（固体力学专业论文）随机载荷下CFL增强RC梁疲劳试验研究.pdf

摘要摘要近年来，碳纤维增强复合材料( c a r b o i 3f i b e rr e i n f o r c e dp 0 1 y m e r ，c f r p ) 因其在性能和施工工艺等方面的优势被越来越广泛地应用到桥梁的加固工程中，目前对c f r p 加固混凝土结构的静力学性能的研究已经比较系统，对c f r p 加固混凝土结构的抗疲劳性能则局限于常幅疲劳性能方面的研究。由于在实际情况中，桥梁所受的活载都是随机载荷，冈此研究c f r p 加固r c 梁在随机载荷下的疲劳性能具有重大的科学意义和广泛的应用前景。本文在本课题组前期工作的基础上，对作用于桥梁上的实际载荷( 随机载荷) 进行模拟与编制，通过m t s 系统进行疲劳试验，对碳纤维薄板( c a r b o nf i b e r1 a i n a t e ，c f l ) 加固r c 梁的随机疲劳性能进行了试验研究和理论分析。具体的研究内容和结果如下：1 ) 对模拟得到的载荷时间序列通过设鼍置信区间、确定甲均值等步骤进行处理，得到符合实桥受载情况的随机载荷谱，并依据改进的雨流一倒雨流计数法在m a t la b e l 软件的平台上编程对载荷谱进行分析，得到随机载荷谱幅值的概率密度函数，为构件的寿命预测、疲劳损伤分析等提供必要的基础。2 ) 制备了l0 根c f l 增强r c 梁，根据载荷水平将试件分为4 组，在m t s 机上实施了随机载荷作用下的三点弯曲疲劳试验。试验中，实时记录试验载荷、跨中挠度以及各测点的应变数据，并量测疲劳裂缝宽度和间距及长度等数据。通过对随机疲劳试验数据的分析和处理，得到c f l 增强r c 梁的疲劳寿命曲线( s 一曲线) ，给出了5 1 一曲线的经验公式。利用该公式可以有效地预测c f i ，增强r c 梁在随机载荷作用下的疲劳寿命。对试验过程中梁的跨中挠度变化、刚度变化进行观察分析，结果表明，随机载荷下c f l 增强r c 梁的疲劳损伤破坏与常幅载荷作用下的破坏过程相同，都町以分为疲劳损伤三阶段。3 ) 定义了能量吸收的表征量，对随机载荷下c f l 增强r c 梁损伤破坏过程的能量吸收进行计算，并通过对疲劳裂缝的分析探讨了裂缝的性状与能量吸收之间的关系。分析结果表明，试件的能量吸收总量随着载荷水平的降低而增加，随着疲劳寿命的增加而增加：在增强梁中疲劳裂缝出现的区间及数量同样随着载荷水平的降低而分别增大和增加。同时，通过对能量吸收计算结果的分析提出了用能量表示的线性疲劳累积损伤华南理工大学t 学硕士学位论文模型，较好地描述了随机载荷下c f l 增强r c 梁的疲劳损伤演化过程。4 ) 按载荷水平的分组对裂缝的间距和裂缝的亚临界扩展长度进行了分析。结果表明，裂缝的间距随载荷水平的提高而增大，裂缝的亚临界扩展长度丘则基本不变( z h 一0 8 5 ，式中，h 为r c 梁的高度) 。关键词：碳纤维薄板；疲劳；随机载荷；r c 梁；能量本文上作属于国家自然科学基金项目( 1 0 2 7 2 0 4 7 ，19 9 7 2 0 2 0 ) 和广东省自然科学基金项目( 0 2 0 8 5 6 ，9 9 0 5 6 7 ) 的部分内容。a b s t r a c tc a r b o nf i b e rr e i n f o r c e dp o l y m e r ( c f r p ) h a v eb e e nw i d e l ya p p l i e dt os t r e n g t h e n i n ga n dr e p a ir i n gbr i d g ew i t hi t se x c e l l e n tp h y s i c sa n dm e c h a n i c sf u n c t i o n h o w e v e r ，t h er e s e a r c h e so fc o n c r e t es t r u c t u r es t r e n g t h e n e dw i t hc f r pa r ec a r r i e do u tf ors t a t i cp r o p er t i e so ft h es t r u c t u r ei nr e c e n t l y ，a n dt h es t u d yo nf a t i g u eb e h a v i o ro ft h ec o n c r e t es t r u c t u r es t r e n g t h e n e dw i t hc f r pa l m o s tf o c u so ni t sf a t i g u epr o p e r t i e su n d e rc o n s t a n ta m p l i t u d ec y c l i ci o a d s b e c a u s et h el o a da c to nb r i d g ei sr a n d o ml o a d ，t h es t u d yo nt h ef a t i g u eb e h a v i oro ft h er cb e a m ss t r e n g t h e n e dw i t hc f r pu n d err a n d o ml o a d sh a si m p o r t a n ts c i e n c es i g n i f i c a n c ea n dw i d ef o r e g r o u n df o ri t sa p p l i c a t i o n 。