（固体力学专业论文）CFRP混凝土结构中若干力学问题的理论分析及实验研究.pdf

摘要本文针对碳纤维加固混凝土结构的若干力学问题进行了多方面的研究。研究工作主要从理论及实验两方面开展，涉及的内容包括碳纤维材料本身的力学性质、碳纤维与混凝土粘结界面的力学特点、碳纤维对裂纹扩展的影响等几个方面。首次将数字图像频域分析法( d l a f ) 应用于该领域的试验研究中。首先，本文介绍了数字图像频域分析法的基本原理，首次分析了将其应用在混凝土构件试验研究中存在的一些问题，包括混凝土自然表面与喷斑处理过表面对测试精度的影响及表面缺陷对测试精度的影响，给出了针对刚体位移、过大位移的处理方法，确立了如何解决系列加载中涉及到的位移叠加位置不匹配问题的方法，并对数字图像频域分析法应用在混凝土构件试验研究中位移、应变的测试精度进行了分析。其次，采用基于统计失效模型的方法，建立了一个基于单元的含有剪切面参数的三维剪滞模型，从细观力学的角度对c f r p 片材的拉伸力学性能进行了数值模拟。纤维的强度基于蒙特卡洛( m o n t e c a r l o ) 方法，用两参数的韦布尔( w e i b u l l )分布模拟。通过对碳纤维片材的数字图像频域分析法的试验研究证明了数值模拟的正确性。本文引入与横向剪切变形相关的界面应力仃。，f 。，推导了考虑横向剪切变形影响的c f r p 加固混凝土三点弯梁界面剪应力及剥离正应力的解析解。以此为基础，结合数字图像频域分析法对c f r p 加固混凝土三点弯梁界面位移场进行光力学试验研究，得到了碳纤维片材粘贴端部界面剪应力与滑移量之间的关系曲线。作为对c f r p 加固结构界面力学性能的补充研究，本文还对轴向拉伸铝试件粘贴c f r p 后界面的变形情况进行了实验研究。以混凝土和c f r p 片材的本构关系和变形特征为分析的基础，通过考察含裂纹的c f r p 增强混凝土三点弯梁开裂的横截面的静力平衡关系，建立了承载力的理论解。与此同时，通过数字图像频域分析法，对c f r p 增强含裂纹混凝土梁三点弯加载下裂纹尖端的位移场、应变场进行实验研究，较精确地获得了裂尖张开位移与荷载之间的关系曲线。关键词：数字图像频域分析法三维剪滞模型剪切变形c f r p 片材a b s t r a c tt h i sa r t i c l es h o u l dc a r r yo u tm u l t i p h a s es t u d yf o rs o m em e c h a n i c a lp r o b l e m si ns t r e n g t h e n i n gc o n c r e t es t r u c t u r ew i t hc a r b o nf i b r e t h er e s e a r c hm a i n l yb e g i n sf r o mt h eb o t hs i d e s ，t h a ti st h e o r ya n dp r a c t i c e ，t h ec o n c e r n e dc o n t e n t si n c l u d es u c ha s p e c t sa st h ei n h o u s em e c h a n i c a lp r o p e r t yo f c a r b o nf i b r em a t e r i a l ，t h em e c h a n i c a lc h a r a c t e r i s t i co ft h eb o n d i n gi n t e r f a c eb e t w e e nc a r b o nf i b r ea n dc o n c r e t e ，a n dt h ei m p a c to nc r a c k g r o w t hb yc a r b o nf i b r e d i g i t a li m a g ea n a l y s i si nf r e q u e n c y ( d i a f )i sa p p l i e dt oe x p e r i m e n t a ls t u d yo ft h i sf i e l df o rt h ef i r s tt i m e f i r s t l y ，s o m ep r o b l e m se x i s t e n ti nt h ea p p l i c a t i o n , o fd i g i t a li m a g ea n a l y s i si nf r e q u e n c y ，t ot h ee x p e r i m e n t a ls t u d yo fc o n c r e t ec o m p o n e n ta r ea n a l y z e d , i n c l u d i n gs u c hp r o b l e m sa st h ei m p a c to nm e a s u r i n ga c c u r a c yb yc o n c r e t en a t u r a ls u r f a c ea n ds p r a y e ds u r f a c ea n