温度-海水环境下CFRP加固RC梁疲劳性能的数值模拟研究

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亚热带沿海地区跨海桥梁是在海水腐蚀、高温环境以及车辆疲劳荷载的耦合作用下服役的,这种耦合作用对该类构件的耐久性能影响显著。为了探明这种影响,本文以碳纤维复合材料(CFRP)加固钢筋混凝土(RC)梁为研究对象,探讨了高温环境和海水腐蚀的温度-海水环境以及疲劳荷载对加固梁疲劳性能的影响。在此基础上,利用有限元软件ABAQUS建立了预应力CFRP加固RC梁模型,选择温度分别为10℃、35℃和50℃;Na Cl溶液浓度分别为3%和5%的温度-海水环境,研究分析了亚热带沿海地区环境下预应力加固梁的疲劳性能。本文主要的研究内容以及得出的结论如下:(1)基于现有试验数据及模型,分别考虑了温度-海水环境及疲劳荷载作用下CFRP加固RC梁各组成材料及CFRP-混凝土界面性能的退化,建立了温度-海水环境下CFRP加固RC梁疲劳性能的本构模型,并利用有限元软件ABAQUS进行了求解。考虑温度-海水环境下CFRP加固RC梁主筋失效及界面剥离两种破坏模式,引入疲劳破坏准则,建立了加固梁的疲劳寿命预测模型,该模型可以对加固梁的疲劳寿命及破坏模式进行预测。根据现有试验数据对该模型的可靠性进行了验证,有限元与试验的静载结果相差最大为12.1%,疲劳荷载下的平均结果相差在20%以内,试验和理论结果符合较好。(2)利用本文所建立的模型对温度-海水环境下非预应力CFRP加固RC梁的疲劳性能进行了研究,结果表明:1)环境对加固梁的疲劳变形影响显著,随着温度和Na Cl浓度的升高,加固梁跨中挠度的增加变快;2)温度-海水环境会使得跨中处主筋和CFRP的应力增大,进而加快界面的损伤演化和钢筋的损伤累积,导致加固梁预期寿命的减少;3)不同的温度-海水环境以及荷载大小会导致CFRP加固RC梁出现不同的疲劳破坏模式,随着温度、Na Cl浓度和荷载的增大,其破坏模式由主筋断裂破坏逐渐转变为CFRP-混凝土界面剥离破坏。(3)利用本文所建立的模型对温度-海水环境下预应力CFRP加固RC梁的疲劳性能进行了研究,结果表明:1)疲劳荷载的增大对加固梁跨中挠度的增长速率的影响有限但对主筋和界面的损伤影响显著,随着荷载的增大,主筋和界面的损伤增长速率变快;2)预应力加固梁的疲劳寿命会随着荷载、温度和Na Cl浓度的提高而降低。当破坏模式为主筋断裂时,对CFRP施加预应力能提高加固梁的疲劳寿命,但在大荷载下这种提升会减弱,而当结构破坏模式转变为界面剥离时,加固梁寿命会随着预应力度的增大而减少;3)温度-海水环境对预应力加固梁界面损伤的影响相较非预应力更为显著。
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