蠕变和湿热条件下的FRP-混凝土界面断裂机理研究

The lack of fundamental understanding of the interface behavior of the FRP plate and the FRP/concrete core, which involves a highly complicated 3-D fracture problem compounded with the effects of creep and temperature/moisture on the interface, hampers further development of this concept. This study would expand the knowledge in this area by: (1) providing a 3-D fracture model considering creep and hygrothermal effects for FRP-concrete hybrid structures; (2) developing an innovative experimental setup to measure the critical energy release rate (ERR) and cohesive law based on J-integral method; and (3) studying creep and hygrothermal effects on FRP-concrete interface and on structural wall panels. This project can promote fundamental research addressing the 3-D fracture and failure mechanism of hybrid or bi-material interface encountered in most new hybrid product development.

目前对FRP面板与FRP/混凝土芯之间界面行为的基本认识还不完整，其牵涉到一个极其复杂的位于界面并伴随着蠕变和湿热效应的三维断裂问题。本研究将会拓展这些领域的认识：（1）为FRP-混凝土复合结构提供一种考虑蠕变和湿热效应的三维断裂模型；（2）开发一个新型的实验方案以测量临界能量释放率（ERR）和基于J积分方法的内聚力关系；（3）研究在FRP-混凝土交界面以及结构层板上的蠕变和湿热效应。该项目可以推进针对在大部分新型复合产品发展中都会遇到的复合或双材料交界面处的三维断裂和破坏力学问题的基础研究。

FRP（纤维增强塑料）材料因其具有高的比强度、比模量、设计性强和超高的环境耐久性在土木工程领域得到了广泛应用。虽然利用FRP材料获得了满意的性能，但是在长期服役下FRP-混凝土界面容易发生脱胶，引起了人们的广泛关注。本项目主要围绕FRP-混凝土界面和FRP-混凝土系统的基本力学特性及其耐久性，开展理论和试验相结合研究，主要工作包括：（1）提出了一个改进的四参数梁模型，并利用柔性结点模型计算4-AENF试样和4-SLB试样的柔度和能量释放率，并得到了满意的结果。（2）利用设计的4-AENF试样和4-SLB试样表征不同模态比例下GFRP-混凝土界面断裂行为，测量裂纹萌生荷载和止裂荷载，并计算相应的临界能量释放率。（3）同时考虑裂纹尖端局部变形和子梁的剪切变形，建立了一个新的三维断裂模型，拓展了断裂力学应用范围。（4）考虑均匀温度（湿度）和不均匀温度（湿度）改变的影响，利用三个界面力学模型分别计算了开裂双材料梁的能量释放率。（5）对开发的一种新型GFRP-混凝土结构进行了试验、解析和数值研究，结果显示该结构在建筑领域中的楼板和墙以及桥梁结构中的面板应用中具有很好的应用前景。（6）通过不同开孔孔径的FRP开孔板与混凝土连接件进行拔出试验，提出了考虑开孔板应力集中的FRP开孔板与混凝土连接件极限承载力计算公式。（7）开发了一种能够能够求解具有非对称分层的双材料梁柱通用屈曲分析模型。（8）开展单悬臂梁试样亚临界脱胶测试，研究了湿热效应和水环境对FRP-混凝土界面的影响，结果显示：在亚临界测试中，即使能量释放率低于临界值，脱胶依然会发生。（9）首次提出了态基近场动力学分析的临界伸长率和临界角的概念，并利用这两个准则分析了I型和II型断裂力学问题。（10）提出了一个考虑热力荷载共同作用的态基近场动力学模型，该模型被用来预测双材料结构的损伤增长过程，并且同时考虑了二维和三维的情况。总之，本项目促进了对新型组合结构中双材料界面的失效机理和其耐久性力学性能的理解。