da st h ei m p a c to nm e a s u r i n ga c c u r a c yb ys u r f a c ed e f e c t ，ap r o c e s s i n gm e t h o dw a sp r e s e n t e da i m i n ga tr i g i db o d yd i s p l a c e m e n ta n do v e r s i z e dd i s p l a c e m e n t ，t h es o l v i n gm e t h o dw a sg i v e nf o rs u c hp r o b l e m sa sd i s p l a c e m e n ts u p e r p o s i t i o na n dm i s m a t c h i n gp o s i t i o ni ns e r i e sl o a d i n g ，a n dt h em e a s u r i n ga c c u r a c yf o rd i s p l a c e m e n ta n dd e f o r m a t i o ni sa n a l y z e dw h e nd i g i t a li m a g ea n a l y s i si nf r e q u e n c yi sa p p l i e dt oc o n c r e t ec o m p o n e n te x p e r i m e n t a ls t u d yam o d u l eb a s e d3 一ds h e a r - l a gm o d ew i t ht h ep a r a m e t e r so fs h e a rs u r f a c ei ss e tu pt h r o u g ht h em e t h o do fs t a t i s t i cf a i l u r em o d e ，a n dt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o nf o rs t r e t c h i n gf o r c ep e r f o r m a n c eo fc f r pp l a t ei sc a r d e do u tc o m p l e t e l ya n dc o r r e c t l yf r o mt h ea s p e c to fm e s o m e c h a n i c s t h et o u g h n e s so ff i b e ri sb a s e du p o nm o n t ec a r l om e t h o d ，a n dt h ed o u b l e p a r a m e t e rw e i b u l ld i s t r i b u t i o ns i m u l a t i o ni sa d o p t e d t h r o u g ht h ee x p e r i m e n t a ls t u d yf o rt h eo ft h ed i g i t a li m a g eo fc a r b o nf i b r es i m u l a t i o ni sp r o v e d f r e q u e n c yd o m a i nc o r r e l a t i o na n a l y s i sm e t h o ds h e e tm a t e r i a l ，t h ec o r r e c t n e s so fn u m e r i c a li n t e r f a c i a ls t r e s sgp ，tpc o r r e l a t i v ew i t ht r a n s v e r s es h e a rd i s t o r t i o ni si n t r o d u c e d ，a n dt h ea n a l y t i cs o l u t i o nf o rs h e a rs t r e s sa n dp e e ln o r m a ls t r e s so ft r i - p o i n tc u r v e db e a mi n t e r f a c eo fc f r ps t r e n g t h e n i n gc o n c r e t ew i t ht h ec o n s i d e r a t i o no fd i s t o r t i o ne f f e c to ft r a n s v e r s es h e a r t a k i n gt h i sa sab a s ea n dc o m b i n i n gc o r r e l a t i o na n a l y s i sm e t h o do fd i g i t a li m a g ef r e q u e n c yd o m a i n , p h o t o d y n a m i c se x p e r i m e n t a ls