t h er e f o r e ，t h i sp a p err e s e ar c h e st h ef a t i g u eb e h a v i o ro ft h er cb e a m ss t r e n g t h e n e dw i t hc a r b o nf i b e rl a m i n a t e ( c f l ) u n d e rr a n d o ml o a d s ，o b t a i n e df r o ms i m u l a t i o na n de s t a b l i s h m a n to ft h ev e h i c l ew e i g h t ( 1 0 a d ) - t i m es e r i e s a n d3 - p o i n tb e n d i n gf a t i g m et e s t sa r e c a rr i e do u tw i t ht h es t r e n g t h e n e db e a m su n d err a n d o ml o a d si nm t s ( m a t e r i a lt e s ts y s t e m ) t h ec e n t s n t sa n dr s s u i t so ft h i sp a p e ra r es h e w na sf o i i o w i n g ：1 、t h ei o a d - t i m es e r i e so b t a i n e dfr o mt h eb r i d g ear es i m u l a t e da n de s t a b l i s h e dt ot h er a n d o ml o a ds e r i e sa sas t o c h a s t i cp r o c e s s 。a n dt h el o a ds er i e sa r ea n a l y z e dw i t hm a t l a b e ls o f t w ar eu s i n gt h ea m e l i or a t e d “r a i nf l o w - i n v er s er a i nf l o w ”m e t h o d t h e n t h epr o b a b i i i t yd i s t r i b u t i o no fr a n g eo fr a n d o ml o a d si se s t a b l i s h a dt os i m u i a t e t h el o a ds er i e sa n dpr e d i c tf a t i g u ei i f eo ft h er cs t r u c t ur es t r e n g t h e n e dw i t hc f lu n d err a n d o mi o a d s 2 ) t od i s c u s st h ef a t i gl i ep r o p e r t i e so ft h er cb e a m ss t r e n g t h e n e dw i t hc fl ，10b e a m sa r ed i v i d e dt o4gr o u p sw i t hd i f f er e n tl o a da m p l i t u d e 。a n d3 - p o i n tb e n d i n gf a t i g u et e s t sar ec a r r i e do u tw i t ht h es t r e n g t h e n e db e a m su n d err a n d o ml o a d si nm t s ( m a t er i a lt e s ts y s t e m ) i nt h et e s t s ，r e a lt i m er e c or d sar ed o r ea b e u td y n a m i cd a t ao ft h ei o a d s ，a n dd e f f e c t i o n so nm i d - s p a na n ds t r a i n si ne v e r yt e s t i n gp o i n t t h epr o p a g a t i o n sc a s e so ff a t i g u ecr a c k sa r ea l s om e a s ur e di nt h es a m et i m e d e a l i n gw i t ht e s t i n gd a t a ，s - nc ur y e so