基於疲勞性能的碳纖維筋錨固系統可靠性設計理論研究

《基於疲勞性能的碳纖維筋錨固系統可靠性設計理論研究》是依託江蘇大學，由謝桂華擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：基於疲勞性能的碳纖維筋錨固系統可靠性設計理論研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：謝桂華
• 依託單位：江蘇大學

項目摘要

與傳統纜索材料相比，碳纖維增強複合材料（CFRP）在超大跨橋樑的套用中具有諸多優勢，而耐疲勞性能良好的錨固系統是此套用的重要前提。本項目以靜載錨固性能較優的複合型錨固系統為研究對象，在已有研究基礎上，結合彈性力學理論研究錨具組裝件協同工作原理和錨具的極限錨固力計算模型；基於相似原理、複合材料力學和疲勞理論，藉助筋材及其錨固系統的疲勞試驗，並結合本校人行斜拉橋CFRP索錨固系統的長期監測結果，研究處於徑向靜載和縱向拉-拉疲勞荷載下CFRP筋的疲勞損傷機理和規律，分析CFRP筋錨具組裝件的設計參數、粘結介質厚度、疲勞應力幅和平均拉應力水平等因素對疲勞性能的影響，揭示CFRP筋複合型錨固系統的疲勞失效機理，建立其疲勞壽命預測模型，最佳化錨固系統的設計參數；進而藉助結構可靠度理論，研究CFRP筋錨固系統的疲勞可靠性，建立其疲勞可靠性設計理論。預期成果對推動FRP在超大跨橋樑纜索中的套用具有重要意義。

結題摘要

相對傳統鋼材，碳纖維複合材料（CFRP）在大跨預應力結構套用中具有顯著優勢。然而，CFRP筋因抗剪強度低而錨固困難，尤其是其錨固系統的錨固機理及疲勞性能的研究仍未得到足夠重視。 本項目研究了直筒型粘結型錨具、內錐-直筒粘結型錨具和直筒-內錐-直筒型錨具等三種錨具的靜力錨固性能，建立了錨固區應力分布的通用模型。通過參數分析得出結論：內錐長/直筒長=4:1~2:1的內錐-直筒粘結型錨具在三者中錨固性能最優；在一定範圍內提高內錐角、降低粘結介質的彈性模量，或者採用遞變粘結介質，均有助於最佳化錨固區的應力分布。此外，本項目建議Smith失效準則可用於粘結型錨固系統，提出了複合型錨固系統的錨固力計算模型。 本項目研究了CFRP筋粘結型錨具在循環荷載下的結構回響、疲勞損傷規律和機理。研究表明，當應力幅不超過錨固系統極限強度的10%時且最大應力水平不超過極限強度的50%時，循環載入會使錨固系統更加穩定；而且，在此範圍內增大應力幅將使錨固系統更快達到重新穩定狀態；載入頻率對粘結型錨固系統錨固區的溫度變化產生影響，當載入頻率在10Hz以上時，增大頻率會導致錨固區在載入的早期和中期產生劇烈的溫度上升；錨固區的溫升與結構內部損傷存在內在的聯繫，故溫升可視為結構內部損傷嚴重程度的標誌。 研究了CFRP筋複合型錨固系統在拉-拉循環載入中的荷載-滑移關係、能量釋放率變化、殘餘承載力、疲勞載入後的套筒及筋材的循環次數-應變關係、疲勞失效模式、錨固區的溫升等變化規律。結果表明，應力比與最大應力水平對錨固區的損傷、錨固系統的協同效應和以及系統是否能重新穩定具有重要的影響；複合型錨固系統與粘結型錨固系統的疲勞損傷機理有異，且前者具有更好的抗疲勞性。 結合小尺度現場試驗與數值模擬方法，對比了CFRP長索與鋼索兩者套用於超大跨斜拉橋時在非線性靜/動力特徵上的差異和抗風性能，尤其是CFRP索等剛度替換鋼索時對提高結構基頻、扭轉振動頻率和彎扭頻率比等的影響，結果顯示CFRP索動力性能更優。