t u d yi sm a d ef o rd i s p l a c e m e n tf i e l do ft r i p o i n tc u r v e db e a mi n t e r f a c eo fc f r ps t r e n g t h e n i n gc o n c r e t e ，a n dt h er e l a t i o nc u r v e ，b e t w e e ns h e a rs t r e s sa n ds l i p p a g e ，o fp l a s t e r i n gh e a de n do fc a r b o nf i b r es h e e tm a t e r i a l a sas u p p l e m e n t a r ys t u d yo ft h em e c h a n i c a lp r o p e r t yo fc f r pr e i n f o r c e ds t r u c t u r ei n t e r f a c e ，t h i sa r t i c l ea l s oc a r r i e do u te x p e r i m e n t a ls t u d yf o ri n t e r f a c i a ld i s t o r t i o no fa x i a lt e n s i o na l u m i n i u ms p e c i m e na f t e rp l a s t e r i n gc f r p t h et h e o r yr e s o l u t i o no fb e a r i n gc a p a c i t yi sf o u n dt h r o u g hr e s e a r c h i n gt h es t a t i ce q u i l i b r i u mr e l a t i o no ft h ef i s s u r e dc r o s ss e c t i o no fc o n c r e t et r i - p o i n tc u r v e db e a mw i t hc f r ps t r e n g t h e n i n gb yt a k i n gt h ec o n s t i t u t i v er e l a t i o na n dd e f o r m a t i o nb e h a v i o ro fc o n c r e t ea n dc f r pp l a t ea st h eb a s e i nt h em e a n w h i l e ，t h r o u g hc o r r e l a t i o na n a l y s i sm e t h o do fd i g i t a li m a g ef r e q u e n c yd o m a i na n dt h r o u g ht h ee x p e r i m e n ts t u d yo ft h ed i s p l a c e m e n tf i e l da n ds t r a i nf i e l do ft h ec r a c kt i po fl o a dt r i - p o i n tc u r v e db e a mo fc r a c k l e dc o n c r e t eb e a mw i t hc f r ps t r e n g t h e n i n g t h er e l a t i o nc u r v eb e t w e e nt h et e n s i o nd i s p l a c e m e n to ff i s s u r e dt i pa n dl o a di so b t a i n e dr a t h e ra c c u r a t e l y k e yw o r d s ：d i g i t a li m a g ea n a l y s i si nf r e q u e n c y , 3 - ds h e a r - l a gm o d e ，s h e a rd e f o r m a t i o n , c f r pp l a t e独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他入已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨鲞盘堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。学位论文作者虢亿f 签字吼卿年7 月p 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解丞注盘堂有关保留、使用学位论文的规定。特授权墨注苤茎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明)学位论文作者虢气智弋力签字嗡z 唧年7 月厂口目导师签名：卅t 吁i裤醐洲年r 日第一章绪论第一章绪论1 1 纤维增强复合材料( c f i 冲) 在混凝土结构加固中的应用1 1 1 混凝土结构加固技术方法及现状建国以来，特别是改革开放以后，随着经济建设的迅猛发展，我国建筑业也有了飞速发展。