fr cb e a m ss t r e n g t h e n e dw i t hc f lu n d err a n d o mi o a d sar eo b t a i n e d a n dt w oe x p er i e n t i a lf o r m u i a sa r ep r o p o s e d u s i n gt h e s ee x p e r i e n t i a if o r m u i a s t h ef a t i g u ei i v e so ft h es t r e n g t h e n e db e a m sc a nb ep r e d i c t e de f f e c t i v e l y t i t华南理工大学t 学硕七学位论文r e s e ar c h j n go nc h a n g eo fs t i f fa n dd e f l e c t i o nd ur i n gt h et e s t s 。t h er e s u i t ss h o wt h a tt h em o d a so ff a t i g u ef a 1 ur eo fr cb e a m ss tr e n g t h e n e dw i t hc f lu n d e rr a n d o mi o a d sa n dc o n s t a n ta m p l i t u d ec y c l i cl o a d sa r es i m i l a r b o t ho ft h e ma r ed i v i d e dt ot h t e es t e p sf o rf a t i g u ef a i l ur ep r o c e s s 3 ) d e f i n i n ge n e r g ya b s o r b e rf o rt h es t r e n g t h e n e ds p e c i m e n ，t h ee n e r g yi sc a l c u l a t e d a n dt h e n ，r e l a t i o n s h i p sb e t w e e ne n e r g ya b s o r b era n ds o m ep a r a m e t e r so ft h ef a t i g u ecr a c k sa r ed i s c u s s e d t h er e s u i t ss h o wt h a te n e r g ya b s o r b eri n c r e a s ew i t ht h ef a t i g u el i f e si n c r e a s i n g a n dt h es p a na n dn u m b ero ft h ecr a c k sa r er e l a t e dt ot h ee n e r g ya b s o r b er m er e o v e r am o d e if 0rc u m u l a t i n gf a t i g u ed a m a g ei sp r o p o s e dt od e s c r i b et h ef a t i g u ed a m a g ep r o c e s so ft h er cb e a m ss t r e n g t h e n e dw i t hc f ll i n d e rr a n d o ml o a d s 4 ) t h es p a c e sb e t w e e ne a c ht w oc r a c k sa n du l t i m a t e l yl e n g t ho fcr a c k s ，l c ，u n d e rd i f f er e n tl o a d sa r ea n a l y z e d t h er e s u i t ss h o wt h a tt h es p a c e si m pr o v ew i t ht h ei n cr e a s i n go fm a x i m u mv a l u eo ft h el o a d s a n dt h eu l t i m a t e l yl e n g t hi sa l m o s tt h es a m e ( t = o 8 5 ，w h er ehi sh e i g h to ft h eb e a m ) k e y w o r d s ：c a r b o nf i b e rl a m i n a t e ( c f l ) ；f a t i g u e ；r a n d o ml o a d ；r cb e a m ；e n e r g y学位论文原创性声明示例华南理工大学学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名：硝、翠薄日期：捌年月d 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华南理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保密口，在一年解密后适用本授权书。