基于疲勞性能的碳纖維筋錨固系統(tǒng)可靠性設計理論研究

相對傳統(tǒng)鋼材，碳纖維復合材料（CFRP）在大跨預應力結構應用中具有顯著優(yōu)勢。然而，CFRP筋因抗剪強度低而錨固困難，尤其是其錨固系統(tǒng)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(qū)應力分布的通用模型。通過參數(shù)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(yōu)；在一定范圍內提高內錐角、降低粘結介質的彈性模量，或者采用遞變粘結介質，均有助于優(yōu)化錨固區(qū)的應力分布。此外，本項目建議Smith失效準則可用于粘結型錨固系統(tǒng)，提出了復合型錨固系統(tǒng)的錨固力計算模型。 本項目研究了CFRP筋粘結型錨具在循環(huán)荷載下的結構響應、疲勞損傷規(guī)律和機理。研究表明，當應力幅不超過錨固系統(tǒng)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(huán)加載會使錨固系統(tǒng)更加穩(wěn)定；而且，在此范圍內增大應力幅將使錨固系統(tǒng)更快達到重新穩(wěn)定狀態(tài)；加載頻率對粘結型錨固系統(tǒng)錨固區(qū)的溫度變化產生影響，當加載頻率在10Hz以上時，增大頻率會導致錨固區(qū)在加載的早期和中期產生劇烈的溫度上升；錨固區(qū)的溫升與結構內部損傷存在內在的聯(lián)系，故溫升可視為結構內部損傷嚴重程度的標志。 研究了CFRP筋復合型錨固系統(tǒng)在拉-拉循環(huán)加載中的荷載-滑移關系、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)-應變關系、疲勞失效模式、錨固區(qū)的溫升等變化規(guī)律。結果表明，應力比與最大應力水平對錨固區(qū)的損傷、錨固系統(tǒng)的協(xié)同效應和以及系統(tǒng)是否能重新穩(wěn)定具有重要的影響；復合型錨固系統(tǒng)與粘結型錨固系統(tǒng)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(xiàn)場試驗與數(shù)值模擬方法，對比了CFRP長索與鋼索兩者應用于超大跨斜拉橋時在非線性靜/動力特征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(yōu)。 2100433B

與傳統(tǒng)纜索材料相比，碳纖維增強復合材料（CFRP）在超大跨橋梁的應用中具有諸多優(yōu)勢，而耐疲勞性能良好的錨固系統(tǒng)是此應用的重要前提。本項目以靜載錨固性能較優(yōu)的復合型錨固系統(tǒng)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(xié)同工作原理和錨具的極限錨固力計算模型；基于相似原理、復合材料力學和疲勞理論，借助筋材及其錨固系統(tǒng)的疲勞試驗，并結合本校人行斜拉橋CFRP索錨固系統(tǒng)的長期監(jiān)測結果，研究處于徑向靜載和縱向拉-拉疲勞荷載下CFRP筋的疲勞損傷機理和規(guī)律，分析CFRP筋錨具組裝件的設計參數(shù)、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筋復合型錨固系統(tǒng)的疲勞失效機理，建立其疲勞壽命預測模型，優(yōu)化錨固系統(tǒng)的設計參數(shù)；進而借助結構可靠度理論，研究CFRP筋錨固系統(tǒng)的疲勞可靠性，建立其疲勞可靠性設計理論。預期成果對推動FRP在超大跨橋梁纜索中的應用具有重要意義。

混成系統(tǒng)是近些年來學術研究的熱點領域之一，其主要特征表現(xiàn)為物理進程和計算進程的深度融合，廣度交互，混成系統(tǒng)的異構性、復雜的時間約束性、一定的時間可預測性、更高的安全性以及交互的復雜性和不可預測性，給這類系統(tǒng)的描述、設計、分析和驗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)已成為國內外工業(yè)界和學術界的難題之一。本項目發(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，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)則轉化為規(guī)范型，從而將程序行為的語義分析轉化為程序規(guī)范型的語法分析，為混成系統(tǒng)的分析和驗證提供堅實的語義基礎。研究了混成系統(tǒng)的中斷機制，構造中斷程序的描述語言和語義模型，發(fā)展了混成系統(tǒng)中斷機制的分析方法和驗證技術，如：中斷程序的總體執(zhí)行時間、不同中斷類型的中斷點檢查以及中斷次數(shù)統(tǒng)計。運用提出的建模技術，對自動駕駛、車聯(lián)網、多智能體等實例系統(tǒng)進行建模和分析，為其他類型混成系統(tǒng)的分析和驗證提供了參考和思路。該項目共發(fā)表學術論文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。

本項目擬瞄準重大研究計劃培育項目中優(yōu)先資助領域：抗災設計理論。針對斜拉橋、懸索橋等大跨度橋梁結構，根據大跨度橋梁壽命期內組成結構各部分的重要性、可檢性、可修性和可換性以及地震破壞后橋梁結構修復工作（搶修）的難易程度和結構所能承受的損傷、破壞風險，初步建立大跨度橋梁基于性能的抗震設計理論和方法，實現(xiàn)對大跨度橋梁工程地震災變合理有效控制，提升大跨度橋梁結構防災減災能力。重點研究內容為：（1）地震作用下，大跨度橋梁主要結構構件的損傷與性能目標的定量關系；（2）大跨橋梁結構地震易損性分析和地震損傷、破壞風險；（3）大跨橋梁抗震設防標準與相應的性能要求；（4）大跨橋梁基于性能抗震設計方法。 2100433B