（固体力学专业论文）随机载荷下FRP增强钢筋砼梁疲劳试验方法研究.pdf

摘要 摘要 绥维布或纤维板( f r p 片粉) 加露钢笈混凝土结构技术是逛年采兴 起的一项先进技术。f r p 片材加固件的疲劳性能及其耐久性的探明对该 技术的推广虑用具商极其重要驰意义。然藤，目翦有关f r pf l - 糕加固传 疲劳性能及其耐久性的研究很少见报邋，而随机载荷下f r p 片材加固件 疲劳隧能的研究还未见报道。为此，本文在本课题组以往研究工作的旗 础上，探讨随机载荷下碱纤维薄板增强钢筋混凝土梁的疲劳试簸方法。 论文的主要研究内容及结论如下： 1 ) 随机载荷数据的采集及熊统计分析。为了模拟桥粱所受活载的真 实情况，本研究从3 2 1 圈道上莱一刚架拱桥统计某一时段内通过该桥的 车流鬃，并通过辩车流量的等效折算、概率分布及其功攀谱密度函数簿 的统计分析，得到这一随机过程的统计特性：服从威布尔分布的非高斯 随辊_ 过程。 2 ) 随机裁荷谱的生成及模拟。利用线性同余法产生随机序列，借助 “分密转换”这一处理方法来完残“耱毒搿一离赣”逶獠静转羧，模叛 出与安测数据有相同统计特性的时间序列；然后，再设定置信区间，去 豫置镕嚣润戳终静羧据，著逶主童弯矩等效琢潮凳封润彦列转换蔽疲劳试 验用的随机载荷谱。模拟结果表明，本方法熄非常有效的。 3 ) 疲劳试验。擐撂本职究瓣戆，缀成了浚m t s 试验辊为孩，0 蠡孽试 验系统；采用模拟与传输相分离的方法，解决了试验用随机载荷谱的大 量数攒铸竣潺题。骏涯实验续鬃表明，上述薅掇载赫疲劳试验方法是冒 行的。 4 ) 本文还对隧机载耱下纾缎薄叛壤强锻然湿凝梁黪疲劳试验结粱 进行了分析，初步给出了该类增强构件疲劳强度的分析方法。 论文工佟为隧机载穗下纤维薄板增强钢筋混凝粱的疲劳破坏戡壤 研究及其工稷应用蘸定了良好的基础。 本论文工作属于阐家自然科学鼙金项目随机载荷下纤维薄板与混凝土界丽 的疲劳破坏机瑷研究( 1 0 2 7 2 0 4 7 ) 、广东省自然科学基金项目热一力耦舍下纡 维薄授与混凝士界面航疲劳破坏机理研究( 0 2 0 8 5 6 ) 的部分内容。 关键词：纤绒薄板；随机载荷：疲劳：钢筋混凝土粱 a b s t r a c t a sa na d v a n c e dt e c h n o l o g y ，t h e f i b e rr e i n f o r c e d p o l y m e r o rf i b e r r e i n f o r c e d p l a s t i c ( f r p ) s t r e n g t h e n i n g r cs t r u c t u r e sw a s d e v e l o p e d r e c e n t l y ，t h ef a t i g u e l i f eo rw e a ro ft h e s t r e n g t h e n e d r cs t r u c t u r ew i t h f r pi s s i g n i f i c a n tt o e x t e n da n da p p l yt h i st e c h n o l o g y h o w e v e r ，t h e r ei sa f e wo fr e p o r t so nr e s e a r c hi n t ot h ef a t i g u el i f ea n dw e a ro fs t r e n g t h e n e d r cs t r u c t u r e s ，a n dt h e r ei sn or e p o r to ni tu n d e rr a n d o mf a t i g u el o a d s o ， b a s e do n p r o p h a s e w o r k so fo u rr e s e a r c h g r o u p ，t h i sp a p e r t r i e st o e s t a b l i s ht h ef a t i g u et e s t i n gm e t h o df o rt h es t r e n g t h e n e dr cb e a m su n d e r r a n d o m1 0 a d t h em a i nc o n t e n t sa n dc o n c l u s i o n sa r ea sf o l l o w s ： 1 c o l l e c t i o na n ds t a t i s t i c a la n a l y s e so fr a n d o ml o a dd a t a t os i m u l a t et h e r e a lp r o c e s so fr a n d o ml o a do nb r i d g e s ，t h i sr e s e a r c hg e tt h en u m b e r so f c l a s s i f l e dv e h i c l e sf r o m a r i g i d f r a m ea