本学位论文属于不保密口。( 请在以上相应方框内打“4 ”)作者签名：导师签名：隆旱璋拗e l 期：埘年月0 日a 强：沙墀参窍f 弓e t第一章绪论1 1 研究背景1 11 1 引言第一章绪论钢筋砼作为当今最主要的结构材料，被广泛地应用于桥梁及其它土木工程、建筑工程、水利工程、地下工程以及“些特殊结构中。为此，世界各国的钢筋砼桥梁数量众多，结构形式多样，它们对世界经济的发展起着重要的作用。同样，在国家加大力度投资基础设旌建设的政策指导下，我国的建设蒸蒸闩上。据统计，到2 0 0 4 年底，全国公路通车总里程达1 85 6 万公里，高速公路从无到有，通车里程达到3 4 2 万公里，稳居世界第二位，预计到2 0 2 0 年，我国高速公路网将要达到8 2 万公罩，可以覆盖10 多亿人口”1 。跨江跨海大桥和长大隧道建设水平跻身世界一流，到2 0 0 4 年底，仝国公路桥梁达3 2 16 万座、13 37 6 4 万延米，其中特大桥梁7 17 座、1 17 5 6 万延米，大桥2 0 6 7 2 座、4 4 5 6 6万延米。全国公路隧道达2 4 9 5 处、1 2 4 5 6 万延米，其中特长隧道3 3处、l2 6 3 万延米”1 。另一方面，大量使用中的钢筋混凝土结构物，从桥梁、房屋建筑到隧道、水道、路面和烟囱等等，由于社会需求的变化，自身的老化和地质构造的变动，设计施工的不合理、各种灾害和人为损失等原因而导致了承载力上的不足、功能上的过时等等安全隐患，急需修复、补强或者翻新，目前，如何最大程度的利用现有资源对现有设施进行改造和翻新已经成为世界面临的重大问题。人们预测，如果没有根本性的技术革新和不能充分重视这些问题，几十年以后人类社会将负担不了庞大的维修和管理费用。为此，世界每年需要投入大量资金用于各种建筑物的加固和维修，据19 97 年的数据，美国有超过25 0 ，0 0 0 座公路桥梁存在功能和结构上的缺陷，需要提高其承载力。在欧盟，接近8 4 ，0 0 0 座钢筋混凝土桥梁需要得到维修和加固，而这些工作所消耗的年度预算超过2 15 亿英镑 4 1 。据初步估计当前我国需加固维修的建筑物面积约为2 5亿平方米，约占总面积的2 5 。，其中由于荷载标准低，桥面宽度窄，不能满足通行要求的桥梁约占桥梁总长的15 【5 l ，这些建筑物都急需加华南理工大学工学硕士学付论文固维修。我国是一个发展中的国家，不允许也不可能对所有此类结构物全部重建，冈此对旧桥进行加固、加宽显得尤为重要。这一情况，不仅在我国各省市、地区不同程度的存在，在一些发达国家，如美、日、西欧和北欧等国家，也严重存在，世界各国每年投入大量资金对旧建筑物进行加固和维修。目前，工程上常用的钢筋砼结构补强加固方法有5 种：加大截面加固法、外包钢加固法、预应力加固法、粘贴钢板法、喷射砼技术等，之外，还有植筋加固法、焊接补筋加固法、喷射混凝土补强法和化学灌浆修补法等1 56 】，以上几种加固方法，结合各自的特点都对提供混凝土结构的承载力都起到了一定的作用，但都有不同的局限性和不同的应用范围，例如加大截面法工作量大，施工时问场，不仅对难常的生产、生活造成一定影响也影响了结构的外观美感和降低了结构的底部。净空粘贴钢板法也存在钢板易受腐蚀或脱落；重量相对太重，安装也比较困难、抗疲劳性能不够理想等等的缺点。总的来说，这些传统的加固方法在使用上仍有一定的局限性。近年来，利用碳纤维薄板等先进复合材料对旧危桥进行加固成为了交通领域的一个前沿课题。由于这种材料本身的种种优点和施工上的种种优越性，它在研究和应用方面都体现出了超乎寻常的生命力。1 1 2 碳纤维复合材料简介高强度、高弹性模量的纤维复合材料( f i b e rr e i l 3 f o r c e dp o ly m e r ，简称为f r p ) 是由基体材料和增强材料等两种以上的组分材料在宏观尺度上的物理组合材料。按纤维组成不同，纤维增强聚合物f r p 目前主要分为三大类：碳纤维复合材料( c a b o rf jb e rr e i n f o r c e dp o l y m e r 简称c f r p ) 、芳纶纤维( a r a m jdf i b e rr e i n f o r c e dp 0 1 y m e r 简称a f r p ) 和玻璃纤维复合材料( g l a ssf i b e rr e i l q f o r c e dp 0 1y m er 简称g f r p ) 。不同的纤维化学成分不同，其力学性能也有较大差别，相应的纤维增强塑料的力学性质也表现出很大的差异( 见表卜1 ) 。由表卜1 可见c f r p 材料具有高强度和高弹模的特点，a f r p 材料的强度和弹模稍低于c f r p ，但其拉断时的延伸率增大。g f r p 材料的强度和弹模更低，其延伸率更大。因此，c f r p是应用最早，技术最成熟，也是用量最大的一种高性能复合材料，在桥梁加固中大量使用的是碳纤维复合材料。