同时，随着钢筋混凝土结构在基本理论和设计方法等方面研究的不断深入，钢筋混凝土建筑物的结构设计和施工水平也有了很大的提高。近年来，人们对建筑物的安全性、适用性、耐久性的要求不断增强，越来越多的新型结构体系随之发展起来，尤其是高层建筑的兴起更是给予工程师们以广阔的设计空间。在建筑类型不断翻新的同时，各种新型建筑材料也不断涌现以适应建筑业的发展要求。世界上经济发达国家的建设大体上都经历了三个阶段，即大规模新建、新建与维修改造并举和重点转向旧建筑的维修改造。近几十年来，由于旧建筑的工程事故不断发生，各经济发达国家正逐渐把建设的重点转移到旧建筑的维修、改造和加固方面。我国是一个发展中国家，钢筋混凝土结构在建筑中应用最为广泛，各地都有大规模的新建筑物正在兴建。在随着我国安居工程和住宅产业化的发展，用户对工程质量和使用功能的要求越来越高。因此在新建房屋不断增加的同时，对现有结构的维护和补强加固也引起了工程界的广泛重视。当出现更改原结构设计、施工过程中出现差错，或者发生风灾、火灾、地震等意外损坏情况时，则需要对原建筑物进行补强加固处理。再者，建筑物都有一定的设计基准使用期，我国取为5 0 年，而我国在建国后建造的大量房屋有的己接近5 0 年。同时有很多因素会缩短现有建筑结构的使用寿命，其中主要包括：物理老化、化学腐蚀、社会需求的变化、设计标准的提高等等。这些出现问题的结构，实际情况并不允许将其全部推倒重建，而采取适当的技术措施，对其进行补强与加固处理，使这些结构仍能满足人们对建筑物安全性、适用性和耐久性的要求，继续为社会服务就变得十分重要。上述原因推动了混凝土结构加固技术的发展。目前，工程上常用的钢筋混凝土结构补强加固方法主要有【l 】：1 加大截面加固法；2 外包钢加固法；3 。预应力加固；4 粘钢加固：5 玻璃钢加固；6 喷射混凝土技术；7 增加附加支撑构件加固法；8 置换法；9 绕丝法；l o 修补裂缝法。第一章绪论上述加固方法，虽然对改善结构的强度、刚度以及抗震性能起到了一定的作用，但都有一定的缺陷。为此，工程界需要新兴的、科技含量较高的加固技术。8 0 年代末，基于粘钢加固法的思路，出现了以纤维增强复合材料( f i b e rr e i n f o r c e dp l a s t i c ，简称f r p ) 代替钢板作为混凝土结构补强材料的新思路。所谓纤维增强复合材料，就是把高分子纤维织物浸润在合成树脂基质中，待基质固化成型后成为f r p 。随着材料技术的发展，现在已开发了多种高科技纤维材料，在所有这些纤维材料中，碳纤维材料是迄今为止应用于土木工程领域最早、技术最成熟，也是用量最大的一种高科技材料。随着碳纤维材料被应用于建筑业，用碳纤维布配套用胶将碳纤维布或片才粘贴于混凝土构件表面的补强方法即碳纤维加固混凝土结构新技术随之出现。1 1 2c f r p 材料的技术特点纤维增强复合材料主要由高性能纤维和基体两部分组成。纤维和基体在复合材料中起着不同的作用。纤维与基体相比较，具有高得多的强度和弹性模量，它起着增强作用，承受主要荷载；基体主要起着传递纤维间的剪力和防止纤维屈曲的作用。迄今为止，生产和应用的纤维主要是玻璃纤维( g f i 冲) 、碳纤维( c f r p )和芳纶纤维( a f r p ) ，树脂为聚酯、乙烯基酯和环氧树脂等。其中应用最广泛的是碳纤维( c f r p ) t 2 | 。c f r p 材料的外形可粗分为直线、平面、立体等三种。如钢筋般直线外形的称为筋条；平面形有网片和布形；立体形则有三维格构。筋条有圆筋条、方筋条、变形筋条和预应力张拉用绞线及筋束。有的筋条表面粘有砂粒或缠绕纤维以提高筋条与混凝土的粘结力。布形c f r p 主要用于加固工程，一般是采用不加树脂的纤维布，到工地后再用室外常温下即可固化的树脂处理。就其力学、物理及化学性能来说，在土木工程的应用领域c f r p 的主要优点体现在：1 抗拉强度高c f r p 属于高聚物碳，是有机纤维固相反应转变为纤维状的无机碳化合物。含碳量不低于9 0 碳纤维布材料的力学性能远高于钢材，其最突出的特点是强度高( 极限拉应力大，约为钢材的1 0 倍) 、密度小( 约为钢材的1 5 ) 、而弹性模量相当。2 抗腐蚀性和耐久性好与钢材相比，c f r p 具有很好的抗腐蚀性和耐久性，因而可提高结构使用寿命，尤其用于腐蚀性较大的环境效果更为显著。碳纤维布可在2 0 0 0 。c 使用，3 0 0 0 * c 非氧化环境中不熔不化。碳纤维材料的化学性质稳定，不与酸碱盐等化学物质发生反应，因而用碳纤维材料加固后的钢筋混凝土构件具有良好的耐腐蚀性及耐久性，解决了其他加固方法所遇到的化学腐蚀问2第章绪论题。3自重轻，施工方便c f r p 密度紧为钢材的2 5 左右，这样，当建筑结构中采用c f r p 时，施工方便，可降低劳动力的费用。当用于旧有结构的维修加固时效果更为明显。碳纤维布质量轻且厚度薄，不增加构件的自重及体积，具有高的强度重量比值，经加固修补后的构件，基本上不增加原结构的自重及尺寸，也就不会减少建筑物的使用空间，这在“寸土寸金 的经济社会中无疑是重要的。