《碳纤维增强复合材料增强带裂缝混凝土破坏过程试验与理论研究》针对CFRP加固混凝土结构的裂缝扩展问题，从CFRP-混凝土界面黏结性能、CFRP加固混凝土结构断裂性能和预应力CFRP加固混凝土结构断裂性能三个方面开展研究。通过CFRP-混凝土界面双剪试验和预应力CFRP加固混凝土梁断裂试验，构建预应力CFRP加固混凝土梁断裂模型并给出断裂参数的计算公式。同时，分析CFRP-混凝土界面黏结滑移规律和裂缝扩展演化过程，研究应变率对CFRP加固混凝土结构的影响，探明预应力水平对CFRP加固混凝土断裂参数及裂缝扩展过程的影响规律。

目录
前言
第1章 绪论 1
1.1 概述 1
1.2 CFRP在混凝土加固中的研究现状 3
1.2.1 CFRP抗弯加固的研究现状 3
1.2.2 CFRP抗剪加固的研究现状 5
1.3 CFRP-混凝土界面黏结性能的研究现状 7
1.3.1 CFRP-混凝土界面黏结强度模型 7
1.3.2 CFRP-混凝土界面黏结滑移模型 11
1.4 预应力CFRP加固混凝土的研究现状 15
1.5 混凝土断裂性能的研究现状 16
1.5.1 虚拟裂缝模型 17
1.5.2 弹性等效裂缝模型 18
1.5.3 尺寸效应模型 18
1.5.4 双K断裂模型 19
1.5.5 新KR阻力*线模型 19
1.6 混凝土损伤断裂过程中的技术应用 20
1.6.1 数字图像相关方法 20
1.6.2 声发射技术 22
1.7 本书主要研究内容 23
参考文献 24
第2章 CFRP-混凝土界面黏结性能试验与理论 31
2.1 CFRP-混凝土界面黏结滑移本构模型 32
2.1.1 第1阶段：CFRP-混凝土界面弹性阶段 36
2.1.2 第2阶段：CFRP-混凝土界面弹性-软化阶段 37
2.1.3 第3阶段：CFRP-混凝土界面弹性-软化-剥离阶段 38
2.2 CFRP-混凝土界面双剪试验 39
2.2.1 试验设计及制作 39
2.2.2 试验测试内容 42
2.3 双剪试验结果与分析 44
2.3.1 荷载-位移*线 44
2.3.2 黏结滑移关系 45
2.3.3 界面断裂能 50
2.3.4 模型验证 51
2.4 本章小结 54
参考文献 55
第3章 CFRP加固混凝土结构断裂性能试验与理论 57
3.1 CFRP加固混凝土阻裂模型建立 58
3.2 CFRP加固混凝土梁断裂过程中CFRP-混凝土界面演化 60
3.2.1 第1阶段：CFRP-混凝土界面弹性阶段 60
3.2.2 第2阶段：CFRP-混凝土界面弹性-软化阶段 63
3.2.3 第3阶段：CFRP-混凝土界面弹性-软化-剥离阶段 66
3.3 CFRP加固不同初始裂缝深度混凝土断裂试验 68
3.3.1 试验概况 68
3.3.2 试验现象 69
3.4 断裂韧度计算方法 71
3.4.1 起裂韧度 72
3.4.2 阻裂韧度 74
3.4.3 失稳韧度 77
3.5 断裂试验结果与分析 79
3.5.1 界面应力 79
3.5.2 断裂韧度 81
3.5.3 临界缝高比增量 81
3.5.4 断裂损伤效应 82
3.5.5 柔度系数 83
3.5.6 相关性分析 84
3.6 本章小结 85
参考文献 86
第4章 CFRP加固混凝土结构损伤断裂演化过程 88
4.1 CFRP加固混凝土结构裂缝扩展阻力*线模型 89
4.1.1 CFRP加固混凝土KR阻力*线模型 89
4.1.2 CFRP加固混凝土GR阻力*线模型 95
4.2 CFRP加固不同初始裂缝深度混凝土动态断裂试验 100
4.3 动态断裂试验结果与分析 101
4.3.1 荷载-裂缝口张开位移*线 101
4.3.2 微裂纹区长度 105
4.3.3 有效裂缝扩展长度 107
4.3.4 断裂韧度 108
4.4 阻力*线计算结果分析 109
4.4.1 KR阻力*线结果分析 110
4.4.2 GR阻力*线结果分析 112
4.5 声发射测试结果分析 112
4.6 DIC测试结果分析 115
4.6.1 表面位移场和应变场演化 116
4.6.2 断裂过程区演化 119
4.7 本章小结 122
参考文献 123
第5章 黏结剂对CFRP加固混凝土结构断裂参数的影响 126
5.1 不同黏结剂的CFRP加固混凝土梁断裂试验 126
5.1.1 试验概况 126
5.1.2 试验测试过程 127
5.2 断裂试验结果与分析 128
5.2.1 试验现象 128
5.2.2 断裂能 130
5.3 DIC测试结果分析 131
5.3.1 位移场和应变场演化 131
5.3.2 裂缝尖端张开位移演化 137
5.3.3 断裂过程区演化 138
5.4 本章小结 140