2第一章绪论表1 一lf r p 性能比较t a b 1 - 1c h a r a c t e r is t i cc o m p a r is o no ff r p彝重抗拉强度弹性模量破坏拉应变材料名称热膨胀系数 n ，”g p dg p 口玻璃纤维e2 5 72 67 53 58 10 6f mi4 53 01 1 03 o2 10 6芳纶纤维i m1 4 53 012 53 o2 10 。6t 3 0 018 o3 52 3 01 50 5 x 10 。6碳纤维t 一7 0 0j8 o4 92 3 02 10 5 1 0 “c f r p 是由基体( 一般为环氧树脂) 和增强材料( 连续碳纤维) 等两种或两种以上的组分材料组成，其性能和特性既可以保持原组分材料的某些特点，又能发挥组合以后新的特性，它可以根据结构需要进行设计，以满足单一材料无法达到的性能要求，为人们在选择和设计材料等方面提供了更多的自由和美好前景。用于结构加固的碳纤维增强复合材料主要分为短纤维和k 纤维两大类，长纤维又包括片材、棒材和型材等多种类型，具体形式有多种( 见图1 ) 。从国际上看，在长纤维的c f r p 中，用于结构加固修复最多的是碳纤维片材，其次是棒材。片材又分为板材和布( 即碳纤维织物) 两种。碳纤维布在使用莳不浸渍树脂，施工时才浸润；而碳纤维板材则是在使用前浸渍树脂并使其固化成板状，施工时再用树脂将其粘贴于结构表面。由于板状材料的强度利用率较高，近几年来使用量增氏很快 1 。蚓l 用于结构加崮修复c f r p 形式f ig t y p eo fc f r pins t f u c t u r er e i n f o r c i n g华南理上人学工学硕士学位论文本课题组与合作举位自行研究开发出了一种兼具纤维布和纤维板两者优点的新型f r p 片材一一碳纤维薄板( c a b e rf i b e rl a m i l q a t e ，c f l ) ，本文中如果没有特别注明，所提到的碳纤维薄板均是指c f l 。1 1 3c f r p 在加固工程中的应用碳纤维材料加固与传统方法有显著区别，由于它不仅有性能方面的优势，也有加固工艺等等方面的优势，使得该加固方法成得到了近二三十年来世界各国大力研究和应用 8 - 1 2 1 。从加固工艺看优势显著。首先，自重轻且厚度薄，基本不增加原结构的自重和减少净空；其次，碳纤维材料还具有良好的耐腐蚀性和耐久性；从受力性能来看，碳纤维材料具有很高的拉伸强度和抗疲劳性能，适合于梁、板、柱的加固；从材料特征看，作为柔性卷材，可以适应多种类型、条件的结构加固。而且从实践应用角度来看，碳纤维加固混凝土技术避免了其他加固方法增大结构尺寸，减少净空、增加自重、施t周期长、耐腐蚀性差等缺点，最大限度地保证了原有构架的布局特征和使用功能。加固后的结构作为二次组合结构，通过新、旧两部分整体工作，提高了构架的承载能力。c f r p 粘贴加固法所具有的种种优点，有力的推动了这种技术在结构加固补强领域的迅速崛起。关于这种技术的应用和研究也得到了迅猛的发展。在技术经济方面优劣明显。1 ) 材料价格分析：目前国内市场上的碳纤维材料价格与其他常用的加固方法的材料相比单价较高，这在一定程度上制约了碳纤维加固技术在我国的推广的。但从目前的研究和应用趋势可以预测，随着科技的进步和碳纤维材料的国产化，在未来几年内，碳纤维材料加固技术的材料成本会有较大降低。2 ) 施工分析。该技术用量少、发备简便，工期也较常规方法缩短约l 2 的时间，一次性成本完全可以做到低丁粘钢法和加大截面法。3 ) 维修成本分析。耐久性、抗腐蚀性能是评价一项结构工程质量的重要指标，而碳纤维材料具备的高抗腐蚀性能和耐久性，因此，在混凝土结构加固施_ 完成后采取一定的保护措施就可以满足工程要求。基本的维修工作可以比其他加固方法至少减少1 2 以上，维修周期可以大幅度延长，从而大幅度降低维修费用。从以上三方面可以看出，碳纤维材料加固混凝上具有优良的性能价格比，科技含量高，技术先进，与其他加固技术相比，在综合工程经济性能方面具有很强的竞争力。4第一章绪论1 2 国内外研究现状1 。2 1c f r p 增强r c 构件疲劳性能虽然国内外科学界和土木工程界已经对c f r p 增强r c 构件做了大量的试验研究和理论分析，但到目前为止对c f r p 增强r c 构件的疲劳性能研究还是比较缺乏。目前，国内外学者对f r p 材料和纤维板自身的抗疲劳性能、累积损伤有所研究 1 3 - 1 6 1 ，一般认为f r p 与金属材料的损伤完全不同，它的损伤主要是基体裂缝、脱胶、纤维断裂、分层等1 1 7 1 ，因此f r p的疲劳累积损伤理论与金属材料的累积损伤理论不同。f r p 累积损伤理论则多依赖于试验，现已有多种预测复合材料疲劳寿命的累积损伤模型提出。目前在国外方面，能查阅到的最早的关于c f r p 增强r c 构件整体疲劳强度的研究成果是1 9 8 0 年美周f 1 0 r i d aa t l a n t i c 人学a r o c k i a s a m ym 的论文【1 8 l 。在此之后的几年里，由于认识到c f r p 薄板增强r c 构件疲劳性能研究和耐久性研究对工程应用所具有的重要意义，国际上有部分科研人员如s h a h a w ym 、w i g h tr g 、m a s o u ds g 、l o p e zm m 、h e f f er n a np j 、tn ol l e等开始研究了碳纤维板加固混凝土梁的疲劳强度和变形特征，得出了一些有意义的研究成果，证明了c f r p 增强r c 结构具有良好的抗疲劳破坏性能，与未加固梁相比，加固梁的挠度和裂缝宽度减小，混凝土梁的疲劳极限强度得到了提高，c f r p 板加固法与粘钢加固法一样能有效地提高混凝土梁的疲劳性能。