海洋环境下FRP型材疲劳损伤机理及计算模型

Fiber reinforced polymer (FRP) pultruded profiles have several advantages such as light weight, high strength and corrosion resistance, which could be used to replace the section steel in the marine engineering, aiming to protect the marine structures from the corrosion issues. The fatigue performance is significant for the engineering materials used in the marine environment, while the FRP profiles have not been given enough attention in this aspect. The fatigue performance of the FRP profiles subjected to the marine environment is investigated in this research study by using the accelerated aging test and the flexural fatigue test, and the main parameters include the temperature, the erosion time and the characteristic parameters of the fatigue test; The fatigue damage mechanism and the failure mode will be revealed by using the micro analysis technology and the experimental results, and also the fatigue failure criterion will be discussed; the fatigue damage degradation model, the strength degradation model and the prediction model of the fatigue life will be proposed based on the composite materials mechanics, damage mechanics and nonlinear finite element simulation. This research study will contribute to the development of the fatigue theory for the FRP composites, promoting the application of the FRP composites in the marine engineering.

FRP型材拥有轻质、高强、耐腐蚀等优点，可在海洋工程中代替型钢，降低钢材腐蚀对海洋工程的损伤。但海洋工程所处的严酷环境对工程材料的疲劳性能要求较高，目前针对FRP型材尚未形成系统的疲劳理论，影响了其在海洋工程中的耐久性设计。因此，本项目以海洋环境下的FRP型材为研究对象，以海水温度、侵蚀时间与疲劳试验特征参数为试验参数，通过FRP型材的加速老化试验与受弯疲劳试验，研究海洋环境下FRP型材的受弯疲劳性能；结合宏观试验结果与微观物相分析，揭示海洋环境下FRP型材的疲劳损伤与破坏机理，提出海洋环境下FRP型材的疲劳损伤准则与失效模式；基于复合材料理论、损伤力学理论以及非线性有限元数值模拟，建立海水侵蚀与荷载耦合作用下FRP型材的疲劳损伤演化模型、强度退化模型和疲劳寿命预测模型，预期成果可丰富FRP复合材料相关疲劳理论，推动FRP复合材料在海洋工程中的应用。

纤维增强复合材料(Fibre Reinforced Polymer, FRP)由于其突出的耐腐蚀性引起了水利工程以及海洋工程领域的广泛关注。FRP型材是FRP复合材料中的一种，不仅拥有普通FRP轻质、高强、耐腐蚀等优点，还可以根据需要设计各种形状、强度、尺寸以及颜色，可设计性好，可在海洋工程中单独使用代替型钢，降低钢材腐蚀对海洋工程的损伤，也可以与混凝土一起形成组合构件，共同承受荷载，应对海洋工程的复杂工况。项目开展了FRP型材的在海水腐蚀环境下的老化试验，以海洋环境下的FRP型材为研究对象，以海水温度、侵蚀时间与疲劳试验特征参数为试验参数，通过FRP型材的加速老化试验，研究海洋环境下FRP型材的材料性能退化规律与构件受弯性能变化规律。试验结果表明，在180天左右，FRP型材的材料性能退化较构件性能退化更加明显，其中，材料纵向各项强度下降约15%左右，而构件的抗弯承载力下降10%左右。因此，FRP型材构件整体的耐腐蚀性要优于材料的耐久性。项目开展了FRP型材混凝土组合梁构件的受弯性能试验。利用FRP型材轻质、高强的材料特性，将其即作为构件浇筑的模具，辅助构件成型，又作为永久模具与混凝土共同承受荷载。试验考虑了钢筋配筋率、空心率、不同界面设计等参数对构件受弯性能的影响。试验结果表明，FRP型材作为模具与混凝土形成组合梁构件，可以明显提高构件的抗弯强度，单独使用FRP与混凝土形成构件，强度可以达到同截面钢筋混凝土的3倍左右，而如果使用FRP与钢筋等增强材料一起增强混凝土结构，构件的抗弯强度可提高5倍左右。项目整体对FRP型材组合结构的设计原理以及FRP型材材料在海洋环境下的性能退化规律进行了系统研究，得到了具有一定工程参考价值的材料强度退化规律与结论，为FRP型材在海洋工程中的应用提供数据支撑和理论依据。