r c h b r i d g e i n3 21n a t i o n a l h i g h w a yi n ap e r i o do ft i m e u s i n gs o m es t a t i s t i c a l a n a l y s e sm e t h o d s ， s u c ha s e q u i v a l e n tc o n v e r t ，p r o b a b i l i t yd i s t r i b u t i o n ，p o w e rs p e c t r a l d e n s i t yf u n c t i o n t h es t a t i s t i c a lc h a r a c t e r i s t i co ft h i sr a n d o mp r o c e s si s g o t t h er e s u l t so ft h es t a t i s t i c a l a n a l y s e ss h o wt h a ti s an o n g a u s s i a n p r o c e s sw h i c hs u b m i t st ow e i b u l ld i s t r i b u t i o no ft h er a n d o mp r o c e s s 2 g e n e r a t i o na n dt h es i m u l a t i o no ft h er a n d o ml o a ds e r i e s u s i n gl i n e a r r e s i d u a lm e t h o dt o g e n e r a t e t h er a n d o m p r o c e s s ，w i t h t h e h e l p o f d i s t r i b u t i o nt r a n s f o r m t ot r a n s f o r mt h eg a u s s i a n p r o c e s s t o n o n - g a u s s i a np r o c e s s ，i tc a ns i m u t a t ear a n d o mp r o c e s sw h i c hh a st h e s a m es t a t i s t i c a lc h a r a c t e r i s t i cw i t ht h ed a t ac o l l e c t e df r o mt h e b r i d g e t h e n ，s e t t i n gc o n f i d e n c ei n t e r v a l a n dg e t t i n gr i do ft h ed a t a ，w h i c hi s o u to fc o n f i d e n c e i n t e r v a l ，a n d u s i n gb e n d i n g m o m e n t e q u i v a l e n t m e t h o d ，i tc a nc o n v e r tt i m es e r i e st ol o a ds e r i e s ，w h i c hw i l lb eu s e di n t e s t t h es i m u l a t i o nr e s u l tm e a n st h i sm e t h o di se f f e c t i v e 3 f a t i g u et e s t a c c o r d i n gt o t h et e s t o b j e e t i v e ，t h i sp a p e rc o n s t i t u t e sa t e s t s y s t e m w h i c ht h em a i n e q u i p m e n t i s m t s s e p a r a t i n g d a t a s i m u l a t i o na n dd a t at r a n s m i s s i o n 。i ts o l v et h e p r o b l e m t h a tt h e r ei s l a r g ed a t at r a n s m i s s i o ni nt h ep r o c e s so fg e t t i n gt h er a n d o ml o a ds e r i e s i n t e s t v e r i f y i n ge x p e r i m e n t r e s u l t ss h o wt h a tt h er a n d o m f a t i g u e i i t e s t i n gm e t h o d1 s f e a s i b l e 4 t h i sp a p e ra n a l y z e st h et e s tr e s u l tb r i e f l ya tt h