有些文章还进行了理论分析，提出了一些经验公式和分析模型，近年来的具体研究情况如下：i n o l l e ，s h o ic h i ( 1 9 9 6 ) 【1 9 1 通过试验研究了粘贴钢板和c f r p 板加固混凝土梁的静载和疲劳性能，研究了端部不同锚固方式对加固梁破坏方式、挠度及疲劳强度的影响。试验表明：( 1 ) 与粘钢相比，在相同荷载f ，粘贴c f r p 板加固混凝土梁产牛的裂缝宽度较小，裂缝间距较密；破坏时梁的刚度较大，变形较小：较大的疲劳强度。( 2 ) 疲劳破坏的方式决定于有无锚固、施加荷载大小及粘贴加固板的类型。i n ol l e ，s h o ic h i 2 0 1 ( 1 9 9 6 ) 研究了碳纤维板加固混凝土梁的疲劳强度和变形特征，试验结果表明：与未加固梁相比，加固梁的挠度和裂缝宽度减小；混凝土梁的静载极限强度和疲劳极限强度得到提高；c f r p 板加固法与粘钢加固法一样能够提高混凝士梁的疲劳性能。r c a p o z u c c a ，c e r r i ，m n i ld e ( 2 0 0 1 ) 【2 1 】，研究了损伤开裂混凝土梁经碳纤维布加固后的静态和动态性能。试验结果表明：碳纤维布加华南理工大学工学硕士学位论文固损伤梁的承载能力提高，挠度降低，与未加固梁相比，梁的抗弯刚度增加；粘贴两层碳纤维布加同梁比一层碳纤维布加固梁有较高的强度和较低的延性。m o h se 1 2s h a h a w y ，m e m b e r ，a s c e 、w i g h tr g 、m a s o h ds g 、l o p e zm m 、h e f f e r n a np j 等研究了碳纤维板加固钢筋混凝土梁疲劳性能 2 2 - 3 7 1 。疲劳试验研究了混凝土梁先经受其一半疲劳寿命次数的疲劳荷载作用，然后用碳纤维板加固至疲劳破坏的梁，考察预疲劳加载对碳纤维加固混凝土梁疲劳性能的影响；试验同时考察了不同碳纤维板层数对加固混凝土梁疲劳寿命的影响。试验结果表明：粘贴碳纤维板可以极大的提高混凝土梁的疲劳寿命，s h a h a w y 还进行了有限元分析。在国内方面，目前则主要有清华大学、西安铁路分局与西安建筑科技大学工程结构研究所、武汉理工大学、沈阳建筑工程学院等单位对c f r p薄板增强r c 梁分别做了一定量的常幅疲劳试验，他们的结果都只是简单证明了在常幅循环荷载作用下增强构件中c f r p 薄板与r c 梁共同工作性能良好。西安建筑科技大学的李源1 3 8 1 等对4 根普通钢筋混凝土梁和3 根预应力混凝土梁进行了加固后的疲劳试验研究。试验研究表明，加固梁经2 0 0万次疲劳后，强度和刚度不会降低。武汉理工大学的刘沐宇【3 9 】等人做了少量的碳纤维布加固r c 梁的疲劳实验，表明碳纤维布加固构件较大提高损伤混凝土梁的疲劳性能，延长损伤混凝土结构的使用寿命。纵观国内外研究领域，大部分的研究还是集中于对常幅疲劳性能的研究，对随机疲劳性能的研究成果还是较少见报道。对于c f r p 增强r c构件在随机载荷作用下的疲劳性能，除了本课题组的前期研究成果【4 0 “1 l之外，只查阅到武汉理工大学的刘沐宇 4 2 1 等人对在多级载荷作用下的加固完好梁和损伤梁各用3 根梁和2 根粱进行试验，表明碳纤维布加固构件的疲劳性能良好，但没有给出加固构件的s - n 曲线和更做深入的研究至于是在模拟实桥实际受载情况的随机载荷谱作用下进行疲劳试验，进而研究c f r p 增强r c 梁的随机疲劳性能方面，除了本课题组的研究成果笔者尚未搜索到其他报道。1 2 2 随机载荷试验研究现状许多工程结构，诸如桥梁、船舶等都承受复杂的随机顺序的载荷作用。从6 0 年代初期开始的研究表明，循环载荷幅值的变化可以明显地影响部分构件地疲劳寿命。为建立精确估算工程结构疲劳寿命的方法，必6第一章绪论须彻底了解各种变量对随机载荷循环作用f 疲劳裂纹的形成和扩展的影响。遗憾的是，随机载荷对疲劳寿命的影响至今尚未很好地确定，现有的研究也多集中在金属材料领域，混凝土结构极少涉及。对随机载荷谱进行比较多研究的领域是飞机载荷谱的研究，已经编制出在各种情况下飞机的机动载荷因数谱、突风载荷谱和地面载荷谱等。高镇同等在这方面做了大量的研究【43 1 ，研究内容涉及载荷数据的采集、载荷谱的编制以及载荷谱的处理分析、加速等方面，研究比较深入系统。文献1 4 4 - 4 6 】根据损伤等效原理，提出一套供随机疲劳试验用的加速载荷谱的编制方法。对于桥梁而言，疲劳设计不应按最不利情况采用静力强度设计的标准活荷载，而应采用典型的、具有代表性的日常运营车辆荷载，并且是一系列荷载谱。我国针对公路及城市道路桥梁疲劳设计的车辆载荷谱还很少。童乐为等1 4 7 1 首先上海市内环线l i 山路3 号桥地面道路桥梁为例，对城市道路桥梁的疲劳荷载作了研讨。在1 9 9 4 年和1 9 9 5 年两次交通调查的基础上，得到了由1 8 类日常典型的运营车辆组成的荷载频值谱。