1 1 3c f r p 在结构加固中的应用c f r p 用于加固工程始于2 0 世纪8 0 、9 0 年代在发达国家兴起的一些工程修复技术，c f r p 复合材料加固混凝土结构的技术最早产生于瑞士联邦实验室。2 0 世纪8 0 年代，c f r p 对建筑物加固修复技术在美、日等国得到了迅猛发展。特别在美国旧金山、洛山矶地震、日本阪神地震和台湾“九二一”地震后，被损坏的建筑结构的修复加固中，c f r p 加固技术的优越性得到很好的验证。在欧洲，近年来c f r p 的加固工程已被瑞士、奥地利、意大利、比利时、希腊、瑞典、法国和德国等许多国家采用。我国对于c f r p 加固技术的应用起步较晚，1 9 8 8 年开始完成第一项加固工程。此后，这一技术得到推广，一些重大工程如人民大会堂、民族文化宫等的加固改造，都应用了c f r p 复合材料，其良好的修复加固、改造翻新效果得到广泛肯定。中国工程建设标准化协会标准碳纤维布加固修复混凝土结构技术规程程业已完成。目前国内对c f r p 材料的认识理论水平己取得了很大的进步。纵观c f r p 在各类结构加固中的应用，主要体现在以下几方面 3 ，4 】：1 对各类梁、板结构补强。主要包括：( 1 ) 抗弯补强，即碳纤维片贴在受拉一侧，沿受力筋方向粘贴，补强后碳纤维分担了拉力，结构承载力得以提高。( 2 ) 抗剪加固，通常是在待加固梁靠近端部主拉应力较大的区域和有次梁或较大集中荷载作用的部位。补强时在梁的两侧面竖向粘贴，或与梁底形成u 型环包，相当于增加抗剪箍筋的剪力。( 3 ) 抗疲劳加固，工业厂房吊车梁、桥梁及桥面板等都可以粘贴碳纤维板以增加抗疲劳能力。2 对各类柱、墩进行抗压补强，也可以进行抗震补强。用碳纤维在柱的根部或中部横向缠绕，可以在受压区产生环向束缚作用，提高抗压能力。或是纵向粘贴和横向环抱相结合，即可提高横向抗力，又可以提高结构延展性，改善能量吸收性。3 剪力墙加固，在剪力墙单面或双面沿抗剪配筋方向粘贴碳纤维片材。4 涵洞、隧道及衬砌的加固。上述各种补强，以桥梁和一般建筑物的梁板结构补强占绝大部分，桥梁墩柱第一章绪论的抗震补强次之，其它结构补强只占很少部分。1 2c f r p 应用于混凝土结构加固中力学性质的研究现状及存在的问题随着工程应用的发展，目前，围绕c f r p 片材应用于加固技术的研究工作也大量开展起来。这些研究工作主要可分为两个大的方向，一个方向是加固方法及施工工艺方面的研究，另一个方向就是其力学性能的研究。事实上，力学性能是c f r p 片材在土木工程中的应用研究的核心问题。c f r p 应用于混凝土加固结构的力学研究方法主要是理论分析、有限元数值模拟、实验研究。从研究内容上来说涉及的范围很广，包括抗弯及抗剪强度研究，界面研究，对裂纹的补强作用，疲劳、老化、腐蚀、高温等极端条件下的影响等。w e na n i 5 , 6 对纤维复合材料板加固混凝土梁建立了理论模型，并且对其中的影响因素诸如纤维板粘接面积、纤维板刚度和强度、混凝土抗压强度以及混凝土配筋率等进行了分析；t r i a n t a f i l l o u和r o s s 等人在试验的基础上利用变形协调和力平衡关系进行了粘贴玻璃纤维和碳纤维加固后钢筋混凝土梁的正截面承载力计算【7 】。v e r o n i c a 等对用碳纤维板加固混凝土梁也建立了理论模型，并且得到了剪应力分布的解析解【8 】；欧阳煜在弹性理论的基础上分析了线性载荷作用下粘贴片材加固的钢筋混凝土片端粘接剪应力和最大粘接正应力，提出了对最大粘接剪应力的影响因素以及在均匀载荷和集中载荷作用下剪应力的计算方法【9 】。一界面强度上述c f r p 片材增强构件的抗弯、抗剪等关键力学性能的研究成果表明，c f r p 片材增强构件的强度都与界面问题有关，而且，要彻底探明该类构件的破坏机理，其困难之处也在于界面。因此，c f r p 片材与混凝土的界面的力学性能的研究是至关重要的。力学分析研究主要集中在界面剥离、滑移机理模型的建立和有限元分析，抗剪模型的建立及一些简化算法，树脂与混凝土粘结后混凝土的正拉粘结强度，面内剪切粘结强度、弯曲粘结强度在快速暴露试验后的变化等方面 1 呲7 1 。c f r p 与混凝土之间的粘结是保证这两种材料共同工作的关键。实际上，很多c f r p 加固混凝土结构都是因为界面滑移、剥离而破坏的。因此，为建立相应的设计计算方法，安全可靠地应用这项加固技术，有必要对c f r p 与混凝土的界面行为进行深入研究，并提出准确可靠的界面粘结一滑移本构模型。但由于胶层部位的界面剪应力、剥离正应力分布规律与构件受力形式有关，且不易直接测量，相关的理论研究也较少，还没有一个成熟、有效的理论可供参考，大多数的研究都处4第一章绪论于试验与理论探讨阶段。对界面剪应力研究常用的实验模型主要有单剪和双剪实验，靠实验获得的数据回归，或是有限元数值模拟数据回归，以此，n a k a b a ，m o n t i ，d a i & u e d a 及陆新征等人 2 8 3 2 分别提出不同的界面粘结一滑移本构模型，现有的文献资料显示，所使用的实验方法只有电测法。抗弯加固界面研究主要以c f r p 加固混凝土简支梁为对象，r o b e r t s 、t e n g 、w u 等人通过解析分析、有限元模拟等对界面应力进行了研究 3 4 3 7 ，没有考虑横向剪切变形的影响是这些分析研究的缺点。