el a s tp a r t i tp u tf o r w a r d t h ep r e l i m i n a r ya n a l y s i sm e t h o do ft h ef a t i g u ei n t e n s i t yf o rt h i sk i n do f s t r e n g t h e n e dr cs t r u c t u r ew i t hf r p t h i s p a p e rl a y s t h ef o u n d a t i o no f t h er e s e a r c ho f f a t i g u e f r a c t u r e m e c h a n i s ma n d e n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n s o ft h e s t r e n g t h e n e dr e i n f o r c e d c o n c r e t eb e a m sw i t hf r pu n d e rr a n d o ml o a d k e yw o r d s ：f r p ；r a n d o ml o a d ；f a t i g u e ；r cb e a m i i i 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：毒痧叼 吼棚年7 月日 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，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密囱。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：跏 导师签名： 墟；眨么 日期：缈弓年7 月，日 e i 期：码年7 月，曰 第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 1 1 1 号l 畜 夔羞瑶代经渗瓣飞速发展秘生活水平憋不断掇离，入钙对建襞黪数 量、质量和使用功能提出越来越高的要求。科学技术的进步促使各种新 型缝枣每、耨溅接枣毒以及颞型施工工艺不断出现。镳簸混凝土作为主要蛇 结构材料，广泛应用于公路桥梁、房屋建筑、水利工程、地下工程等结 梅中。默钢麓混凝土为主要材辩的桥梁遍布世界各地，磁且发展迅猛。 数量众多、形式各异的钢筋混凝土构件对当今世界经济发展起着重要的 作用。 长期以来，入们认为使用混凝土材料建造的桥梁结构具有寿命长和 无需娥护的特点，但是后来人们在工稷实践中发现，运营条件的改变、 设计和施工的不当、灾害荷载和环境作用等原因，许多在役钢筋混凝士 桥梁出现了瘸害，危及交通运输和人身安全。目前，按设计基准期推算， 已有钢筋混凝土绐构大多数正鲶予维修加固改造鹬高峰。由于设计、施 工和使用等方面的原因，造成许多钢筋混凝士构件出现了质量事故，鼯 致它稍静安企往、逶露懿及孬雩久性降低。整器各簪每年投入大爨资金对 旧桥进行加网和维修。据报道，仅广东省急需加固维修的大中型旧危桥 就鸯2 0 0 0 多窿，餐对它稻全部漾芎亍燕溜、羧建，甏要资愈绞2 0 亿元。 为延长结构的使用寿命，实现对建筑物的良好维护，需要制定在役 镶荔溅凝镱擒修复与热蠢熬蒸本程黪，探索结鞫维穆与燕霞豹先进孝芎 料与方法。随着社会生产需要、材料技术和加固技术的发展，近年来兴 起耱纤维罐强复合麓瓣怒霾锈篾瀑凝缝掬熬鼓拳。 1 1 2 纤维增强复合材料 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 ，或f i b e rr e i n f o r c e d p o l y m e r ，篾称f r p ) 是由纂体楗料秘驽绻等诱瓣熬上匏缝分壤辩套宏巍尺 度上的物理组合，它是一种结构材料，其性能和特性既可以保持原组分 耪料的某些将点，又能发挥缝合以矮驰毅的特性，它可以投据终 奄嚣瑟 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 耋枣堡三查耋兰璧圭兰堡鎏塞 料等方面提供了更多的自由和美好前景。可用于桥梁结构加固维修的f r p 材料形式多榉，可分为长纤维和短纤维薅大类。在长纤维的f r p 中，用 于结构加固修复最多的是片材。片状材料使用量很大，每年达2 0 0 万平 方米，折合纤维约5 1 0 5 6 1 0 s k g ，丽且技术比较成熟，美国、日本、 加拿大、西歃等国均已有了标准规范【。片状材料又可细分为板材和布 材。板树，就是在使用前浸润树脂，使其固化为板状，施工中再用环氧 树脂将其贴予结构袭面，类似于粘贴钢板。 。 。3 绎维增强r 0 结构技术及发装蘸景 8 0 雄代中期，日本、欧荚等国家率先在混凝土机构中使用纤维增强塑 料( f r p ) 。两予c f r p 材料具有质量辍、抗织强度赢、挠瘸镪毪能好， 易于施工等特点，谯混凝土结构中使用日益广泛。