依据等效的疲劳损伤原理，将实测的车辆荷载频值谱简化成由6 类模型车辆组成的具有实用性的荷载频值谱。但是，在文章里，对于得到的载荷谱便没有进行进一步分析。另外，丹麦的h e n n i n ga g e r s k o v 4 8 】对海洋波浪谱进行了研究，进而分析其对钢结构的作用；杨伟军【4 9 】对服役桥梁的评估荷载进行了分析，提出了服役桥梁评估荷载的分析依据、信息信息基础。对于桥梁、船舶等承受随机载荷的结构，在给定的时间间隔内出现同样顺序的载荷波动的可能性很小。因此，为了研究承受变幅随机顺序的载荷波动的不见的疲劳特性，必须把载荷波动的幅值的特性表示出来。载荷波动幅值特性可以用解析函数表示和描述。用概率密度曲线表示随机载荷特性是非常实用的 5 0 l 。本课题组从1 9 9 9 年开始对纤维薄板增强钢筋混凝土梁进行全面的研究。本文拟将在前期课题组对碳纤维薄板增强钢筋混凝土梁的等幅疲劳的深入研究和前期课题组通过调查获得的载荷一时间序列的基础上，模拟碳纤维薄板增强钢筋混凝土粱受随机荷载的过程，并研究随机载荷作用下碳纤维薄板增强钢筋混凝土梁的疲劳性能。1 3 本论文研究目的和意义c f r p 增强r c 构件技术是一种新兴的和先进的r c 结构补强加固技术，由于它性能的优越和施工工艺等方面的优势，目前已经在世界范围7华南理工大学工学硕士学位论文里得到，“泛应用，成为交通领域的热点。其中有很大一部分的c f r p 粘贴增强技术应用于公路旧危桥的维修、补强、加固，以恢复和提高其承载能力。同时，由于这种技术所具有的种种优点，它还拥有进一步发展的广阔空间。但是，桥梁等钢筋混凝土结构在运营期所受活载为随机载荷，而对随机载荷作用下c f r p 增强r c 构件的疲劳性能的研究却还是很缺乏，这大大限制了该技术的推f 。要大力推进该技术的应用，模拟随机试验并对其在随机载荷下的性能进行深入的研究已经成为推进工作中的重中之重了。本论文拟在本课题组以往研究工作的基础上“1 。，采用从3 2 1 国道上某实桥上测到的随机车流量，通过对数据的进一步处理，得到的模拟实桥受载情况的随机载荷谱，并通过m t s 系统试验c f l 加固r c 梁在随机荷载作用下的疲劳试验。本研究的预期成果，将为纤维片材增强钢筋混凝土梁的随机疲劳试验提供科学的方法；为该类构件的疲劳破坏机理研究、及其耐久性和寿命预测提供理论依据；对复合材料的疲劳与断裂理论、界面力学等的发展具有重要的科学意义。也将为制定既经济合理、又有足够耐久寿命的高强纤维薄板增强混凝土构件的设计和施工规范，采用高强纤维薄板或纤维布加固混凝土构件的设计和施工规范，推广纤维片材在柱、梁、墩、面板、底板、壁等构件中的应用，为桥梁、房屋和隧道等建筑物的抗震、加固、维修，为新材料、新工艺、新结构的开发等提供理论依据和实验数据。预期研究成果既有重大的理论意义，又有厂阔的应用前景，将会产生极大的经济效益和社会效益。1 4 本论文的主要内容本文在本课题组的前期研究基础上，处理得到符合实桥受载情况的随机载荷谱，并进行一系列随机载荷作用下c f r p 增强r c 构件的三点弯曲疲劳试验。根据试验数据和结果，对c f r p 增强r c 构件在随机疲劳荷载作用下的相关疲劳曲线、构件疲劳损伤过程中的能量吸收以及疲劳加载过程中构件、疲劳裂缝扩展等问题进行分析研究。具体可分为以下几个部分：第一部分为绪论，论述c f r p 增强r c 构件技术的研究背景；概述了c f r p 以及c f r p 增强r c 构件技术的主要特点，并综述目前国内外对c f r p 增强r c 构件静力学性能和疲劳性能研究的现状，阐明了本论文的研究目的和意义，概述了本文的主要研究内容。第二部分简要、系统地介绍进行本文的疲劳性能研究所需要掌握和运用到的疲劳强度概念、方法和理沦。第三部分在简单介绍本课题组在随机疲劳试验方而的前期工作的基8第一章绪论础上，对获得载荷一时间序列做进步的处理，得到符合实桥受载情况的随机载荷谱，并采用改进的雨流一倒雨流计数法在m a t l a b e l 软件的平台上通过编制的程序对载荷谱进行分析，得到幅值的概率密度分布，为寿命预测、应力分析等提供必要的基础。第四部分简述c f l 增强r c 构件的疲劳试验，在对实验数据进行分析的基础上，分别得到了增强构件相关的挠度曲线、刚度曲线并进行进一步的分析，分析表明随机载荷下c f l 增强r c 梁的疲劳损伤破坏呈三阶段发展。同时，本章还通过试验数据得到随机载荷下c f l 增强r c 梁的s 一曲线，并给出了s n 曲线的经验公式，为随机载荷下的疲劳寿命预测奠定基础。第五部分探讨构件的能量吸收，建立用能量吸收定义的损伤模型，并研究能量与疲劳寿命、载荷水平的相关性，并对疲劳裂缝的扩展等问题做进一步的分析，探究其与能量吸收等之间的关系。最后，对全文进行了概括，给出几个主要的结论，并对本课题下一步的工作开展进行展望。本文工作属于国家自然科学基金项目( 1 0 2 7 2 0 4 7 ，1 9 9 7 2 0 2 0 ) 和广东省自然科学基金项目( 0 2 0 8 5 6 ，9 9 0 5 6 7 ) 的部分内容。9华南理工大学工学硕十学位论文第二章随机疲劳理论2 1 引言材料的疲劳指的是材料在循环载荷作用下所发生的性能变化。