FRP加固水工混凝土结构的界面断裂及粘聚本构关系研究

It is one of common methods in strengthening and retrofitting hydraulic structures by pasting FRP to concrete surface in order to enhance the intensity and rigidity, the performance of the strengthened structures is mainly supported by the bonded interface between FRP and concrete. Previous researches had shown that the failure of strengthened structures generally occurred in the bonded interface between FRP and concrete, but at present in-depth research on the process of fracture failure of bonded interface does not carry out. In this project, the development process of FRP-concrete bonded interface fracture are conducted by considering the effect of FRP-concrete bonding transverse shear deformation, contact, friction and adhesive layer, nonlinear fracture analysis and evaluation of failure process are used with the physical experiment and numerical simulation for the verification, cohesive law of bonded interfaces will be revealed. This project has important theory significance and practical values in the study of fracture mechanism of FRP-concrete bonded interface，it will lay a foundation for improving the linear and nonlinear interface fracture mechanics theory，and will be highly beneficial to the application and development of strengthening and repair technology in hydraulic engineering and other infrastructures.

将FRP粘贴到混凝土表面以增强结构的强度和刚度是水工建筑物加固修复中常见的方法之一，加固后结构的性能主要靠FRP和混凝土之间的粘结面来满足。以往研究表明加固结构的失效通常始于粘结面，但目前对粘结面断裂失效过程的研究尚未深入开展。本项目通过考虑FRP-混凝土粘结面的横向剪切变形、接触与摩擦以及胶层对粘结界面的影响，拟采用非线性断裂分析和失效过程评估方法，借助物理试验和数值模拟手段进行验证，开展FRP-混凝土粘结界面断裂发展过程的深入研究，揭示粘结界面的黏聚本构关系。该项目对于阐明FRP-混凝土粘结界面断裂机理具有重要意义，并为提高线性和非线性界面断裂力学理论奠定基础，有助于推动水利及其它基础设施加固和修复技术的广泛应用和发展。

将FRP（纤维增强复合材料）粘贴到混凝土表面以增强结构的强度和刚度是水工建筑物加固修复中常见的方法之一，大量的工程实例和试验结果表明：FRP加固混凝土结构的失效破坏主要发生在FRP与混凝土之间的粘结界面。因此，FRP加固混凝土结构的关键问题是对其界面的强度、性能及断裂、破坏机理的研究。. 本项目基于断裂力学基本理论，在“刚性节点模型”和“剪切变形双材料梁模型”的基础上，考虑了各子层由剪切和摩擦产生的变形，各子层可以完全自由变形，通过引进界面柔度参数，建立两子层之间界面连续性关系，提出了“界面可变形双层梁模型”；对ASTM D905标准剪切试件加以改进，借助二维和三维有限元方法对FRP加固混凝土构件的粘结界面的剪切试验进行数值模拟，得到了FRP-混凝土粘结界面剪切应力分布规律；利用提出的“粘结界面可变形双层梁理论模型”与索志刚和Hutchinson提出的“刚性节点模型”和Wang和Qiao提出了“剪切变形双材料梁模型”及数值计算方法，计算了统一的双材料界面断裂试件在竖向和在等效弯矩荷载作用下，试件随裂纹扩展而变化的正交化能量释放率，从而验证了提出的“粘结界面可变形双层梁理论模型”的先进性和准确性。. 在此基础上，将胶层简化为二维弹性连续构件，对混凝土-胶层和FRP-胶层上的剥离应力和剪切应力分别模拟，引入胶层纵横向位移作为独立参数，采用提出的“界面可变形双层梁模型”，计算得到靠近粘结层端部的局部变形，进而得到沿粘结胶层厚度方向的应力分布情况。. 结合理论模型对FRP-混凝土粘结界面断裂的预测，开展了FRP加固混凝土结构的脱粘试验研究，得到了FRP-混凝土在纯剪和弯剪作用下的应力-滑移粘聚本构模型，描述了FRP-混凝土界面断裂破坏过程；开展了FRP加固混凝土粘结界面的纯剪切和混合型断裂试验，得到了混合型断裂试验装置和试验方法，为评估FRP-混凝土界面粘结失效过程提供理论模型和试验方法。. 本项目的开展对于阐明FRP-混凝土粘结界面断裂机理具有重要意义，为FRP加固混凝土设计提供了重要的理论基础和指导，有助于推动水利及其它基础设施加固和修复技术的广泛应用和发展。