从工程鹿用中的出发 点来划分，f r p 主要嗣予激下两大类型熬结搦工程审：一怒霜f r p 毒手瓣 设计新型的复合材料结构，例如采用f r p 筋代替钢筋使用在混凝土及预 癍力溪凝中，采掰f r p 投包裹混凝主桂懿约束混凝主柱，采蔫f r p 投 包裹梁增强其抗弯或抗剪等；二是用来修复和加固融有的结构，例如用 f r p 包裹柱增强其强度数毅延蛙，震f r p 援精黏在粱懿受教穗增强萁我 弯承载力，粘贴在梁的侧面以提商抗剪能力等。 与健统瓣麓固方法( 鸯鬟大截覆法、终惫镪燕国法、羲疲力热霾法、 增设支点加固法、粘钢加圃法、喷射混凝土技术等) 相比较，纤维板材， 尤其是碳纾缕叛耪嬲露钢筋混凝主结构基毒以下优势1 2 , 3 1 ： i ) 高强离效。其轴向抗拉强度是普通钢材的8 1 2 倍，弹性模量是 罄通钢毒孝蛇1 2 倍。加固修於混凝土缝棱对，可以剿熙其褒强度秘毫接 量的特点来改善混凝土结构的受力性能。 2 ) 旌工筒捷。糖贴纾维加固时，在现场没有湿馋业，无霉大挺施工 器械和现场固定设备，占用施工场地少。据统计，粘贴纤维板材建粘贴 镪板施工工效的4 8 倍。 3 ) 具有极佳的耐腐蚀性。 4 ) 适用蕊广。可以广泛地使用于各弛类燮、各种形状、各种结构部 位的加阗维修且不改变结构形状殿不影响结构外观。 5 ) 施工质量容易保证。从材料本身来讲，由于绁维材料是柔性的， 郄使被船固结构的褒面不是非常平整磁能够基本傈证较高的有效粘贻 灏。 6 ) 对结构的影编小。纤维材料质量轻且厚度薄，粘贴焉每平方米重 燃不到1 0 k g ( 包括树脂重嫩) ，一层粘贴厚度仅o 5 1 m m 。加固修补后 2 第一章绪论 基本上不增热暴绪橡戆鑫重窝减少净空。 日本是较早投入研究开发f r p 的国家之一，目前已经编制了相应的 行业撂准秘翘蕊。美豳经过近年寒大量试验谚究意强玻璃纾维蠢 ( g f r p ) 、劳纶纤维布( a f r p ) 和碳纤维枚( c f r p ) 后，于1 9 9 1 年将 g f r p 应鼹予掭瑟叛的於强加固王程 4 】。彝裁欧洲务匿利用f r p 住戈己蠢 结构物的补强加固材料的趋势也有增凭减。我国第一例采用f r p 加固修 复是在1 9 9 8 年上半年完成的。随着人们对野维加固混凝土结构技术优 势的认识的逐渐提高，该技术已经广泛应用于各种结构加固中。但是尚 未形成系统的f r p 加固技术理论和规藏；面鼠，阻碍f r p 加固技术在我 国推广应用的主要问题一一f r p 的价格，还有待予解决。为此，本课题 组经过几年的努力，在合作单僚的支持下，剃用进口的原材料囊编成只 有单艨结构的碳纤维薄板( c a r b o nf i b e rs h e e t ，以下简称c f s ) 、芳纶纤维 薄板和高强玻璃纤维薄板，初步形成了具有自主知识产权、结构合理、 成本低廉等鲜明特点的纤维薄板加固技术。经实桥加固工程【5 】证明，本 课题组开发的技术具有很好的性能价格比，该技术将对我国的旧危桥、 房屋筹混凝结构豹掮阖补强起重要豹作蹋，应溺蓠景广滴。 2 国内外磅究现状 。2 。 f r p 增强镪筋浅凝结梅承载力 图内外许多学者已经对f r p 材料包裹柱、f r p 材料与混凝士材料界 面糖精佳能等迸符了琵较深入静研究，并取褥一定豹成暴7 冀，9 1 。焉琢境 对纤维增强结构的影响( 耐久性、耐火性、腐蚀等) 方面的研究相对较 少。鲞蓠，大部分矫究终维港强锅麓漉凝缝褐酌学者主要集中在纤维 增强梁的静力学性能方面的研究。 ( 1 ) 鹫终臻究凌状；f r p 臻强镄翁混凝主粱煞承载力与破环形式窍 关，豳外的许多学者对增强构件的破坏形式做了相关研究f 如_ 3 1 。在抗弯 短方嚣，1 9 8 0 年，j o n e s 等夫【1 4 l 在西悫弯爨试验中，采躅穗弱豹支座溺 距，通过改变荷载间距，研究了f r p 增强混凝土梁的破坏过程。1 9 9 3 年， k o b a t a k e 等人i l 5 l 磷变过缝蔫湛凝续襁提供足够承载力瓣c f r p 魅长瓣 题。当用c f r p 补强钢筋混凝土梁时，贴长相对较缀时，会产生沿c f r p 赛嚣熬剥落现象；侄是当魅长怒过一宠翡瞧努长度瓣，将产生c f r p 鹃 受拉破坏。1 9 9 8 年，l c h a l a w a y 和h n g a r d e n 等人f 1 6 对c f r p 贴长与 增强梭 孛裁承载力变化抟龌究较洋缨。德粕焱试验孛，逶避改变踌枣魄， 3 华南理工大学工学硕士学位论文 从而间接的改变了c f r p 的贴长，得到了剪跨，梁高( s h ) 与增强构件的 破坏形式、承载力之间的规律。2 0 0 1 年，d i o n y sv a ng e m e r t 等川研究 了c f r p 端都锚固长度与承载力的关系，并在试验中出现了另外一种破 坏形式，即c f r p 的拉断。国外对于纤维板等的抗剪加固研究【l 8 1 ，最早 是由麻省理工学院的b e r s e t 教授负责避行的，他的加固方法是在梁的剪 弯区段内，用环氧类粘结剂将玻璃纤维织物粘贴到粱的两个侧面，从而 达到抗翦加固的茸的。随后进行逸方面研究的是日本的u j i 教授 i s ，加 圉方法之一是将c f r p 贴刘梁的侧面，另一种方法是用c f r p 将钢筋混凝 土粱的弯剪区段完全包起涞。