文摘

数值和实验方法应用于研究疲劳裂纹扩展行为的钢筋混凝土(RC)梁加强新型碳纤维增强聚合物(CFRP)命名为碳纤维薄板(CFL)受到湿热环境。积分中心裂纹的加强梁在三点弯曲载荷由有限元分析计算。在有限元模型中,模拟CFL-concrete接口是湿热环境下基于双线性内聚区模型和室内的气氛。然后,进行疲劳裂纹扩展试验在高温和高湿度(R·H 50°C, 95%)预处理和室内环境气氛(R·H 23°C, 78%)获得曲线和裂纹扩展速率,的加强梁。Paris-Erdogan公式是基于数值分析和开发环境疲劳试验。

1。介绍

外部粘结碳纤维增强聚合物(CFRP)复合材料越来越广泛用于世界各地的加强钢筋混凝土结构在过去的二十年里1,2)由于其重量轻,强度高,耐腐蚀性好。许多研究人员已经证明,外部粘结碳纤维增强塑料可以明显提高钢筋混凝土结构的疲劳性能(3- - - - - -5]。在亚热带地区,湿热环境对疲劳有显著影响性能和耐久性与碳纤维布加固RC桥组件,甚至导致组件不能够满足安全性、可靠性和耐久性要求在整个生命周期(6]。因此,研究了碳纤维布加固钢筋混凝土结构的疲劳裂纹扩展行为在湿热环境中具有重要的科学意义。然而,湿热环境的影响机制加强钢筋混凝土结构的疲劳裂纹扩展行为尚不清楚。

先前的研究的研究小组(7,8]表明Paris-Erdogan法律[9)是一种有效的方法来研究疲劳裂纹扩展行为与碳纤维布加固RC结构。然而,考虑到混凝土和混凝土的非线性特性,应力强度因子(SIF)限制解释混凝土裂纹萌生和传播(10]。积分更足以描述裂纹扩展行为在混凝土11]。根据积分方法,疲劳裂纹扩展速率,把与循环积分振幅,。

计算的积分、混凝土损伤塑性(CDP)模型使用各向同性损伤的概念结合拉伸和压缩塑性代表混凝土的非线性弹性行为。同时,混凝土材料疲劳载荷下显示不同的反应与静态负载。Petryna et al。12)开发了一个钢筋混凝土的疲劳损伤模型,这是能够模拟任意循环荷载下破坏状态。祈神保佑和钱德拉Kishen13)和Zanuy et al。14]说明抗拉和抗压混凝土在疲劳荷载下的行为,分别。js。朱镕基和X.-C。朱(15)提出了一种数值模拟方法全程疲劳损伤积累失败的钢筋混凝土桥梁,基于CDP模型在有限元分析16]。

正如许多研究[16,17显示,界面脱胶的主要失效模式是使用静态和循环荷载作用下FRP加固钢筋混凝土梁。此外,湿热环境有重大影响CFRP-concrete界面的粘结行为(6,18]。秦et al。19)发现,湿热环境恶劣影响疲劳耐久性与FRP加固的钢筋混凝土结构。因此,CFRP-concrete界面湿热环境下的本构关系将被应用到讨论的疲劳裂纹扩展行为。郑et al。6,18]调查FRP-concrete界面湿热环境下的行为通过双剪试验,提供显著的指导FRP-concrete接口的模拟在本文后面详细。

在上述背景下,本文分为两个主要部分。首先,用碳纤维布加固钢筋混凝土梁的有限元模型建立了测定积分的主要裂缝非线性断裂力学的基础上,考虑CFRP-concrete界面在不同环境下的行为。其次,几个进行疲劳裂纹扩展试验使用节能灯加固RC梁在高温和高湿度(R·H 50°C, 95%)和室内气氛(R·H 23°C, 78%)来获取疲劳裂纹扩展速率,。然后,巴黎法律积分是描述疲劳裂纹扩展行为,可应用于预测与碳纤维布加固钢筋混凝土梁的疲劳寿命。