二c f r p 片材对于含裂缝结构的补强混凝土构件中裂缝的扩展对构件的完整性、安全性等影响重大。因此，探讨c f r p 片材加固含裂缝混凝土构件中裂缝扩展的机理及其控制技术具有重要的理论意义和广泛的应用前景。混凝土构件中裂缝扩展机理的研究成果已多见报道，但由于裂缝前沿微裂区的复杂性以及混凝土材料性能的多样性、随机性、非线性等原因，要比较准确地探明混凝土构件中裂缝的扩展机理还有一定的难度，相应的以纤维薄板( 纤维布) 外贴在混凝土构件的含裂缝的受拉区以增强构件的强度，并抑制混凝土中裂缝的扩展的研究，近几年在日本等国己成为极受关注的课题，w uz h i s h e n 、t e n g 、r a b i n o v i t c h 等对其进行了较深入的理论分析及试验研究【3 8 删。为探明纤维薄板增强混凝土构件中裂缝的扩展机理，考察c f r p 片材对裂缝缝端应力、应变场以及构件极限承载力的影响，通常以带缺口或预制裂纹的纤维薄板增强素混凝土三点弯曲梁为分析的构件模型。大多数研究工作一方面集中在以断裂力学为基础的对裂尖应力场的理论分析，另一方面集中于基于有限元的数值分析，实验研究仅限于用电测法测取个别点的应变数值。而对于如何从宏观上确定c f i 冲加固构件的承载力的解析式研究较少，所得结论主要基于实验及数值模拟所得数据的数值回归，缺乏可靠性，常不能做出令人满意的预测或估算。对于对承载力有重要影响的裂尖张开位移，目前通过电测还不能测取。三碳纤维片材本身本构关系的精确描述由于复合材料中组分材料的强度以及纤维基本的结合强度均存在较大分散性，所以对复合材料强度研究较多采用基于统计失效模型的方法 4 1 4 3 】。如o h 等人l 4 4 j 应用m o n t e c a r l o 模拟方法结合剪切滞后理论预测了单向复合材料的拉伸强度；g o d a 等 4 5 】在此基础上考虑了纤维基体界面的屈服，使强度预测更为精确；l a n d i s 等人m 】又进一步修正了剪切滞后理论，引入影响叠加技术( i n f l u e n c es u p e r p o s i t i o nt e c h n i q u e ) ，分析了单向复合材料强度的尺寸效应；f a r i b o r z 等人把这种方法扩展到层内混杂复合材料的分析中【4 7 4 8 1 。然而，这些研究都是基于纤维基体系统的二维剪滞模型，o k a b e 等人【4 9 j 将剪滞模型推广至三维的情况，但他的模型中，受剪面定义为纤维的单元的圆柱面，这样的简化似乎合理，也被大多第一章绪论数人使用，但是，结合碳纤维片材的实际使用方式，这种简化弱化c f r p 片材整体的剪切作用效果，因为，在碳纤维加固结构过程中，首先要在混凝土表面先涂布一层粘结剂贴上碳纤维布后，在表面再涂刷一层粘结剂，粘结界面的胶层及表面粘结剂强化了c f r p 片材基体的作用，这些因素应该被考虑进去。1 3 可用于c f r p 加固混凝土梁实验研究中的实验方法的综述在c f r p 加固混凝土结构的研究中，实验研究是必不可少的，扮演了非常重要的角色。由于混凝土结构自身的特点决定了其力学性质的离散性，任何理论分析、数值模拟都需要实验测试结果的验证。但是，目前在实验研究中所采用的试验方法还是比较单一的，最广泛使用的是电测法。应变电测法，简称电测法，是实验应力分析的重要方法之一，它将物理量、力学量、机械量等非电量通过敏感元件转换成电量来进行测量。电测法基本原理是将金属丝等制成的电阻应变片贴在构件预测应变处，当构件受力变形时，金属丝亦随之伸缩，因而其电阻也随之改变，电阻改变量与金属丝的线应变( 即欲测应变) 之间存在一定的关系，通过电阻应变仪将电阻改变量测得，进而可得到所测部位的应变。电测法以单点测量精度高、传感元件小和测量范围广等优点，在土木工程实验研究中得到广泛应用，目前是这一领域使用的主要实验方法。也有不少的文献采用光纤传感器【5 0 】进行一些研究工作的尝试。光纤传感器是一种基于低相干干涉测量原理的变形传感器，其基本原理是：传感器由一对安装在建筑体里的单模光线组成，发光二极管发出的激光光束，经过一个耦合器被分成两束频率、偏振方向及初相位相同的光线，分别进入测量光线和参考光线，由于两束光线进过不同的路线而存在光程差，因而相遇时会发生干涉，利用这些干涉图像，可以推断出光在测量光纤中受结构变形影响发生的改变，进而得到结构变形量。采用此种方法进行连续多次监测，建筑物的变形进展情况即可得知。这种方法的优点是可以测取结构内部的变形。虽然测量结果可靠，精度高，但它是接触式的测量方法，需将光纤预埋在结构里，是“有损”检测，面对一些临时性突发测量时无法实现。超声波应用于研究中仅限于粘结缺陷的识别 5 ，此外也有少量应用应力波的例子。这些方法共同的缺点是能获取的实验数据少，只能局部采集，测量得到的只是一些离散值，无法获得全场的实验数据；电测、光纤测量等是接触式测量方法，应变片、光纤等传感器本身会给被测物体带来附加质量、缺陷或局部补强，改变了物体的固有应变响应特性；且这些方法实施过程繁琐，设备复杂，在实际使用6第一章绪论时有诸多不便。而对于混凝土结构，如何能得到全场的应力、应变、位移、变形的无损检测实验信息，为理论分析提供有力的实验数据支持，同时为技术的推广及规范的制定提供更广泛、更可靠的资料是目前急需解决的问题。