当的简化处理，得到受弯剥离的实用设计公式。与80个试验结果对比表明，所建议的计算公式与试验结果吻合良好，明显优于现有公式，且计算简便；
e) 利用所建议的界面粘结-滑移本构模型对受剪剥离问题进行了有限元分析，并讨论了FRP应力分布和斜裂缝宽度的关系。根据有限元分析和试验结果，提出了3种具有代表性的斜裂缝宽度分布规律，在此基础上，根据斜裂缝宽度分布规律和粘贴加固方式，提出了8种不同的FRP受剪剥离简化计算模型，并讨论了受剪剥离破坏的机理。基于最不利斜裂缝模型的分析结果，提出了受剪剥离承载力的计算公式。与试验结果比较表明，本文公式和试验结果吻合良好。
本文对FRP-混凝土界面间最主要的剥离破坏机制：剪切剥离破坏，进行了系统而全面的研究，揭示了面内剪切破坏、受弯加固剥离破坏和受剪加固剥离破坏的机理，并建立了相应的设计模型。随着混凝土结构加固技术的不断发展，一些更复杂的界面应力问题还会不断出现，如FRP表面嵌入式（Near Surface Mount）加固、FRP片材预应力加固等。本文的研究成果，尤其是所提出的混凝土数值分析模型，为研究这些界面行为提供了的方法。对于钢筋混凝土数值分析中的一些传统问题，比如钢筋与混凝土的界面行为、混凝土与混凝土之间的界面行为、钢筋混凝土构件的受剪行为等，本文的研究方法也提供了一些思路和手段，将有助于今后混凝土结构基本理论的研究工作。