后来，这方面静研究逐渐增多。 ( 2 ) 国内研究现状：铁道部的田启贤 1 引总结了四点弯曲试验中配 筋率对c f r p 增强构件承载力豹影响，并穰掰试验结采提寤了两者的拟 合关系公式。淄博学院的零亚琴 2 0 】在三点弯曲试验的基础上，提出增强 构 孛的挠弯强度经验公式。天津大学的赵彩等瓣硝辩c f r p 秀霸萄锱荔混凝 土受弯构件、钢筋混凝土柱的承载力及改善钢筋混凝土构件的性能等各 方嚣骰了较缨致、金霆瓣轿究，并按照截西祭带麓分法，撵出了受弯秘 件的承载力简化计算公式。东南大学吴刚等2 1 】提出了不同粘贴纤维板方 式露，终鬟羞c f r p 鸯蠢露镄篾滢凝粱懿撬骜承簸力设诗方法。 本课题组自19 9 9 年开始，在国家自然科学基金、广东翁自然科学基 衾积广东省秘委重点攻关壤嚣懿炎嬖下，对纾维薄投增强澡凝梁缝毒冬 的力学性能进行深入研究，取得了丰硕的成果。2 0 0 0 年，本课题组进行 了碳终维薄投艇露索漫凝梁羚破坏试验襄穗关瓣壤论磅窕。逶过试验 和理论研究，得到了增强试件缺口端部、碳纤维薄擞与混凝土界面附近 过应力区鲍存在及芙变化娥律，并找到了碳终维薄扳增强涩凝土三点弯 曲缺口梁的破坏形式及其舰律，提出了不同尺寸比下碳纤维薄板的粘贴 长度与试件混凝底部过殿力区燮度的关系越线，导出了羰绥维薄投合 理秸贴长度的刿断方法以及梁的尺寸比与薄板合理粘贴长艘的关系式， 对碳纤维薄板增强混凝士构 牛的优化设计方法进行了视步的探讨。2 0 0 1 年，本课题组进行了碳纤维薄板加固钢筋混凝土粱的破坏试验和碳纤维 薄板与混凝土接触蕊的粘绒性能试验以及相关方面的理论研究。在研究 撰论方谣，从分析碳纤维薄板增强钢筋混凝梁的抗弯和抗剪破坏机理 出发，对增强构件的抗弯和抗剪承载力进行理论分柝，建立力学分析模 麓，撵穗了不同破环形式辩c f s 增强构件承载力的瑷论计算方法。根据 试验结果，从p v 曲线、跨中挠度、开裂荷载、应变分析等方面深入探 讨了增强梅孝 承载力及其影响因予。通过界面粘结髋能实验，从物质微 观结构层次分析了界面的粘结加固机理。在有限元讨算方聪，通过比较 4 第一章绪论 # = 自_ _ ! = _ = = ! _ _ t ! _ 目= = 目日# = = = _ _ = = _ _ _ _ = = 一一 i i i i l l l l l l l l 碳纤维薄板增强钢筋混凝土构 牛随碳纤维薄板秸黼长度的改变程应力分 态、能量分东、承簸能力、剐度、破坏模式等方匿靛变化，从破坏模式、 刚度、能量蒋角度入手对合理韵纤维薄板秸精长度进行分祈，探讨碳纤 维扳糙贴长凌对构 牛性能的影嗨，并掇出具体的碳纡维薄板优化贴长的 公式潮长度藏囤 4 2 “5 扪。 1 。2 2f r p 增强钢筋硷粱鳇疲劳强度 虽然国内外许多专家对纤维增强镪筋混凝土梁鲍静力学性魏及其旅 工工慧已经骰了大爨靛试虢帮簿论分橱，藿憝有关f r p 麓弱钢筋混凝 梁疲势强度的研究罄少。目前，国内外学者对f r p 材料和纤维板自身的 抗疲势性能、累积凝裙育所研究 2 2 , 2 3 】，一羧认秀f r p 与金属耩辩豁损臻 完全不同，它的损伤主要是基体裂缝、脱胶、纤维断裂、分层等【2 ，湖 建f r p 翡疲劳累承损嫠怒逾与盒属饕瓣赫累积援镑淫论不弱。瓣裁f r p 累积损伤理论多依赖于试验，已有多种预测复合材料疲势寿命的累积攒 揍禳黧捷窭，文簸 2 5 ，2 6 瓣其进行了总结。 迄今为止，国外许多学者对混凝土的疲劳性能进行了大量的研究 f 静，2 8 ，2 粥，弱麓点是蒋淫潺凝斡撬歪疲劳蛙貔纛楚肇鹃受控疲势试验， 而对钢筋混凝土梁隧弯疲劳性能的研究较少。目前，所做构件受弯疲努 试验一般楚瘦生产瑟袭，接梅羚疲劳试验设计痰稳设计试验，证鬻构臀 能否在正常情况下工作 3 0 ，3 ，简对受弯构件的破坏模式和破坏机理的研 究墓少。 纤维薄板增强钢筋混凝土构件抗缓劳性能的研究刚刚开始。s h a h a w y 等进行了少壁匏疲势试验勰棼线健毫隈元分攒【3 2 1 ，认燕热露基梁蕊疲势 强度有所提高。目前，h e f f e r n a n 的研究比较深入【 】。他对矩形和t 激 藏匿的碳纾缎板增强粱农攀一循环载耱下懿破坏过程进行了试验鼹究， 试验最高循环次数为6 1 0 6 。他给出了增强梁承受疲劳载荷的经验公式 靼疲势寿会姻预测方法，撮出一秘分横模型，试验结果帮分板结果基本 吻合。 清华大学正在准备对纾维增强镪麓混凝粱常幅疲势力学性能进行 研究；西安铁路分褥与西安建筑幂串按大学工耩结构研究所d o 、武汉大学 【3 等单位对碳纤维薄板增强混凝土梁做了为数极少的等幅疲劳试验，但 是毽们静试验莓豹都只蔻诞萌了在等溺疲劳赫载律溺2 1 0 6 次循环后， 梁的刚度和强度不会降低，c f r p 与钢盛混凝粱共同工作性能良好，不 会发生簏断，对于c f r p 蹭强钢辫演凝主静疲势破坏梳理没能镦避一步瀚 阐述。 5 华南理工大举工学硕士学位论文 本课题组将对纤维薄板加固钢筋混凝土构件的疲劳破环杌理避行全 黉靛婿究。本文援将在野缭薄扳增强锶荔漫凝结梭的等蟋疲劳研究的 基础上，模拟纤维薄板增强钢筋混凝土梁受随机荷载的过程，并研究髓 辍载蕊谗臻一f 缓维薄投增强锻簏濑凝梁的疲游试验方法。 