地下拱结构碳纤维复合材料加固方法与抗爆性能研究

Underground protective structures will be destroyed under seismic and explosive loads, companying with concrete spalling, microcracks and structural cracks. Load capacity of the structure will be greatly weakened. To strengthen damaged structures, carbon fiber reinforced polymers (CFRPs) have been widely used in civil engineering. In this research, CFRP strengthening method will be applied to strengthen underground protective arches through theoretical analyses, numerical simulations and explosion experiments. Adhering method will be firstly researched and corresponding failure modes will be revealed by structural experiments under explosions. To restrict the tensile stress wave induced by the reflection of the free boundary and fiber strip debonding from the concrete, adhering combining with anchoring method will be proposed. Introducing interfacial stresses and structure-medium interactions, dynamic equations of the blast-loaded underground arch will be built and solved to reveal the distrbution of blast loads, interficial stresses and deflections. Failure criterion will be suggested to evaluate the failure mode and ultimate load capacity of the strengthened arch. Through this research, an effective dynamic strengthening method using CFRP will be proposed to strengthen underground protective structures.

地下防护结构在地震、爆炸荷载作用下发生结构损伤，产生混凝土剥落、微裂纹带、结构性主裂缝等破坏模式，结构承载力降低，严重影响结构的正常使用。对损伤结构进行加固是保证地下防护结构正常使用的基本措施。课题综合采用技术工艺研究、理论分析、数值模拟、结构模型试验等方法，系统研究地下拱形防护结构复合材料加固改造技术及其爆炸动力学响应。在常规碳纤维布粘贴工艺基础上，针对爆炸在自由边界产生的拉伸应力波，采用粘贴/锚固复合技术对地下拱结构进行加固。考虑层间界面应力以及结构-介质相互作用模型，建立复合加固拱结构的动力学控制方程，提出复合结构的动态破坏理论，预测结构变形模式、破坏特征及极限承载力。通过结构爆炸模型试验验证复合材料加固方法的可行性及理论分析和数值模拟的准确性，为地下抗爆结构复合材料加固方法的工程应用提供试验和理论依据。

碳纤维增强复合材料（CFRP）具有高强高效、施工便捷、耐腐蚀耐高温和自身重量轻等优点，能为国防工程改造加固和提高性能中遇到的诸多难题提供很好的解决方案。CFRP材料整体性连续性好、设计周期短、后续维护成本低、环境适应能力强等诸多的特点也较好地满足了高科技战争条件下对防护工事平时维护加固和战时快速构筑的特殊要求。.本课题将碳纤维复合材料优异的材料性能成功应用于混凝土拱形防护结构的加固与制备中。针对现有的拱形防护结构，提出了拱底部粘贴CFRP的加固方法。为了限制加固后拱结构在受力早期的CFRP剥离，考虑了CFRP粘贴加锚固的复合加固方法。研究发现，在静力条件下，拱底粘贴CFRP的加固方式能明显提高拱结构的刚度，对拱结构弹性阶段的变形有很好的抑制作用，而CFRP粘贴加锚固的复合加固方法除了能增强结构的刚度，还能提高结构的最大承载能力，并明显改善结构的延性特征。在爆炸荷载作用下，拱底粘贴CFRP的加固方式能有效抑制冲击荷载作用下混凝土的开裂和震塌，对降低爆炸作用危害、维护结构整体性有很大助益。.针对拼装式混凝土防护工事拱形结构单元，在拱底粘贴CFRP加固的基础上，进一步采用环包的加固方式。在这种加固方式下，结构的刚度增强十分明显，静力加载试验中复合结构的最大承载力能达到相同条件下钢筋混凝土拱的两倍以上。抗爆条件下结构的完整性能得到有效保护，即使内部混凝土完全粉碎的情况下，结构依然能承受一定的荷载，这对于防护工程来说是至关重要的。受环包加固方法的启发，创新制备了CFRP管混凝土拱，该新型结构抗爆性能得到进一步优化，为防护工程建设提供了很好的选择。