2。有限元法的计算积分

CFL-strengthened RC梁的有限元模型来计算积分使用商业有限元(FE)软件有限元分析。几何形状、材料特性和分格的加强梁在后面详细介绍。此外,非线性和混凝土疲劳行为的影响被认为是湿热的环境。

2.1。几何形状的标本

三维有限元模型的简支钢筋混凝土梁加强碳纤维层压板(节能灯)20.)是图所示1。CFL-strengthened RC梁三点弯曲(3 pb)荷载在裂缝中跨。RC梁的大小宽度1850毫米长度×100毫米×200毫米高度。支持之间的距离是1600毫米和裂纹的高度。的内部钢筋由两个φ10毫米纵向酒吧和两个φ8毫米吊架酒吧。节能灯的截面100毫米(宽)×0.23毫米(计算厚度)和总长度1560毫米是连着RC梁(图的底部2)。

2.2。材料特性和本构模型

(1)混凝土的非线性行为。混凝土的抗压和抗拉行为具有非线性特性的描述了应力-应变曲线(标准gb50010 - 2010提供的21]),如图3。混凝土的应力-应变曲线是描述为 在哪里是初始弹性模量。的压缩行为,,,,,= 0.74 ~ 3.99(当= 20 ~ 80 MPa);单轴抗压强度;时的应变值吗到达;是混凝土单轴压缩载荷作用下的损伤演化参数。的拉伸行为,= 0.31 ~ 5(当= 1 ~ 4 MPa);单轴抗拉强度;应变值时到达。

本构模型,称为混凝土损伤塑性(CDP)模型,用于有限元分析的数值计算。CDP模型建模实现拉伸混凝土开裂和压碎的行为,如图3。

弹性模量、泊松比、抗拉强度和混凝土的抗压强度平均绩点,,MPa,MPa,,。

(2)混凝土的弹性模量降低。钢筋和碳纤维布加固RC梁仍在屈服线弹性疲劳试验。同时,由于疲劳性能优异,碳纤维增强塑料保持线弹性在大多数的疲劳寿命22]。因此,本文把重点放在混凝土疲劳损伤演化而不是钢筋和碳纤维增强塑料,包括考虑混凝土的有效弹性模量和残余强度。

根据测试结果,小岛(23)提出了一个公式有效的混凝土疲劳载荷作用下弹性模量: 在哪里混凝土的有效弹性模量在哪里加载周期;是混凝土的初始弹性模量;是失败的载荷的循环次数(疲劳寿命)。

(3)混凝土强度退化。许多研究人员(14)应用信封概念来描述混凝土强度的退化过程。疲劳剩余强度包络线定义为残余强度和加载周期之间的关系曲线。通过分析滞后疲劳荷载作用下混凝土的应力-应变曲线,js。朱镕基和X.-C。朱(15)发现,残余强度包络线的形状类似于单轴应力-应变曲线(图的降支3),建立了残余抗压和抗拉强度包络线(如图4)。

基于图的疲劳剩余强度包络线方程4和下行的分支(1)可以给出如下: 相对生活比的定义是在哪里。因此,,;和是一样的(1);当,当。

如数据所示3和4、抗压和抗拉疲劳荷载作用下混凝土的本构模型共享相同的静载荷下的应力-应变曲线的形状。因此,在任何载荷循环疲劳混凝土本构模型通过更换初始弹性模量单轴抗压强度,抗拉强度在(1)和有效弹性模量,残余抗压强度和剩余抗拉强度。

(4)钢筋。钢筋被认为是一种elastic-perfectly塑料材料。的弹性模量= 206 GPa,泊松比= 0.3,屈服应力= 307 MPa。钢筋和混凝土之间的债券被认为是一个完美的债券,由嵌入式模拟有限元分析的约束。

(5)节能灯。节能灯是一个线弹性复合材料。尽管很明显,节能灯是正交的,主要强调的是在三点弯曲载荷下的纤维方向使各向同性假设合适(24,25]。的弹性模量= 230 GPa;泊松比= 0.25。

