FRP/SMA复合材料的热-力学性能与预应力激活机理研究

This program, involving the composite material science, mechanics and engineering structure, belongs to a basic subject of engineering application. Aiming at the problems of quickly repairing and strengthening for the damaged concrete elements, a new strengthened technique, overcoming the disadvantages of externally bonded fiber reinforced polymer (FRP) technique, such as low efficiency of FRP material, poor serviceability of strengthened element and debonding of FRP, is developed to promote the mechanical performance as well as the working ability of strengthened concrete elements. In this technique, two different types of new materials, i.e. FRP plate and shape memory alloy (SMA) fiber, are combined into a composited reinforcement layer externally bonded the damaged concrete elements for strengthening. The research works of this program focus on the thermal- mechanical property, temperature memory effect of SMA fiber and FRP/SMA composite and the activated mechanism of prestressing forces. Moreover, the loading transferring mechanisms of FRP/SMA composite need to be clarified. Furthermore, the model of restoring force must be understood significantly and the design method will be established for the action of prestressing and the prestress loss. These research results are believed to provide a new and an alternative way for the repairing or strengthening the defective concrete structures.

本项目属于应用研究的基础前沿学科，涉及复合材料学、力学及结构工程学。针对受损混凝土构件修复与加固问题，提出将FRP片材与SMA纤维相结合的复合加固技术，达到“快速修复”与“性能提升”的双重效果。该项技术通过升温激活SMA纤维，利用其形状记忆和回复效应，在FRP片材中产生预应力，克服了外贴普通非预应力FRP片材加固技术中材料利用率低、不能有效改善被加固构件的正常使用性能、FRP片材易于剥离等缺点。项目重点研究SMA纤维、FRP/SMA复合材料的热-力学性能、温度记忆效应及预应力激活机理，分析预应力生成机理，澄清SMA与FRP片材的耦合相互作用，提出FRP/SMA回复力模型，建立预应力作用效应与预应力损失计算分析方法，为混凝土结构的修复加固提供一个新的可选途径。

对于受损混凝土构件进行维修加固，需要解决两个突出问题：一是尽可能地闭合裂缝，或者限制裂缝发展，恢复其正常使用性能。二是提升承载能力，达到“恢复”和 “提升的目的。显然，要达到上述目标，一个有效的方法是引入外部预应力。然而现有技术仍然存在预应力施加工序繁琐，要专门设计张拉、锚固装置，操作空间受限，锚固长度过短时预应力损失较大等缺点。. 本项目采用FRP/SMA复合材料加固技术，针对FRP/SMA复合材料的热力学性能、温度可控记忆效应、预应力激活机理及预应力效应和预应力损失开展研究工作，包括5个方面内容：FRP/SMA复合材料制备工艺及优化设计；FRP/SMA复合材料的基本力学性能和超弹性能；FRP片材与SMA及FRP/SMA复合片材与混凝土的界面粘结性能；FRP/SMA复合材料的温度可控记忆效应；FRP/SMA复合材料的预应力激活机理、预应力效应及预应力损失。. FRP/SMA复合材料(I型)试样在单向静载作用下的拉伸力学性能结果表明，复合材料I型试件存在两种主要破坏模式，劈裂破坏和爆裂破坏。此外，复合材料的强度受结构形式的影响。FRP /SMA复合材料(II型)结果表明:在不同预应变量下，SMA丝能产生不同程度的回复应力，预应变6%的SMA丝加热至131℃时，最大恢复应力可达394.2 MPa；产生的回复应力可有效引入到FRP片材中。同时，提出了预测FRP /SMA复合材料(I型)的应力-应变关系和材料强度的预测模型，并提出了约束条件下SMA丝和FRP /SMA复合材料(II型)的回复应力-温度模型。结果表明，计算值与试验值吻合较好，该模型能有效预测复合材料的力学性能和可回复性能。. 申请者系统地研究FRP/SMA复合材料的热力学性能、预应力激活机理及温度可控形状记忆效应，澄清 FRP/SMA作为增强材料的传力机理，分析预应力效应及预应力损失以期初步建立FRP/SMA复合材料增强混凝土构件的基本原理。项目的完成可拓宽FRP材料在结构加固修复领域的应用范围，丰富FRP加固混凝土结构，发展和完善基于FRP材料的混凝土结构加固设计理论，为已有混凝土结构的安全、使用、耐久性能的设计提供新途径。项目具有广泛的应用前景，较强的科学研究价值以及明显的社会经济效益。