基于疲勞性能的碳纖維筋錨固系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)理論研究

相對傳統(tǒng)鋼材，碳纖維復(fù)合材料（CFRP）在大跨預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)應(yīng)用中具有顯著優(yōu)勢。然而，CFRP筋因抗剪強(qiáng)度低而錨固困難，尤其是其錨固系統(tǒng)的錨固機(jī)理及疲勞性能的研究仍未得到足夠重視。 本項(xiàng)目研究了直筒型粘結(jié)型錨具、內(nèi)錐-直筒粘結(jié)型錨具和直筒-內(nèi)錐-直筒型錨具等三種錨具的靜力錨固性能，建立了錨固區(qū)應(yīng)力分布的通用模型。通過參數(shù)分析得出結(jié)論：內(nèi)錐長/直筒長=4:1~2:1的內(nèi)錐-直筒粘結(jié)型錨具在三者中錨固性能最優(yōu)；在一定范圍內(nèi)提高內(nèi)錐角、降低粘結(jié)介質(zhì)的彈性模量，或者采用遞變粘結(jié)介質(zhì)，均有助于優(yōu)化錨固區(qū)的應(yīng)力分布。此外，本項(xiàng)目建議Smith失效準(zhǔn)則可用于粘結(jié)型錨固系統(tǒng)，提出了復(fù)合型錨固系統(tǒng)的錨固力計(jì)算模型。 本項(xiàng)目研究了CFRP筋粘結(jié)型錨具在循環(huán)荷載下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)、疲勞損傷規(guī)律和機(jī)理。研究表明，當(dāng)應(yīng)力幅不超過錨固系統(tǒng)極限強(qiáng)度的10%時(shí)且最大應(yīng)力水平不超過極限強(qiáng)度的50%時(shí)，循環(huán)加載會使錨固系統(tǒng)更加穩(wěn)定；而且，在此范圍內(nèi)增大應(yīng)力幅將使錨固系統(tǒng)更快達(dá)到重新穩(wěn)定狀態(tài)；加載頻率對粘結(jié)型錨固系統(tǒng)錨固區(qū)的溫度變化產(chǎn)生影響，當(dāng)加載頻率在10Hz以上時(shí)，增大頻率會導(dǎo)致錨固區(qū)在加載的早期和中期產(chǎn)生劇烈的溫度上升；錨固區(qū)的溫升與結(jié)構(gòu)內(nèi)部損傷存在內(nèi)在的聯(lián)系，故溫升可視為結(jié)構(gòu)內(nèi)部損傷嚴(yán)重程度的標(biāo)志。 研究了CFRP筋復(fù)合型錨固系統(tǒng)在拉-拉循環(huán)加載中的荷載-滑移關(guān)系、能量釋放率變化、殘余承載力、疲勞加載后的套筒及筋材的循環(huán)次數(shù)-應(yīng)變關(guān)系、疲勞失效模式、錨固區(qū)的溫升等變化規(guī)律。結(jié)果表明，應(yīng)力比與最大應(yīng)力水平對錨固區(qū)的損傷、錨固系統(tǒng)的協(xié)同效應(yīng)和以及系統(tǒng)是否能重新穩(wěn)定具有重要的影響；復(fù)合型錨固系統(tǒng)與粘結(jié)型錨固系統(tǒng)的疲勞損傷機(jī)理有異，且前者具有更好的抗疲勞性。 結(jié)合小尺度現(xiàn)場試驗(yàn)與數(shù)值模擬方法，對比了CFRP長索與鋼索兩者應(yīng)用于超大跨斜拉橋時(shí)在非線性靜/動(dòng)力特征上的差異和抗風(fēng)性能，尤其是CFRP索等剛度替換鋼索時(shí)對提高結(jié)構(gòu)基頻、扭轉(zhuǎn)振動(dòng)頻率和彎扭頻率比等的影響，結(jié)果顯示CFRP索動(dòng)力性能更優(yōu)。 2100433B