(6)CFL-Concrete接口。软熔带模型(海内外)(26)是应用于模型CFL-concrete接口。海内外的方法通常用于模拟碳纤维增强塑料和混凝土之间的粘结滑移关系。有几个粘结滑移曲线的形状如双线性,linear-parabolic,指数和梯形。Obaidat et al。24]研究了粘结滑移曲线的形状的影响,并得出结论,曲线的形状有轻微影响。阿尔法诺(27)发现,双线性法代表最好的计算成本和近似之间的妥协。因此,双线性粘结滑移法应用在这篇文章中,如图5。

基于地表的粘性行为在有限元分析6.14中,这被定义为一个表面交互属性根据海内外,被用来CFL-concrete界面的粘结滑移行为模型。有凝聚力的双线性本构关系行为包括以下参数:剪切应力的峰值,滑动的峰值,初始弹性刚度。起始的损害是由滑移值当剪切应力到达峰值,。描述的线性损伤演化是一个损伤变量,,这是由以下表达式: 在哪里和的临界断裂能量导致失败。是指滑动加载历史期间获得的价值。

在计算,不同的海内外参数被用来CFL-concrete界面的粘结滑移行为模型在高温和高湿度(R·H 50°C, 95%)和室内气氛(R·H 23°C, 78%)环境。参数都是基于实验研究CFL-concrete界面的粘结滑移行为提出的这个研究小组6,18),包括,,,表中列出1。

2.3。有限元网格和计算过程

模型中跨的裂纹CFL-strengthened RC梁,通过裂缝缝被分配模块如图6。三维,4-node四边形壳元素(S4)是用于节能灯。二维,3-node桁架元素(T3D2)用于钢筋。三维、8-node完全集成(C3D8)和6-node六面体的元素,楔形元素(C3D6)用于混凝土。C3D6元素被分配在裂纹尖端,C3D8元素被分配其他地区的混凝土。裂纹尖端周围地区建模元素的使用多个环扫网使用C3D8元素,C3D6元素被分配在最里面的环,如图8。每个戒指提供一个评估围线积分。的积分计算使用一个域积分法(28]。

计算积分幅度(和是积分下最大应力和最小压力、职责)主裂纹在一定周期的疲劳寿命,整个疲劳过程分为多个步骤在静态加载。为了模型加载过程在目标周期有限元分析跳过周期前。疲劳退化引起的强度和弹性模量加载周期被认为在混凝土的本构模型。建立了静载荷下两个分析步骤:(1)步骤(1)来计算、负载增加了从0到中,混凝土疲劳本构模型被认为是;(2)步骤(2),计算负载补充说,从来在疲劳载荷曲线。因此,积分幅度在一定的周期获得了。复杂的全程模拟疲劳过程简化为多个步骤静态载荷作用下,一个简单而有效的方法来提取积分使用节能灯加固的钢筋混凝土梁在疲劳载荷。

2.4。计算和分析积分

(1)混凝土疲劳性能下降的影响。RC梁的有限元模型与节能灯加强基于上述有限元分析程序应用于研究混凝土疲劳性能下降的影响积分。图7显示曲线在不同相对疲劳的生活(,0.2,0.4,0.6,0.8)当负载水平kN,意味着没有混凝土疲劳退化被认为是。如图7,曲线表现出三级趋势:(1)快速增长阶段:当相对裂缝高度的价值,积分增加迅速,几乎和裂缝高度的增加,线性和的值积分达到最高点;(2)快速下降阶段:当相对裂缝高度的价值,积分减少迅速,几乎线性,拐点出现;(3)缓慢下降阶段:当相对裂缝高度的价值,积分开始慢慢降低,非线性。当相对裂纹高度的价值,整体趋向于零。三级趋势的同时,我们的先前的研究7),达到良好的协议与疲劳裂纹扩展行为观察在第三章从疲劳试验。