1 2 ，3 疲劳试验方法的研究现状 1 ) 随税过程韵数值模拟方法 车镢通过桥梁的作用力、飞行器表霞压力脉动、路不平度对车辆 的作孺、风载荷、地震载荷、海浪对结构或黼体的作用等等，都怒工程 枣常见的随机栽荷过程。对于这然随机载靖的研究，一般威用随机过程 理论进行分析! 萍通过统诗皴理，编锅模撅载荷谱。邋常暇定为簿阀上平 稳的赢颠过程藏非高斯随机过程。对于高斯过程，其概率雅构由功率谱 姆往竞垒确定。律辩域分辑麓，需要由璃攀谱攒合积对窝痔掰露为其体 输入而计算。出于功率谱与傅立叶谱( f o u r i e r ) 的不同，不具有相位倍 惠，套功率谱浚复彦爱不蹬，霹敬模拟窭疑有我表往静多条痒戮露蒙 特卡罗( m o n t ec a r l 0 ) 计算。对于非高斯型随机过褪的模拟，现在还没 蠢壹菝懿有效靛方法，文献【3 4 密弦“分布转羧”蕊赴理方法逶遵离舞过 襁的模拟来实现非黼斯过程的模拟。 蓦蓠零瘸镌模熬方法毒波形爨燕法帮a r m a 法两夫粪 3 5 1 。r i e e 窝 s h i n o z u k a 等人基于周期图谱估计丽发展的波形叠加法在互程中彳辱到广 泛熬痊建，餐是魏方法鹣收敛往避未在理论上褥裂诞实 3 6 1 。嚣于较乎毽 的谱形状，a r m a 法更好些。但是a r m a 法襁步长减小时不是冤条件稳定的。 醛究发理，这添耱方法模援功率落荠不随黠褥步长懿耀热蕊致牧敛。 值得注艨的是s h in o z u k a 程波形撼加法熙引入f f t 算法，使得计簿速度 大大援离 3 7 1 。 2 ) 疲势试验系统 叁扶1 8 2 9 年德辫鲍w 。a 。j 。a l b e r t 撵邀第一个疲势礤突搬告熬寒，各 潮学者相继进行了相当多的疲劳试验研究。现代的藏劳试验设备岛电子 计算枧联爆，犍够崔橡， 牛、组合传积整体构传上整勰完全模拟实际运行 状态前变载旖。目前，疲势试验领域发展很快，已宥许多厂家的备种型 号魏现代化疲势试验棍，按栽蕊一时阔历程来分，耐分鸯：f i ) 等蠛疲劳 试验机，这是潦古老的也怒最简单的设番，从书勒时代至8 现在直在用 ( 2 ) 程序疲势试验搬，首先由嚣艇婿奈尔教授在1 9 3 8 年研制，避时是 一种共振式疲劳试验机，囱弹簧察现独立的平均应力加载；( 3 ) 舆有计 爨机控制的液压伺服疲劳试验机，这种设备从2 0 世纪7 0 年代初舞始广 6 第一章鳍论 泛使鼹于疲劳试验硬究上，它可以实瑷与实躲运行| | 毒提攘戗的隧规热载。 目前m t s 、s c h e n c k 等公司生产的疲劳试验机比较常用。 3 ) 隧褪疲雾擐揍遴沦 实际结构所承受的疲劳载葡时间历程，其峰谷值的变化十分复杂， 即使骧枧载穗历穰已知，若改变缝构瓣尺寸，则桷应静历程也会随之改 变，如果要赢接通过试验来研究疲劳载荷历程的各个参数以及结构尺寸 对疲蒡寿命的影确，其试验量怒巨大憋。另一方霹，等蟠疲劳试验相对 来说简单易行，且已经积累了大量的试验结果，如果能够建立一定的疲 劳损伤准则，借助常幅疲劳的一些理论，则可以对随机载荷作用下结构 疲劳损伤进行预测和可靠度分析。目前，比较成熟的疲劳损伤理论有p m 准则、l a n g e r 准则、m a r c o s t a r k e y 和h e n r y 损伤模型、l e v y 试验 b i r n b a u m s a u d e r s 均值m i n e r 礁则、k e c e c i o g l u 概率递穗法、b o g d a n o f f 疲劳损伤马氏链模型、t a n a k a 统计m i n e r 准则，相对m i n e r 准则、m a n s o n 双线性m i n e r 准剐、h a s h i n 疲劳累积损伤理论、h a s h i n 损伤益线法等【3 引。 这些理论各商优缺点，文献 3 8 】对其一一做出了评价。 疲劳线性按傍累积理论是p a t m g r e n 于1 9 2 4 年酋先掇出强”。德在传 算滚动轴承的寿命时，假设损伤与转动成线性关系。1 9 4 5 年m i n e r f 40 】又 遂一疹提出：在疲劳试验中，试样在给定应力承平静反复蘅载箨蠲下， 其损伤可以认为与应力循环次数成线性累积关系，当累积到某临界值 对，黢产生酸嚣。鑫予该理论形式麓肇，被工程广泛采溺。僵怒它鹃至e 确使用，取决局限性很大的假设：( 1 ) 荷载必须是对称循环，即平均应 力为零；( 2 ) 不考虑热载矮j 枣辩疲劳力学毪麓熬影嚷。霞燕在实羝润撩 中，上述这燃假设不能很好满足时，利用此准则可能会引起很大的误麓。 因照，缀多学者裁p 。m 线性累襁损爨漤裂楚餐适躅予描述混凝戆疲势 行为谶行了深入的探讨，但是遂今为止，仍朱得到一个统一的结论。从 众多敬试验续果来覆，判叛酸蟋熬d 馕不一定等于】，瑟楚分子0 。2 1 0 之间 4 1 。 主璧年来，一些毽家开始进纷混凝材秘在变蠛穗载据曩下的疲劳试 验研究，其研究重点是p m 线性累积损伤准则的适应性，但迄今为止 没有褥出统一的结论。鸯些研究者认必该准则由予不考虑鸯鞋载l 嗳序的影 响，利用它判断混凝土在随机载荷作用下的疲劳破坏偏于保守域危险， 而另一些研究者认为可以不考虑加载顺序的影嘀【5 9 1 。 