对于随机疲劳研究的力学方法，从载荷统计、应力分析到疲劳寿命估算，都与经典力学方法不相同，其有一套与之对应的疲劳理论。一个完整的疲劳理论应包括载荷统计方法、疲劳应力分析、疲劳破坏形式、抗疲劳性能的测定以及预测疲劳寿命的理论( 其中最重要的是载荷统计方法、疲劳累计损伤理论和疲劳裂纹扩展理论) 。2 2 随机疲劳理论2 2 1 疲劳基本概念疲劳问题与传统的强度问题有着本质的区别。一方面，疲劳破坏荷载低于材料的极限强度；另一方面，疲劳是多次应力循环累计作用的结果：而且，疲劳破坏除了材料本身有关，还和构件的使用条件以及环境因素有关。疲劳破坏的过程可以分为三个主要阶段：疲劳裂纹形成阶段、疲劳裂纹扩展阶段以及裂纹失稳扩展过程。其中疲劳裂纹形成阶段包括三个部分：( 1 ) 材料在显微级别出现损伤阶段；( 2 ) 初始损伤形成微裂纹阶段；( 3 ) 微裂纹形成宏观裂纹阶段。关于宏观裂纹的尺、j + ，工程界还没有统一的规定。造成疲劳破坏的重复变化荷载称为疲劳荷载。这些载荷的大小和方向可随时间不断变化，通常采用应力循环的概念来描述这些疲劳，作用于结构上的一次连续加载和卸载就代表一次应力循环。循环应力可以使用以下的基本参数加以描述：应力循环一一在一个周期中，应力变化过程称为一个应力循环。应力循环可用循环中的最大应力、最小应力和周期t ( 或频率f = 1 t )来描述。平均应力、应力幅吒一一分别是应力循环中的静态分量和变化分量，其大小为1 0第二章随机疲劳理论中半铲芋由上面两式可得：( 2 1 )( 2 2 )( 2 3 )应力范围盯一一是应力循环中，应力由最小到最大的变化范围，有时也直接称之为应力幅值a c t 一盯一仃m m = 2 t x d( 2 4 )当结构处于低应力循环载荷作用下时，其材料始终处于线弹性状态，应变较小，此时材料能够承受的应力循环次数通常町以达到1 0 5 以上，这种循环称为高周应力循环。相反，当结构处于高应力循环作用下时，将导致材料发生塑性变形，材料应变较大，应力一应变曲线不再是直线，而是一滞回曲线。在这种情况下，应力循环次数通常低于1 0 4 ，成为低周循环。材料的抗疲劳能力的主要指标之一是材料的疲劳寿命。从结构承受应力循环开始，知道结构出现裂纹或是结构丧失承载能力为止，结构所承受的应力循环总数，或是应力循环的总持续时间，称为结构或材料的疲劳寿命。疲劳极限t ，的定义为：在指定的应力比r 下，材料可以承受无限次循环而不发生疲劳破坏( 即疲劳寿命无限长) 的最大应力一疲劳极限的存在，可以归因于材料的时效硬化，由于材料的时效硬化，使结构的负面影响小于材料强度增加的证明影响。但是，有一些材料是没有疲劳极限的，同时，也不可能通过无数次的实验来确定材料的疲劳进行，因此，通常规定一个足够大的值j v ，认为材料经受次应力循环而不破坏的最大应力就是材料的疲劳极限。参照本课题组前期的常幅试验，在本研究中认为：当c f r l 增强r c 构件经过2 x 1 0 6 循环而不破坏，就认为它能承受无限次循环。与疲劳极限相对应的是疲劳强度。2 2 2 疲劳性能的测定目前，抗疲劳破坏特性的分析通常是依据经验规律来进行的。不管实验和研究是在何种尺度上进行的，获得的资料通常都与这些规律相联系。这些规律包括s 一曲线，b a s q u i n 公式，g o o d m a n 图，疲劳寿命曲线，1 1、l，j吒吒+一b 萎暑=娃mm盯盯华南理工大学工学硕士学位论文载荷寿命曲线，应力寿命曲线等。本文只介绍应用最广的s n 曲线。表示应力幅或最大应力与疲劳寿命之间的关系称为疲劳曲线或者s 曲线，疲劳曲线一般通过试验确定。s 曲线在直角坐标上是一条双曲类型的曲线，在半对数坐标或双对数坐标上近似一条直接，如图2 1为拟合曲线，目前已提出以下几个公式：1 ) 幂函数表达式就是式2 8 的形式： c n = c( 2 - 5 )该式表示在给定应力比r 或者平均应力的条件下应力幅吒与寿命n 之间幂函数关系。m 和c 是两个常数，与材料性质、试件结构和加载方式等有关，由试验确定。将上式两边取对数，则有m l g c r 。+ l g n = l g c( 2 - 6 )或l g n = l g c m l g t r 。( 2 - 7 )可见，幂函数表达式相当于在双对数坐标系中l g t r , , 与l g n 成线性关系。根据幂函数表达式，可以在双对数坐标系中做出图2 1 形式的s 一曲线。式2 - 9 也常用于表达盯m a x 与n 之间的关系，则盯急n = c( 2 8 )2 ) 指数函数表达式e m “- c( 2 - 9 )式中：e 是自然对数的底；m 和c 同样是由试验确定的与试件本身以及加载条件有关的两个常数。上式表示在给定应力比r 或者平均应力盯m 的条件下最大应力o m a x 与疲劳寿命n 之间的指数函数关系。将上式两端取对数，可得m o 。l g e + l g n = i g cl g n ；l g c m 盯。i 9 8( 2 - 1 0 )指数函数表达式相当于在单对数坐标中与l g n 成线性关系。由指数函数表达式，可以得出单对数坐标系的s n 曲线( 图2 - 2 ) 。1 2第一二章随机疲劳理论l go0n 。l g n图2 1 双对数坐标的s n 曲线f i g 2 1s nc u r v e si n