从图可以看出7的价值整体考虑疲劳性能下降总是高于退化(不考虑之一)。在同一裂纹长度,的价值积分增加随着疲劳寿命的增加。当的价值,积分是70%高于退化(不考虑之一)。这表明,随着疲劳寿命的增加,裂纹尖端周围的混凝土开裂阻力明显削弱。

(2)湿热环境的影响。摘要为了研究湿热环境的影响积分,两种有限元模型建立了考虑粘结滑移关系在湿热环境下和室内气氛,分别。CFL-concrete界面的粘结滑移参数见表1。为简单起见,没有考虑混凝土的疲劳性能降低。当负载水平kN,曲线得到,如图8。如图8,曲线被分为两个区域。在区域1 ()的值积分是相同的是否在湿热环境下的室内气氛,因为伤害没有出现在接口时和初始刚度值的接口都是一样的在这两种环境中(见过表吗1)。在区域2 ()的价值湿热环境下积分高于室内气氛下,因为损害出现湿热环境下早些时候(小断裂能量,见表1),在室内气氛。脱胶是首先发现跨当湿热环境下。它可以得出结论,湿热环境的恶化导致CFRP-concrete接口。它使在裂纹尖端开裂混凝土抵抗减弱,导致增加的湿热环境下积分。

3所示。疲劳裂纹扩展试验

进行一系列的疲劳裂纹扩展试验的RC梁加强节能灯在高温和高湿度(R·H 50°C, 95%)和室内气氛(R·H 23°C, 78%)环境获取疲劳裂纹扩展曲线(曲线)。加强梁被安置在湿热环境预处理,然后去除疲劳试验机下的裂纹扩展试验室内的气氛。作为对比实验,另一组的加强梁测试没有湿热环境预处理。实验材料和方法介绍如下。

3.1。实验材料和标本

所(29日,30.),新碳纤维增强塑料称为碳纤维层压板(节能灯)20.)发明的这项研究集团桥梁工程具有普遍适用性和碳纤维板和床单的综合优势。摘要RC梁加强与节能灯作为标本。四个标本进行疲劳裂纹扩展测试三点弯曲梁。梁的尺寸如图1。

标本是由三部分组成:混凝土、钢筋和节能灯。混凝土的组成比例:: := 1.0:0.5:2.06:3.66(水泥:水:沙砾石)。主要的钢筋是二级Ф10和其他钢筋一级Ф8;配筋率为0.981%,如图9。节能灯(preimmersion层压板)长1560毫米,宽100毫米,0.23毫米厚,捏造T700-12k碳纤维丝Tolei制造公司,日本。节能灯是与环氧树脂层压板沉浸。胶粘剂之间使用混凝土和节能灯是A和B Shenliling公司生产的环氧胶粘剂。A和B环氧胶粘剂的厚度是0.2毫米,和大多数胶粘剂渗透到混凝土。节能灯被连着RC梁的底部。A和B环氧胶粘剂的剪切强度是14 MPa,和它的工作温度是−30 ~ + 100°C。物理和机械性能的主要材料是列在表1和2的30.]。

应该注意的是,上面的标本被引用的维度的建议,日本社会的土木工程,确定本研究团队的测试条件。RC梁的配筋率和混凝土混合料配合比设计确定根据这件的具体代码设计公路钢筋混凝土和预应力混凝土桥梁和涵洞(JTG d62 - 2004)。节能灯的方法来确定尺寸和厚度是很重要的。节能灯的大小和厚度优化设计基于静态力学行为和RC梁的破坏模式与CFL增强。失效模式包括主钢筋屈服,节能灯的脱胶,碾压混凝土。

3.2。实验设备

为了模拟真实的服务条件,桥梁结构在亚热带地区,湿热环境模拟和控制装置(31日结合材料疲劳试验机是发达的,如图10。这个系统是用来模拟实际环境在湿热条件下的桥梁。主要性能指标如下:(1)温度:−40°C ~ + 100°C;温度波动度:±1°C;(2)heating-cooling率≥3°C /分钟(在0°~ 100°C);(3)湿度:65% R R·H·H ~ 98%;湿度波动:±2% R·H;(4)湿度变化率:0.5% R·H /分钟。