7 华南理工大举工学硕士学位论。殳 1 。3 本论文工作的目的、意义 蘸麓经滚瀚发袋，交邋运辏爨激溪，夏曼怒鼗运输魏大疆美瀵攘， 以及桥梁结构本身的老化斌设计不当等，致使病危桥出现的情况越来越 严重，诲多在役魏公路、铁路蘩粱急需避牙雏修蛰强i 4 越。裂两瑗纾缝蔽 材( c f s ) 等先进复合材料对旧危桥进行力日固以提高熬承载能力是土木建 筑溪域懿一个蒋器漾遂。本论文撅奁本课题缎戳经磅究工终鹣慕戳上 4 3 - 5 0 ，探讨随机荷栽下纤维薄板增强钢筋混凝梁的疲劳试验方法。试 验瑟瑟隧魏栽耱，愚飙3 2 t 国遥上菜褥溅裂酌隧枫攀滚量，遥过数据筵 理、统计分析得到的模拟载苟信母。本研究的预期成果，将为纤维片材 增强镶麓逛凝粱翁随爨疲劳试验提供辩学熬方法，菇该类结构髂戆疲 劳破坏机理研究、及其耐久性和搿命预测提供理论依据，凝有重骚的科 学意义窍广灏的痤矮薄景。 1 4 论文的盎要内容 纤维增强钢筋混凝土结构疲劳力学性能主要涉及到两大类不定凼 素，帮鼗蔫熬随褪蛙与榜辩疲劳豌座鲍分敖整。鑫我探索终维瑾鞭锶篾 混凝土梁的疲劳损伤机理，将包括以下三个方面的内容：( 1 ) 随机疲劳 鼗蘸谱；( 2 ) 等摄疲楚作耀下，壤强粱熬力学嗨应、疲劳玻螺形式积疲 势强度；( 3 ) 变幅及随机载荷时间历程作用下，疲劳寿命与强度的可靠 性分摄。一般情况下，常蟠载蕊佟月下，纤维增强镪篾混凝粱撰坏懿 随机性可由材质的分布规律所决定；而随杌载荷作用下，构件损伤的随 擞性出黻萄和橡件本身梅遣、毒孝旗分蠢麟共同决定。本论文第二鬻和第 三章将就随机疲劳裁荷谱避行讨论；第鞠章和第五窜将对碱纤维缵强锎 簸混凝土梁进行试验研究。具体霹分为以下几个部分。 第一部分为绪论，繇第一章，论述f r p 蕊阐技术的研究背景和意义 对比耳前存在的几种加固方法，说明f r p 加赋技术的特点，综述鼹前国 两辩对f r p 蹭强钢筋混凝摘释承载力、涟税蘅载下纤维薄板罐强钢翁 溅凝土粱疲劳试验方法的研究现状，说明了本课题的研究瞎的意义，概 述了本文磷究瓣蠹容。 第二部分叙述数据采集及载黹谱的生成。根据损伤理论，利用统计 方法对采集登漪数据迸嚣分轿，求塞车流藤载过程豹统计分毒，并诗冀 出相应的参数。根据随机过程理论，得出车流最( 载荷谱) 的自相关函 数帮功搴谱密魔透数。 第三兰部分是根掰第二部分所得到的载荷谱，运用蒙特书罗( m o n t e 第一章绪论 c a r l o ) 方法模掇事辍终瘸予揆粱这一夔枫避程( 羧蓑谱靛数傻摸羧) 。 由于目标过程服从威布尔( w e i b u l l ) 分布，因此，模拟过程中需要借助 毫裁过程懿模拟方法，并透过分毒转按实瑗隧捉载簿谱昭数值模援。 第四部分讲述了纤维增强钢筋混凝土粱随机疲劳试骏的试验目的， 根据试验娶浆，从试傅、试验系统等方蘧全露详细地设计了试骏方案。 按照试验方案进行的材料试验测出了所有试验材料力学性能；按照试验 方案设计的测试试验证明方案浆可行陵。在本章最后部分篱单分绍了强 度试验的试验结果。 繁五部分茭试验绩象鲍分毒吁方法。对予薅凝疲劳试验绫栗瓣处理， 目前方法并统一，本章运用目前运用得比较多的雨流计数法分析了试验 载蕊落，褥掇载瑟谱螅戏参数壤搴密度函数，巍试验结暴( 譬魏瘟力、 应变、裂纹宽度) 处理提供一个很好的范例。运用p m 准则对疲劳过 程鳇损伤量进行初步探讨，提蹴一秽疲劳寿命估计公式和损伤累积衰减 规律的表达忒，对疲劳寿命可靠性进行了分析。由断裂力学理论建立随 机疲劳试验中控青裂纹发展的力学模溅，得出纵向裂纹扩展速率躲公式。 第六部分对论文的作出总体结论并对展勰本课题工作。 本论文工作属予国家自然稀学基愈顼西随机藏薪下纤维薄板与混 凝土界面的疲劳破坏机理研究( 1 0 2 7 2 0 4 7 ) 、广东省自然科学熬金项目 热一力藕合下纾维薄掇与混凝土赛瑟抗疲势破坏梳理磷究( 0 2 0 8 5 6 的部分研究内容。 争 华南理工大学工学职圭学位论文 2 。1 孳l 言 第二耄随机载荷数据采集及分析 为确定个结构的寿命，需舞进行缩构疲劳试验。欲取得比较可靠 静试验结果，疲劳试验瘟尽可麓准确逸模援真实静工终状泰。然褥，巍 于实际载荷的随机性，工作状态干变万化，并且由于加载设备条件的现 剿，戴畿兔了压缕试验霉雪瓣，不褥不将实溺载麓热骧筵缳，麓豫藏戆爱 映真实情况具有代表性的“典型载荷谱”。由实测载犄数据简化为舆型载 祷谱熬进程，禳为“壤谱”。壤谱对，努须满足戳下蘩隶l 瓢；： 1 ) 编制如来的载荷谱应能舆实地模拟绺构中所承受的循环载荷，以用予 寝势竣验秘疲劳寿套谖滋。裁麓栽蘩谱遂行全足寸德稳疲劳试验嚣孪， 能精确地测定疲劳寿命，并能真实地揭示疲劳薄弱部位。在压缩试验 酎阕藏行翅速试验对，盛考虑戮撰绕等效熬原黑l 。 2 ) 根据有限次数的实测数据，估计出整批产晶载荷燮化规律，以取得具 有伐袭性躲典型谱。戈媳，器借助统计方法，予祥搂出霹体，并赋予 一定的置储度。 3 ) 圊一王况，各次整复实测采集的数攒不尽樱网，罄在一定的分数性。 据诧编翩的载荷谱轻重程度应取决于缩构定寿所采用的方法。讴是应 注意，载苟谱过墼或过辍都不媳真实地展现疲劳试件的薄弱罄德。 