随着现代计算机技术、微电子技术及图像处理技术的进步，光力学实验技术得到了长足发展，其中的云纹干涉法、全息干涉法及激光散斑法、数字相关法等技术，能测试分析物体的位移及应变，具有非接触性、高精度、高灵敏度、全场性和直观可视等优点，适合于向工程应用领域进行推广【5 2 1 ，如何能将这些方法很好地应用到工程领域试验研究中，是一件值得探讨的事情。采用光力学测量混凝土结构的变形、应变及缺陷等在国内外都是一个比较领先的方法，有较大的实用价值和发展前景。在这些测试技术中，有一些只能在实验室中进行，有些可以脱离实验室，走向工程应用的现场测试。全息干涉法需要在暗室中进行，在混凝土结构测试中并不适用【5 3 】。云纹干涉法是上个世纪八十年代初发展起来的一种非接触、全场和实时测量和分析的高灵敏度、大量程光学测试技术。近年来，云纹干涉法的应用研究取得了进展，从宏观到细观，从常温到高低温，从静态到动态，都存在有云纹干涉法成功应用的例子。无论是在固体力学的基本规律研究中，还是在固体力学与材料科学、生物科学、微电子学等学科的交叉领域中，云纹干涉法都在发挥着重要的作用。在一些文献中有这一方法在混凝土结构试验研究中的应用【“】。但是，云纹干涉法虽然测量灵敏度高，可需要在被测试件表面制栅，试验的前期准备工作繁琐，且需要防振装置，不利于土木结构中的现场测试。激光散斑测量技术是一种用散斑作为信息载体实现漫射体表面位移和变形检测的技术，它的用途很广，除了测取物体的位移、应变外，还可以用于无损探伤、物体表面粗糙度的测量、塑性区测量、振动测量、纹尖位移场测量等方面，但是激光散斑法对光源的要求仍然是相干光源，对于防震也仍有一定的要求，处理过程仍不方便工程应用 5 5 】。从激光散斑法成功地应用于位移测量后，利用物体表面随机特征进行位移测量的方法吸引了研究者的关注，并取得了长足的发展。随着计算机、c c d 、帧存图像卡和光源的迅速发展，出现了以c c d 作为记录载体的电子散斑干涉法( e s p i ) 。e s p i 最引人入胜的特点是它将双光束干涉技术、数字化记录设备和计算机图像处理系统相结合，实现了粗糙光学表面位移、变形和形貌等的全场、实时、非接触、无损检测。尤其是数字化记录系统的应用，使e s p i 在不需要暗室的条件下即可进行实时测量而受到广泛应用。这一方法在混凝土实验研究中有一些应用的例子【泓5 8 。但是，由于e s p i 技术是基于双光束干涉，故在检测中7第一章绪论对检测环境和检测对象都有一定的要求，这使得该技术在走出实验室方面仍受到一定的限制。2 0 世纪8 0 年代初，引入视频记录和计算机图像处理技术后，产生了散斑照相术的数字化版本一数字散斑相关技术，又称数学图像相关方法。该方法是根据物体表面随机分布的斑纹的光强在变形前后的概率统计的相关性来确定物体表面位移和应变的，与光干涉方法比较，由于它可以利用物体表面本身的斑点和其他特征，已发展成为实险力学领域中的一种重要的测量方法，其检测系统简单，易于实现，检测快速，方便应用。由于数字散斑相关方法的方法简单和非接触测量的特点，这一方法具备了获得广泛应用的潜力，至今，在金属裂纹尖端应变场测试、复合材料的无损检测和热应力场测试等多方面都获得应用，同时也在大型土木结构的测量中开始了应用【5 蛐5 1 。由于是对光强的分布进行相关运算，因此数字图像相关法对于表面斑纹特征和照明仍有一定要求，同时，相关运算是通过窗口平移实现，因此受到刚体转动的影响，一般应变场测量的误差较大。数字图像频域分析法是一种基于白光散斑法的、应用傅立叶变换在频域中提取位移信息的光力学实验方法m 】。他通过数字图像输入设备记录被测物表面变形或运动前后的两幅灰度图像，将其数字化，以物体表面随机的灰度分布或特征斑纹为载体，对变形前后的图像首先进行灰度叠加，对叠加后的灰度图像再进行傅立叶变换，通过考察谱平面的光强分布，从中提取位移信息。该方法的分析系统主要由记录和计算两部分组成。记录部分可以是诸如c c d 、数码相机、数码摄像机、电子显微镜和光电扫描仪等任何一种数字图像输入设备，分析和计算部分则在电脑上完成。数字图像频域分析法测试系统简单，对于测试表面一般无需特殊处理，对测试部位表面是否是颗粒或斑点无要求，只要有一定灰度分布即可，对物体表面特征的适应性很好，因此不需要大量的前期准备工作，自动化程度高，较数字图像相关法更易于实现；由于条纹的提取是在频域中进行的，因此光强的影响低于数字图像相关法。照明可以是自然光或室内一般灯光，该方法对于环境和防振无特殊要求，测试的条件要求低，测试系统可以做成便携式仪器，是一种适合于工程现场测试的很有发展前途的光力学测试技术。基于这种方法的诸多优点，将其应用到f r p 加固混凝土结构的试验研究中，它能弥补传统的使用混凝土应变计测量等方法在量程和点测试精度上的不足。1 4 本文工作通过以上对c f r p 混凝土结构中的几个力学问题的理论及实验研究方面的综述分析，我们认为还有很多理论研究尚待进一步加深，实验方法还需进一步丰富，第一章绪论为此，本文进行了以下几方面的研究工作：l提出了一个基于单元概念的三维剪滞模型，通过剪切面参数反映表面胶层对基体抗剪作用的影响，对c f r p 片材拉伸性能进行数值模拟，纤维的强度基于蒙特卡洛( m o n t e c a r l o ) 方法，用两参数的韦布尔( v e i b u l l ) 分布模拟，从细观力学的角度描述c f r p 片材的力学性能。