环境模拟与控制系统由四部分组成:模拟舱,温度和湿度调节器,电气控制柜,压缩机的房间。模拟舱的两侧,观察窗设置了500毫米×200毫米的大小,这是防霜和绝缘。

3.3。实验方法

研究了湿热环境对疲劳裂纹扩展的影响与节能灯加固的钢筋混凝土梁,9个标本分为两组:A组设置为湿热环境组和B组设为对照组。湿热环境的设置是基于测量数据的桥梁维修环境在亚热带地区,如中国南方[32]。预处理环境设置为桥的糟糕的服务环境:温度是50°C,湿度95% R·h·A组的标本是首先放置在模拟舱湿热环境预处理6天,指的标准测试方法对玻璃纤维增强塑料的老化特性(33]。然后,标本被实验室室内环境到另一个两天前确保标本干燥疲劳试验。

疲劳裂纹扩展试验是进行材料使用三点弯曲设置液压测试系统。标本的跨度是1600毫米和加载点在中间。加载应用呈现正弦10赫兹的频率和应力比为0.2。基于之前的测试结果最终承载能力加固的钢筋混凝土梁与节能灯(kN),三个加载水平集,峰值负载分别是30 kN, 27.5 kN, 25 kN。实验条件见表2。

主要疲劳裂纹的宽度和长度是使用显微镜和裂缝宽度测量的指标。根据我们的研究小组的研究7),主要在加强梁裂缝迅速增长快速传播阶段。宏观裂纹观察每一个或两个周期以上荷载作用下的水平。因此,在开始测试,疲劳试验机将暂时停止每12个周期的观察疲劳裂纹扩展。平均负荷水平应用在停止五分钟。在稳定传播阶段(一般),主要观察裂纹每一万或十万个周期,直到彻底失败的标本。最大和最小负载和跨中位移的标本被材料记录。8 ~ 10组数据被记录在一个加载周期。

4所示。疲劳裂纹扩展行为

4.1。疲劳裂纹扩展规律主要裂纹

疲劳裂纹扩展试验5标本(A组)进行预处理在湿热环境下和4标本(B组)在室内气氛是由使用部分中给出的测试方法3。测试结果和裂纹扩展曲线(曲线)的每个标本得到如表所示2和图11,其中裂缝高度,,下的裂缝投影长度方向沿梁高。我们的研究小组(从以前的工作7),从图12,主要的裂纹扩展行为可以概括为三个阶段:加强梁(1)快速传播阶段;(2)稳定的传播和逮捕阶段;(3)不稳定传播阶段。

4.2。湿热环境对失效模式的影响

所有标本的失效模式是节能灯脱胶。在室内气氛的环境中,许多混凝土碎片粘合在节能灯标本失败,如图(13日)。在湿热的环境中,不同的是减少混凝土碎片粘合在节能灯相比,室内热湿环境大气中当标本失败,如图13 (b)。原因在于,在室内气氛,混凝土的破坏附近的节能灯之前节能灯和混凝土之间的粘结层,因为粘结层的抗剪强度(14 MPa)远高于混凝土(6 MPa)。很明显,粘合剂层湿热环境敏感。经过预处理的湿热环境,粘结层的抗剪强度降低,导致更少的混凝土碎片粘合在节能灯相比下室内环境氛围。

4.3。疲劳裂纹扩展速率

大量实验研究表明,Paris-Erdogan法律也适用于quasibrittle岩石等材料(34和具体的35如果结构大小保持不变。根据积分方法,疲劳裂纹扩展速率,把与循环积分振幅(11]: 在哪里裂纹扩展增量;载荷循环增量;和材料常数;是积分振幅,可以通过有限元方法部分所示2。

可以根据计算曲线获得的疲劳裂纹扩展的测试5个标本(A1, A2, A5、B1和B2)。建立了加固RC梁的有限元模型进行计算考虑非线性材料性能和疲劳性能下降中引入部分2。然而,测试结果的标本(A3、A4 B3和B4)并没有被认为是在巴黎的合适的法律,是用于验证下一部分的配件。