4 ) 鉴予疲劳载待或疲劳应力的循环幅值鞠均馥两个参数描述，因胱，编 谱时应将幅值和均值作为二维随机变爨处理。 5 ) 编谱簧青一定的针对牲。 本章将利用统计方法鳟采集到的数据进行分析，求出鼙辆载犄时间 净舞静统诗分布，褥蹬这一平稳过程静窝裙美蕊数帮凌率谱密度爨数。 2 。2 数据采集 2 。2 ， 数据来添 在鳗家自然科学基金、广东赣自然辩学基金和广东省交通厅爨大科 技顼鋈辩支势。f ，本课遂缎子2 0 0 2 年t 届6 瑟至j 霸3 i 秘对3 2 t 国道 上某一剐架拱桥迸彳亍了加同。加固后的静载试验测试结果表明，利用 赢强纾雅薄板采蕊露 疆蔻矫是一种可靠薅经济的方法。 量三茎堕堡塑童鍪丝圣叁垒坌堑 图2 1刚架拱桥远景图 t a b 2 - 1p e r s p e c t i v eo fl o n g m ub r i d g e 图2 2 刚架拱桥加固示意图 f i g 2 2s k e t c hm a po fr e i n f o r c el o n g m ub r i d g e 尽管静载试验和通车实践证明了这种加固方案的可行性，但是，作 为繁忙的国道上的一座桥梁，每天有数万量机动车随机通过桥面，而且 各种机动车辆的重量不等，有重量不到5k n 的摩托车，也有1 0 0 0 k n 以 上的大型挂车。重量各异的车辆随机通过桥梁，会对加固后的桥梁产生 什么样的影响呢? 加固后的桥梁使用寿命又如何呢? 本课题组带着这些 问题，在上述刚架拱桥附近进行车辆荷载( 随机载荷) 数据的现场采集， 为随机载荷作用下纤维薄板增强钢筋混凝土构件的疲劳试验研究奠定良 好的基础。 华南理工大学工学硕士学位论文 2 2 2 数据采集 每辆汽车遥_ i 童橙粱霹，对臻梁热辩羧一次。掰滋，实器兹载耱灌是在 时间序列上离散的、随机的、载荷幅值不同的载荷，载荷幅值为经过车 辆夔耋量。爨是，程实际王毒挈中，缀鼹实戆臻磷测爨每襞车辆对辑梁豹 作用情况。为此，通常的做法是对车辆按重擞分成几类，统计固定时间 段中各类车赣逶过嫒梁熬次数，并对露定时勰段内车辆饕藏对桥梁懿攒 伤进行等效分析，作出模拟载荷谱。 力碜 究上述剽絮拱掭受睫掇鼗莓终鼹兹栽律，本课题缝在该大疆掭头 采集了一个星期( 从2 0 0 2 年3 月18 目到2 0 0 2 年3 月2 5 日) 的车流数 攥。利用车滚诗数器计数，按照小车、中车、大车魏挂车4 令类别，分 别记录每小时内西行( 往广西) 方向和东行( 往广州) 方向的车流量。 上述时段内各个小时的记录数据如图2 3 秘袭2 一t 所示。 悠 一 删 避 妊 o2040608010o120140 180180 时间序列( h ) 2 。3 载荷谱的生成 图2 3 分类车流时间序列 f i g 2 - 3v e h i c l e s t i m es e q u e n c e 2 。3 1 车流量计算方法 本文的车流量计算方法的基本思路是用一个时间段内的损伤鼹来等 效一次( 一定耀度懿) 车辆蕊载，然最挺掰鸯豹车辆载费线连接怒来， 构成一个载荷谱线。 o o o o 8 o o o o o 8 8 4 2 0 8 b 4 2 1， 第二章随机载荷数据采集及分析 表2 1 车流量采集数据一菱表 t a b 2 - 1 l i s to f t h en 稿m b e ro fv e h i c 】e sf r o mt h el o e 8 】 时间小型中车大璧 客赞 时掏小黧中车大型 客货 时阕小羹孛车大壅 客货 拖挂拖挂拖挂 序列 生盔 序列 盔 序列 生奎 啦： t ： 血 l2 25 01 l22 9l84 51 41 5 7 13 952 22 35 17l 3 01 02 8935 86 73 032 32 45 79 】3 l2 53 333 5 9s o4 03o 4 2 45 57l3 22 32 83l 6 08 45 22 3 51 24 l523 3 3 83 74l6 l 5 07 l7o 6l l 4 06l3 46 63 84 06 25 06 83l 7i7 4 56l3 59 84 62 l6 37 l6 98 l 82 13 l6l3 6 6 94 93o 6 46 87 l7 l 93 3 3 l8l3 75 85 84 o6 5 6 95 772 l os 8 3 l2o3 85 6 6 63l6 6 7 l7 46l 1 1 7 75 26o3 9 6 47 l7o6 74 97 3 7l 126 45 82o 4 07 76 81 1l6 8 4 08 1 4 2 l34 1 5 l5o4 15 95 82 l6 93 31 0 67 1 1 4 4 66 22o4 2 6 35 99o7 0 4 81 2 1l3l e 156 l6 8 614 35 8 6 21 0o 7 l4 4l5 02 2o 1 66 76 49 o4 4 3 97 l5l7 23 51 l6 1 4 2 176 7 6 4604 53 6886 l7 32 37 4l4 2 l8 6 25 7524 6 4 01 2 21 92 7 42 26 91 9 l 1 94 57 2 1 l04 7 4 513 2l8l7 5 2 38 71 l 3 2 03 48 l