與傳統(tǒng)纜索材料相比，碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（CFRP）在超大跨橋梁的應(yīng)用中具有諸多優(yōu)勢，而耐疲勞性能良好的錨固系統(tǒng)是此應(yīng)用的重要前提。本項(xiàng)目以靜載錨固性能較優(yōu)的復(fù)合型錨固系統(tǒng)為研究對象，在已有研究基礎(chǔ)上，結(jié)合彈性力學(xué)理論研究錨具組裝件協(xié)同工作原理和錨具的極限錨固力計(jì)算模型；基于相似原理、復(fù)合材料力學(xué)和疲勞理論，借助筋材及其錨固系統(tǒng)的疲勞試驗(yàn)，并結(jié)合本校人行斜拉橋CFRP索錨固系統(tǒng)的長期監(jiān)測結(jié)果，研究處于徑向靜載和縱向拉-拉疲勞荷載下CFRP筋的疲勞損傷機(jī)理和規(guī)律，分析CFRP筋錨具組裝件的設(shè)計(jì)參數(shù)、粘結(jié)介質(zhì)厚度、疲勞應(yīng)力幅和平均拉應(yīng)力水平等因素對疲勞性能的影響，揭示CFRP筋復(fù)合型錨固系統(tǒng)的疲勞失效機(jī)理，建立其疲勞壽命預(yù)測模型，優(yōu)化錨固系統(tǒng)的設(shè)計(jì)參數(shù)；進(jìn)而借助結(jié)構(gòu)可靠度理論，研究CFRP筋錨固系統(tǒng)的疲勞可靠性，建立其疲勞可靠性設(shè)計(jì)理論。預(yù)期成果對推動(dòng)FRP在超大跨橋梁纜索中的應(yīng)用具有重要意義。

混成系統(tǒng)是近些年來學(xué)術(shù)研究的熱點(diǎn)領(lǐng)域之一，其主要特征表現(xiàn)為物理進(jìn)程和計(jì)算進(jìn)程的深度融合，廣度交互，混成系統(tǒng)的異構(gòu)性、復(fù)雜的時(shí)間約束性、一定的時(shí)間可預(yù)測性、更高的安全性以及交互的復(fù)雜性和不可預(yù)測性，給這類系統(tǒng)的描述、設(shè)計(jì)、分析和驗(yàn)證帶來了巨大的挑戰(zhàn)。如何保證信息物理融合系統(tǒng)的正確性業(yè)已成為國內(nèi)外工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的難題之一。本項(xiàng)目發(fā)展了一種混成系統(tǒng)的建模語言和基于事件的建模方法，引進(jìn)了when型程序和Until型程序分別用來處理離散行為變遷和連續(xù)模式切換，形式化地描述了混成系統(tǒng)的行為和性質(zhì)，提出了混成建模語言的若干語義模型，我們首先以公理化的方法描述基本原子反應(yīng)和組合算子的含義，探討混成建模語言的規(guī)范型，揭示了混成系統(tǒng)行為的基本模式，所有不同語法形式的混成程序都可以利用代數(shù)規(guī)則轉(zhuǎn)化為規(guī)范型，從而將程序行為的語義分析轉(zhuǎn)化為程序規(guī)范型的語法分析，為混成系統(tǒng)的分析和驗(yàn)證提供堅(jiān)實(shí)的語義基礎(chǔ)。研究了混成系統(tǒng)的中斷機(jī)制，構(gòu)造中斷程序的描述語言和語義模型，發(fā)展了混成系統(tǒng)中斷機(jī)制的分析方法和驗(yàn)證技術(shù)，如：中斷程序的總體執(zhí)行時(shí)間、不同中斷類型的中斷點(diǎn)檢查以及中斷次數(shù)統(tǒng)計(jì)。運(yùn)用提出的建模技術(shù)，對自動(dòng)駕駛、車聯(lián)網(wǎng)、多智能體等實(shí)例系統(tǒng)進(jìn)行建模和分析，為其他類型混成系統(tǒng)的分析和驗(yàn)證提供了參考和思路。該項(xiàng)目共發(fā)表學(xué)術(shù)論文12篇，其中SCI論文4篇，EI論文8篇，CCF B類論文3篇，CCF C類論文4篇。

本項(xiàng)目擬瞄準(zhǔn)重大研究計(jì)劃培育項(xiàng)目中優(yōu)先資助領(lǐng)域：抗災(zāi)設(shè)計(jì)理論。針對斜拉橋、懸索橋等大跨度橋梁結(jié)構(gòu)，根據(jù)大跨度橋梁壽命期內(nèi)組成結(jié)構(gòu)各部分的重要性、可檢性、可修性和可換性以及地震破壞后橋梁結(jié)構(gòu)修復(fù)工作（搶修）的難易程度和結(jié)構(gòu)所能承受的損傷、破壞風(fēng)險(xiǎn)，初步建立大跨度橋梁基于性能的抗震設(shè)計(jì)理論和方法，實(shí)現(xiàn)對大跨度橋梁工程地震災(zāi)變合理有效控制，提升大跨度橋梁結(jié)構(gòu)防災(zāi)減災(zāi)能力。重點(diǎn)研究內(nèi)容為：（1）地震作用下，大跨度橋梁主要結(jié)構(gòu)構(gòu)件的損傷與性能目標(biāo)的定量關(guān)系；（2）大跨橋梁結(jié)構(gòu)地震易損性分析和地震損傷、破壞風(fēng)險(xiǎn)；（3）大跨橋梁抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)與相應(yīng)的性能要求；（4）大跨橋梁基于性能抗震設(shè)計(jì)方法。 2100433B