FRP筋混凝土界面的随机疲劳损伤机理及寿命预测方法

Corrosion of the steel bar can be solved essentially for FRP reinforced concrete instead of reinforced concrete under harsh environments. The interfacial bond performance is the key technical issues of FRP tendon and concrete with both the normal work. Therefore the random fatigue damage mechanism and life prediction method of the interface of FRP tendon and concrete is investigated,and the research has the important theoretic significance and the project practical value. Combining the load survey and the existing highway bridge load spectrum, the random amplitude fatigue load spectrum is obtained through the non - Gaussian process simulation. Based on the mechanical properties of FRP bars and concrete, the capacity of the interface of FRP tendon and concrete is developed on a series of the single direction load tests. The fatigue bond performance is investigated under the constant amplitude fatigue load. Based on the test results, the slip and bond stress distribution of FRP tendon is built, interface bond strengthen damage model and interface bond stiffness damage model between FRP tendon and concrete under fatigue load is proposed, interface life prediction equation is proposed under the constant amplitude fatigue load. The bond performance of FRP tendon and concrete is studied under the random amplitude fatigue load. Based on the test results, it conducts a comprehensive comparison study on the fatigue life under the constant amplitude fatigue load or random amplitude fatigue load, the interface fatigue cumulative damage mechanism is analyzed. In virtue of the constant amplitude fatigue life prediction model, the random fatigue life prediction method of the interface of FRP tendon and concrete is built on the remaining life damage theory and the residual strength damage theory. The reseach results may be useful to the fatigue life prediction and safety assessment of FRP reinforced concrete structure.

FRP筋混凝土代替钢筋混凝土应用于恶劣环境下可以从根本上解决钢筋腐蚀问题，FRP筋与混凝土的界面粘结是两者正常工作的关键，因此研究FRP筋混凝土界面的随机疲劳损伤机理和寿命预测方法具有重要的理论意义和工程应用价值。结合交通实地调查和现有公路桥梁荷载谱，建立非高斯过程随机变幅疲劳荷载谱的计算方法。考虑FRP筋与混凝土的材料力学性能，结合界面静力承载能力的计算式，研究等幅疲劳荷载作用下FRP筋滑移和粘结应力分布的变化规律，提出界面粘结强度和粘结刚度损伤模型，建立界面等幅疲劳寿命预测模型。基于随机变幅疲劳试验对比研究等幅疲劳荷载和随机疲劳荷载对界面疲劳寿命的影响，以此来探讨FRP筋混凝土界面的随机损伤机理。借助上述等幅疲劳寿命预测模型，分别采用剩余寿命和剩余强度损伤模型提出相应的FRP筋混凝土界面的随机疲劳寿命预测方法。该项目的研究为FRP筋混凝土结构的疲劳寿命预测及安全评估工作打下坚实的基础。

该项目以吉茶高速公路矮寨大桥为工程背景，进行了连续48小时的随机车辆荷载调查，并系统研究了车辆随机荷载各参数的分布特点以及随机荷载谱。研究结果表明：（1）矮寨大桥的车辆荷载可以分为七大类型，依次为小型面包车、小轿车、小型客车、大型客车、小型货车、中型货车以及大型货车等；在所有的车辆荷载中，小轿车占总车辆的49.5%，大型货车占总车辆的21.56%，其余类型车辆的比例均小于10％；第一类至第七类车型的典型车重，它们分别为1646kg、1451kg、3572kg、12395kg、6974kg、29104kg以及52832kg。（2）车速和车重特性研究结果表明，各车型的车速分布和车重分布均宜选用正态分布函数。（3）将每种类型车辆折算成第七类车大型货车进行分析，得到折算后的车辆荷载的时间序列，然后再通过Matlab编程获得车辆荷载的自相关函数和车辆荷载的功率谱密度函数；对折算后服从正态分布的随机车辆数据分别求出其均值和标准差，利用Matlab编程来模拟高斯随机过程，最后得到矮寨大桥随机车辆荷载谱。项目针对目前国内外FRP筋混凝土界面的疲劳粘结性能研究较少，以FRP筋活性粉末混凝土（RPC）界面的疲劳粘结性能为研究目标进行了研究，其主要研究内容及成果如下：（1）根据常幅荷载作用下CFRP筋混凝土界面疲劳性能的试验研究，得到荷载循环次数、锚固长度、应力水平和应力幅值对CFRP筋荷载滑移曲线和钢套筒应变的影响，探究了疲劳荷载对CFRP筋轴向动应变的影响，对比了疲劳前后静载试验的破坏形式、极限承载力、荷载滑移曲线、CFRP筋刚度和钢套筒应变等，最后得到了疲劳寿命预测曲线和临界锚固长度计算式。（2）结合公路桥梁的随机变幅疲劳荷载谱，研究了随机疲劳荷载作用下CFRP筋混凝土界面的疲劳性能，得到荷载循环次数和锚固长度对FRP筋混凝土界面的荷载滑移曲线和钢套筒应变的影响，探究了随机循环疲劳荷载对CFRP筋轴向动应变的影响，通过随机疲劳后的静载试验对比了疲劳前后试件的破坏形式、极限承载力、CFRP筋刚度和钢套筒应变等，最后得到了随机疲劳寿命预测曲线、临界锚固长度计算式和CFRP筋的疲劳损伤演化规律。（3）采用ANSYS对FRP筋混凝土粘结界面的疲劳性能进行了分析，试验结果验证了该理论分析的正确性。