FRP嵌入法加固混凝土结构及粘结界面的断裂力学性能研究

Study on the crack extension resistance and debonding resistance in NSM FRP (near-surface-mounted fiber-reinforced polymer) strengthened concrete members plays a very important role in evaluating the load bearing capacity of retrofitted structures in coastal regions. This project will be aimed at the crack propagation mechanisms in the concrete and at the interface for the NSM FRP rods and strips strengthened elements based on fracture mechanics. Firstly, the bond-slip constitutive relationships will be obtained for different interfacial debonding failures in virtue of the experimental study on bonding properties between the NSM FRP and concrete with different types of FRP, adhesive filler materials, etc. Then the correlation between the crack growth length in concrete and interfacial crack growth length will be established for NSM FRP strengthened three-point-bending notched plain and reinforced concrete beams. The critical states will be analyzed during the loading process of the strengthened beams. In virtue of the experimental results, the local fracture energy distribution of concrete will be determined in NSM FRP strengthened reinforced concrete members. Moreover, the local interfacial fracture energy distribution will be given along the bonding length of the NSM FRP. Thus, the theory of boundary effect can be extended. Based on the obtained local fracture energy distribution models, the analytical models for bond bearing capacity between the NSM FRP and concrete will be established. The crack width will be reduced efficiently and the load bearing capacity of NSM FRP strengthened reinforced concrete members can be the maximum by optimizing the thickness of adhesive layers and the materials strength will be exerted sufficiently. The results in this project will provide scientific guidance towards the strengthening design for the structural members in coastal regions.

FRP（纤维增强复合材料）嵌入法加固混凝土构件的抗裂性及抗剥离性研究对滨海地区结构物修复后的承载能力评估至关重要。本项目拟基于断裂理论研究FRP筋和板条嵌入法加固构件中混凝土裂缝及界面裂缝扩展机理。首先，拟通过试验研究不同FRP材料类型、粘结剂种类等条件下嵌入式FRP与混凝土界面的粘结特性，得到对应不同粘结破坏模式的界面粘结滑移本构关系。拟基于此，建立混凝土裂缝扩展量与界面裂缝扩展量的关系，分析FRP嵌入法加固素混凝土和钢筋混凝土三点弯曲切口梁受力过程的临界状态。拟结合试验确定混凝土局部断裂能在加固钢筋混凝土构件中的分布模型及界面局部断裂能沿FRP嵌贴方向的分布模型，从而将边界效应理论推广。拟利用局部断裂能分布模型建立嵌入式FRP与混凝土粘结承载力计算模型，并确定最优粘结层厚度，有效减小裂缝宽度，且使得加固后的钢筋混凝土构件承载力最大。本项目的研究成果拟对涉海结构物的加固设计提供科学依据。

本项目从嵌入式纤维增强复合材料（FRP）筋与混凝土界面粘结性能、FRP筋嵌入法加固混凝土结构断裂特性以及界面局部断裂能分布规律与边界效应等方面开展研究工作，并取得了一系列研究成果。首先，针对嵌入式FRP筋与混凝土界面粘结性能，研究了不同粘结材料对界面粘结性能的影响。本项目考虑了环氧树脂胶与高性能纤维增强水泥基复合材料（HPFRC）两种粘结材料。结果标明，采用环氧树脂胶作为粘结材料，粘结极限承载力高于采用HPFRC作为粘结材料的情况。但破坏时脆性较大，通常为胶层劈裂破坏。HPFRC作为粘结材料时，破坏形式为FRP筋从基体中拔出，表面混凝土有轻微剥离，且呈明显延性破坏。此外，分析了氯盐交替循环对两种粘结材料加固效果的影响。结果表明，随着干湿交替循环次数的增加，环氧树脂胶作为粘结材料时界面的极限承载力逐渐降低；而HPFRC作为粘结材料的稳定性较好，界面极限承载力略有提高。因而，HPFRC可替代环氧树脂胶应用于海洋环境下FRP筋嵌入法加固混凝土结构中。其次，在FRP筋嵌入法加固混凝土梁断裂特性试验研究中，确定了加载过程中两个临界状态。其中第一个临界状态对应的荷载大小取决于初始裂缝尖端区域局部断裂能；第二个临界状态对应的荷载大小取决于FRP筋的闭合作用。进而利用非线性断裂理论建立了第一个临界值与裂缝尖端区域局部断裂能的关系，确立了FRP嵌入法加固混凝土中局部断裂能的三线性分布模型，从而明确了嵌入式FRP筋的边界效应。针对界面局部断裂能分布规律的研究中，作为基础研究，本项目分析了钢筋与混凝土界面以及FRP片材加固混凝土界面断裂能的边界效应。通过建立极限承载力与界面裂缝尖端区域局部断裂能的关系，确定了界面断裂能沿粘结长度方向的分布模型。进而揭示了界面粘结—滑移本构关系沿粘结长度方向变化的本质。本项目的研究将对海洋环境下高效率的FRP嵌入法加固混凝土结构具有重要的学术意义和工程意义。