2以弹性理论为基础，建立双剪模型粘结面剪应力计算的解析解公式，以此为基础分析胶层厚度、胶层弹模、c f r p 厚度及c f r p 弹模对界面剪应力的影响。3推导考虑横向剪切变形影响的c f r p 加固混凝土三点弯梁界面剪应力及剥离正应力的解析解。4以混凝土和c f r p 片材的本构关系和变形特征为分析的基础，通过考察开裂的横截面的静力平衡关系，从理论上推导了c f r p 加固含裂纹三点弯混凝土梁的承载力。5首次尝试了将数字图像频域分析法应用在c f r p 加固混凝土实验研究中，对1 ) 碳纤维片材拉伸性能进行实验分析；2 ) 对c f r p 加固混凝土三点弯梁界面位移场进行光力学试验研究。3 ) 对c f r p 增强含裂纹混凝土梁三点弯加载下裂纹尖端的位移场、应变场及载荷一裂尖张开位移了进行实验研究。4 ) 对碳纤维一铝单轴拉伸下界面附近区域位移场及应变场进行研究。6分析了数字图像频域分析法应用在混凝土构件试验研究中存在的一些问题，包括：1 ) 混凝土自然表面与喷斑处理过表面对测试精度的影响2 )表面缺陷对测试精度的影响3 ) 刚体位移、过大变形的处理。4 ) 对处理系列散斑图过程中位移叠加位置不匹配问题给出解决办法。5 ) 对数字图像频域分析法应用在混凝土构件变形测试中的精度问题进行讨论。9第二章数字图像频域分析法原理及其在c f r p 加固混凝土结构研究中应用的若干问题的讨论第二章数字图像频域分析法原理及其在c f r p 加固混凝土结构研究中应用的若干问题的讨论c f i 冲加固混凝土构件的研究多集中于破坏形态、承载力变化等方面，由于测试仪器和方法的限制，目前变形( 应变) 的试验测试手段多采用应变片、千分表、位移传感器等，受到空间、测点数、安装条件及精确度、灵敏度等的制约，结果常常不能令人满意。本文将首次尝试把数字图像频域分析法应用在混凝土试验的位移、应变测试中。由于光力学方法在土木工程中应用很少，目前还处于尝试阶段，技术的使用方式还不成熟，尚存在许多问题，因此这一章，我们首先介绍一下这种方法的基本原理，然后重点将就数字图像频域分析法应用在混凝土构件试验研究中的一些问题进行探讨，希望为这一方法在该领域的应用积累一定的经验，提供有参考价值的建议，扫清以后各章的实验部分中的障碍。2 1 数字图像频域分析法的基本原理 删基于计算机的数字图像频域相干分析法，利用c c d 记录物体变形前后的灰度图像，并用在频域处理数字图像得到变形信息，它可以实现全场、非破坏、无需相干光源、非接触的位移测量。其基本算法仅取决于物体表面随机的灰度分布或特征斑纹，因此既可以应用于工程现场的大型结构的测试，也可以用于扫描电镜等获得的细微观图像的分析【d 7 1 。2 1 1 记录方法记录光路如图2 1 所示，c c d 摄像机置于被测物体的前方，对物体在受力( 运动) 前和受力( 运动) 后各拍摄一次散斑图像，通过图像板将灰度转换为数值文件存入计算机进行处理。数字图像频域分析法对于照明光并没有特殊要求，室外自然光和室内灯光都可以。如被测件的表面本身有纹理，可以不作处理，如果没有纹理，可以喷涂随机斑点。为了方便工程现场测试这里我们选择数码相机和笔记本电脑组成了数字图像频域分析法测试系统。该系统全套总共仅2 5 千克，工程现场测试时携带和测量都非常方便。数字图像频域分析方法可以分析处理激光散斑图像，还可以分析白光散斑图像，对图像的适应性很强。1 0第二章数字圈像频域丹析原4 & 其c f r p m 同凝结构研究中自月的若十目题讨论fi ；困画图2 - - 1 记录此路及实验系统照片212 数字图像频域分析法位移信息的提取弓散斑法相类似，数字图像频域分析法位移信息的提取可以分为逐点分析法及全场分析法。一运点分析法由激光散斑法和白光散斑法位移信息的提取给我们这样的启示即都是以光学傅立叶变换在频域中提取位移信息，傅氏变换由光学元件薄透镜完成。计算机技术和数字图像处理技术的迅速发展使得图像傅氏变换过程完全可以在图像数字化后用计算机实现。可以预见对于图像的一衅处理将更为简洁方便。在分析计算机中的数字灰度图像时，可咀借用傅克叶光学变换的数学含义。对于图像中的一个很小的区域，认为各点的位移都是相同的，光学中的逐点分析所看到的图像，是光束照明区域内图像函数的功率船。直接用数学分析，相当于对于小区域的图像直接进行傅立叶变换得到频谱，需要时再平冉井除以空间尺度就得到功率谱。对于图像的一个很小的区域我们可以认为位移是相同的，我们用一对6 函数代表同一点变形前后的扶度分布；8 0 ( x ，y ) 为试什未变形前的位置，4 ( j ，y ) 为相应的变形后的位置，因此有：点( x y ) = 8 0 ( x + u y + v ) 如图2 - 2 所示。第二章数字图像频域分析法原理及其在c f r p 加固混凝土结构研究中应用的若干问题的讨论氏( x ，y )图2 - 2 变形前后的小区域孔对连线与彳轴夹角为o ，孔对间距离为d 设g 为变形前和变形后光强之和，变形前后光强之和可表示为：g ( x ，y ) = 8 0 ( x ，y ) + 瓯( x + d c o s t 9 ，y + d s i n 0 ) ( 2 - 1 )对( 2 1 ) 式进行一次付氏变换，得到