芳纶纤维复合材料弯曲界面损伤机理的多尺度分析

复合材料在土木工程领域的应用是一个全新的技术。由于芳纶纤维复合材料具有许多优异的特性，现已日益广泛地应用于特种结构的加固修复中。在复合材料加固结构中，界面损伤是一种重要的破坏模式，本项目拟根据芳纶复合材料加固混凝土构件的弯曲破坏特性，建立含缺陷或损伤的多尺度分析模型和各种破坏准则或强度模型，研究裂纹扩展规律、界面黏结特性、界面损伤机制，研究预应力、湿热变化对界面损伤的影响，研究芳纶纤维复合材料与混凝土界面的破坏对构件极限承载力的影响；根据加固参数及加固方法的改变，研究界面破坏模式的变化趋势。采用复合材料力学的基本理论，建立计及纤维逐步断裂、局部芳纶纤维复合材料/混凝土界面剥离、纤维/基体界面损伤或层间界面破坏的应力重分布计算模型和统计模型，探索抑制界面剥离破坏的措施。研究成果可为制定有关芳纶复合材料加固补强技术的设计和施工规范等提供重要的理论依据，具有重要的科学意义和工程实用价值。

本项目经过三年的研究，取得了下述的研究成果：（1）引入未计及微尺度效应的薄膜弹塑性撕裂模型和三种双参数扩展准则，描述AFRP/混凝土端部界面剥离破坏形态。采用ABAQUS软件，结合ABAQUS损伤断裂原理，定义内聚力模型的损伤和开裂行为来模拟粘结界面性能。建立了描述AFRP端部界面剥离破坏二维平面弹塑性模型，采用四点弯曲加载，考虑在不同AFRP加固量的情况下，研究端部界面剥离破坏规律。将二维剥离破坏模型扩展到三维，充分考虑加固梁的各组成部分，研究了不同AFRP加固量在混凝土梁端部发生剥离破坏时各组分的力学性能。（2）基于AFRP片材-混凝土界面粘结树脂的微观结构形态，引入微观结构特征参数，依据摩擦理论及变形层理论等界面理论提出一个新的AFRP片材-混凝土界面本构模型。（3）根据预应力和非预应力芳纶纤维片材加固钢筋混凝土梁的四点弯曲破坏特性，首先借鉴和采用复合材料力学的基本理论，建立含缺陷或损伤的分层分析模型，求出各子层的应力或位移分布，并结合线弹性断裂力学中的能量法，研究了芳纶纤维片材加固含微裂纹的钢筋混凝土梁的初始开裂问题。然后推广上述剪滞分析模型，建立计及纤维逐步断裂、局部芳纶纤维片材/混凝土界面剥离的应力重新分布计算模型，并采用统计断裂理论，研究预应力和非预应力芳纶纤维片材加固钢筋混凝土梁的破坏机理、开裂荷载和极限承载力，获得了与实验较吻合的计算结果。（4）根据Fick第二定律扩散控制方程，推导了以环境相对湿度为全局变量的湿度控制方程，求解了AFRP片材与混凝土梁的湿扩散率和湿含量关于相对湿度的一般表达式，建立界面层本构关系。（5）采用ABAQUS的质量扩散模块，对AFRP纤维和UHL/EP复合材料及AFRP加固混凝土梁的吸湿行为进行了有限元模拟分析，利用温度-结构耦合模块研究了不同时刻材料内部的吸湿应力及界面损伤。结果表明：界面处的吸湿应力水平明显高于其他的区域，AFRP材料端部由于吸湿容易发生剥离破坏。（6）在经典连续介质力学的框架内，通过加入表面能的影响，研究了纳米材料弹性性能的尺寸依赖性。本项目的研究成果为AFRP加固混凝土结构提供了重要的理论依据，至结题时止，共发表论文11篇，其中在国内外重要刊物上发表论文8篇，在国际会议上发表论文3篇，SCI收录1篇，EI收录9篇，另有待发表论文3-4篇，圆满高质量地完成原定的研究计划。