采取和垂直和水平坐标,分别室内气氛和湿热环境下计算结果如图所示14。如图14,一个好的两个变量之间的线性关系存在。建立了回归方程的最小二乘法(相关系数= 0.96和0.80)和测试数据从五个标本(A1, A2, A5、B1和B2)如下:

这是观察到疲劳裂纹扩展曲线的斜坡的所有标本相似,如图14。钢筋混凝土梁的疲劳裂纹扩展速率加强与节能灯湿热预处理高于没有在所有的预处理范围,这表明标本与湿热预处理表现出较低的抗疲劳裂纹扩展。

5。加固梁的疲劳寿命预测

如图11、疲劳的生活稳定传播阶段占据95%的全部使用节能灯加固的钢筋混凝土梁疲劳寿命。因此,在工程实践中,住在疲劳裂纹稳定扩展阶段大约可以用于预测加固梁的疲劳寿命。可以预期,预测结果将保守。

在裂纹稳定扩展阶段疲劳寿命可以通过以下计算,这来自于(5): 在哪里初始加载循环次数在裂纹稳定扩展阶段的开始。快速传播阶段的时期很短,如果它将不会导致大错误;是加载循环裂纹稳定扩展阶段的末尾;裂缝高度在裂纹稳定扩展阶段和开始的吗是,在这个阶段的结束;裂纹是增加在一个计算步骤。在这篇文章中,显示被选为0.2毫米总裂纹增加稳定传播阶段和计算精度。累积计算开始从来和使用有限元计算模型,建立了计算考虑非线性材料性能和疲劳性能下降中引入部分2。

用(6)和(7)(8),分别预测结果标本在三点弯曲载荷下的疲劳寿命,27.5,25 kN得到如表所示3。四个样品的实验数据(A3、A4 B3和B4)被带到与预测结果进行比较,见表3。这个表所示,预测结果的平均相对误差约为−10.0%。预测的值总是小于实验数据和符合实际的事实。因此,钢筋混凝土梁的疲劳寿命与节能灯可以加强预测准确的使用(6)和(7在不同的环境下。预测结果可以保守,与实验数据一致。

6。结论

有限元分析积分的主要裂缝与碳纤维布加固RC梁在三点弯曲载荷下完成基于非线性断裂力学和内聚区模型在湿热环境下,和疲劳裂纹扩展试验的钢筋混凝土梁加固与节能灯湿热环境下进行,并得到了以下结论:(1) 积分的主要裂缝与碳纤维布加固RC梁可以准确计算基于非线性断裂力学有限元方法。的有限元模型湿热环境下积分,软熔带模型和室内大气环境模型应用于碳纤维增强塑料和混凝土之间的粘结滑移关系接口,和混凝土塑性损伤模型也被用于考虑疲劳强度退化。(2)疲劳裂纹扩展过程与碳纤维布加固钢筋混凝土梁可以概括为三个阶段:快速传播阶段,稳定传播阶段,和不稳定传播阶段。疲劳的标本在稳定传播阶段的主要裂缝完全疲劳生活的占95%。因此,在工程实践中,疲劳试样的生活稳定传播阶段的主要裂缝大约可以用于预测疲劳寿命。(3)半经验的公式的疲劳裂纹扩展速率与碳纤维布加固钢筋混凝土梁,提出了基于上述有限元计算和疲劳裂纹扩展测试在高温和高湿度(R·H 50°C, 95%)预处理和室内大气环境(R·H 23°C, 78%)。增强RC梁的疲劳寿命预测准确使用半经验的公式。预测结果与实验数据相比保守。

相互竞争的利益

作者宣称没有利益冲突。

确认

该项目是由中国国家自然科学基金(11627802号,51678249,11132004,51508202),中国学术委员会(没有。201606155018),为重点实验室开放项目建设山区桥梁和隧道在重庆交通大学(没有。CQSLBF-Y16-9)。