FRP加固钢筋混凝土结构抗爆炸、冲击性能研究

Fibre reinforced polymer (FRP) composites have been widely used in strengthening reinforced concrete(RC) structures. Debonding at the FRP-to-concrete interface is one of the predominant failure modes for both static and dynamic loading (i.e. cyclic load, impact and blast). Although extensive research has been conducted on the static bond behaviour, the bond-slip mechanics under high strain rates is not well understood. The current project is mainly concerned with the FRP-to-concrete bond behaviour under dynamic loading, and studies the bond-slip mechanics under high strain rates. Based on the research, the dynamic bond-slip model will be introduced to model large scaled FRP retrofitted RC structures giving the design proposal for FRP strengthening RC structures to resist impact and blast. There are significant economic and social benefits with increasing the resistance of RC structures to impact and terrorist attacks.

纤维复合材料（FRP）在钢筋混凝土（RC）结构加固中有广泛应用，FRP 与混凝土的界面剥离破坏是FRP加固RC结构在静力和动力荷载（如周期荷载、冲击荷载和爆炸荷载）下的一种主要破坏模态。然而已有FRP与混凝土的粘结性能的研究成果仅局限于静态的粘结滑移模型。本研究针对动力荷载作用下的FRP与混凝土的粘结性能展开深入研究，拟通过理论分析、实验和有限元模拟提出高应变率下的动态混凝土的粘接滑移模型，在此基础上结合爆炸和冲击作用下的结构精细有限元分析，提出FRP加固RC结构抗冲击和抗爆设计方法。本项目研究对提高加固后混凝土结构抵抗冲击和恐怖袭击的能力，减少由于冲击和爆炸引起的生命财产损失，具有显著的社会效益和经济效益。

纤维增强复合材料（Fiber Reinforced Polymer，简称FRP）已经被广泛应用于混凝土及其它结构的加固。目前最新的研究开始涉及用外贴FRP 加固技术增强结构抵抗爆炸和冲击荷载的能力。FRP 与混凝土粘结界面是外贴FRP 加固混凝土结构中的薄弱环节，也是研究FRP加固钢筋混凝土结构抵抗冲击/爆炸荷载性能研究的关键所在。尽管已有大量针对准静态荷载下FRP-混凝土界面行为的研究，然而针对高应变率下的FRP-混凝土界面行为的研究却比较少。本项目首要针对FRP-混凝土动态粘结滑移行为的研究展开。由于界面剥离破坏主要发生在紧贴FRP的一薄层混凝土当中，因此混凝土的动态材性对FRP-混凝土动态粘接滑移行为的影响至关重要。因此本项目前期的研究首先分别针对混凝土模型和准静态荷载条件下的FRP-混凝土界面粘接滑移模型展开。本研究详细讨论了准静态条件下混凝土并选择了基于LS-DYNA显式算法的K&C局部损伤混凝土模型。在具体模拟准静态荷载条件下FRP-混凝土界面粘结滑移过程中进一步细化分析了剪切破坏模态下混凝土抗剪膨胀系数的应用，并通过有限元模拟和大量试验数据样本的比较给出了一个与混凝土强度等级相关的混凝土抗剪膨胀系数公式。研究给出的能够准确模拟准静态荷载条件下FRP-混凝土动态材性的有限元模型为进一步考量动态荷载条件下的界面粘结滑移行为提供了基础。接着本研究针对混凝土的动态材性展开深入研究。混凝土动力增强因子DIF-应变率关系曲线在有限元应用中的实现是本部分研究的重点，根据有限元模拟和大量试验结果的比较，本研究最终给出了该曲线在有限元模拟应用中加入网格敏感性和应变率敏感性的修正方案。混凝土的动态材性被顺利引入到FRP-混凝土搭接接头有限元试验模拟中，并随之推导出一个由滑移速率和剪切增强因子控制的FRP-混凝土动态粘结滑移模型。FRP-混凝土搭接接头冲击试验数据和模拟数据的比较进一步证明了该模型的正确性。该模型还被引入FRP加固钢筋混凝土结构抵抗爆炸荷载的模拟研究中。同时本研究还提出了FRP加固钢筋混凝土结构抵抗冲击/爆炸荷载的加固方案。