参考文献 141
第6章 应变率对CFRP加固混凝土结构断裂参数的影响 142
6.1 不同加载速率的CFRP加固混凝土梁断裂试验 143
6.2 动态断裂试验结果与分析 144
6.2.1 断裂面 144
6.2.2 荷载-裂缝口张开位移*线 145
6.2.3 断裂参数 147
6.3 AE测试结果分析 151
6.3.1 AE振铃计数 151
6.3.2 AE峰值频率 153
6.3.3 AE能量 155
6.4 DIC测试结果分析 157
6.4.1 表面位移场和应变场演化 157
6.4.2 裂缝扩展演化 161
6.5 本章小结 165
参考文献 165
第7章 初始静载对CFRP加固混凝土结构断裂参数的影响 168
7.1 不同初始静载的CFRP加固混凝土梁断裂试验 169
7.2 动态断裂试验结果与分析 170
7.2.1 荷载-裂缝口张开位移*线分析 170
7.2.2 断裂参数分析 171
7.3 AE测试结果分析 175
7.3.1 AE振铃计数 175
7.3.2 AE撞击率 176
7.3.3 AE事件数 177
7.4 DIC测试结果分析 179
7.5 本章小结 183
参考文献 184
第8章 预应力CFRP加固混凝土结构断裂性能试验与理论 186
8.1 预应力CFRP加固混凝土断裂模型 187
8.1.1 放张过程分析 188
8.1.2 受载过程分析 191
8.2 预应力CFRP加固混凝土断裂试验 191
8.2.1 预应力施加装置 191
8.2.2 试验概况 195
8.3 不同加固方式的断裂试验结果与分析 196
8.3.1 荷载-裂缝口张开位移*线分析 196
8.3.2 断裂损伤变量分析 198
8.3.3 断裂韧度分析 199
8.3.4 AE参数分析 201
8.3.5 损伤状态分析 204
8.4 不同预应力水平的断裂试验结果与分析 205
8.4.1 荷载-裂缝口张开位移*线分析 205
8.4.2 有效预应力分析 207
8.4.3 断裂参数分析 208
8.4.4 AE参数分析 210
8.4.5 DIC测试结果分析 214
8.5 本章小结 217
参考文献 218

第1章 绪论
　　1.1 概述
　　我国是一个水利大国，尤其在西南、西北地区分布着大量水工建筑物。混凝土作为水工建筑物的基础材料，其开裂已成为水工结构工程的通病。由于施工质量、地震和海啸等多方面因素的影响，一些裂缝逐渐演变为有害裂缝，致使许多地区的水工混凝土建筑物发生了不同程度的损伤[1-4]。有害裂缝若不及时发现与治理，将进一步扩展，缩短工程寿命，甚至造成生命财产损失（图1.1）。若任其发展，后期补救代价将巨大。
　　图1.1 水工建筑物的开裂现象
　　据报道，发达国家有大量建设资金被投入到既有结构有害裂缝的检测与维修加固工作中。美国ASCE报告指出，工程后期维护费用是初期的5倍。因此，结合全球低碳经济的发展要求和水利工程的实际需求，亟须对现役带裂缝水工混凝土结构开展加固的研究工作，避免其继续受到损伤破坏而造成重大的经济损失甚至人员伤亡，这对提升我国水利工程的建设水平具有重要的理论指导意义。
　　自20世纪80年代以来，随着工程材料的不断发展，碳纤维增强聚合物基复合材料（carbon fiber reinforced polymer composite，CFRP composite，以下简称为CFRP）因其强度高、质量轻、耐腐蚀、吸水率低、耐水性强、改造成本低及施工便捷等优点[5-8]，广泛应用于土木、水利工程中。CFRP加固技术也逐渐成为一种备受关注的新型加固改造技术，相比于粘钢法、外包钢法、增大截面法以及体外预应力法等传统的加固方法，外贴CFRP加固技术具有施工方便、节省人力、耐久性好以及施工现场不需要大型设备等优势，因此得到众多国内外工程人员和科研学者的关注。
　　CFRP加固技术在水利工程中的应用主要是加固修复各类带裂缝的水工混凝土结构，如混凝土重力坝的坝踵、水工渡槽、水库泄洪洞及输水管等。此外，外贴CFRP加固技术除了应用于水工建筑物，还应用于具有特定功能的水工结构构件；这类构件对裂缝更为敏感，在使用寿命期间需要严格控制*大裂缝宽度，典型部位包括渡槽底部、水闸闸墩连接段及输水管道接缝。对于带裂缝的水工建筑物，采用外贴CFRP对其关键部位进行加固，能够有效阻止裂缝的扩展，并提高整体结构的强度和刚度[9，10]。然而，CFRP在水工建筑物中的应用基本处于起步阶段，其优越的性能使其在该领域展现出巨大的优势与发展潜力。因此，深入研究CFRP加固带裂缝水工混凝土结构的力学性能，尤其是断裂性能，显得尤为重要。
　　在对混凝土结构开裂问题的研究中，传统的混凝土强度理论存在明显局限，因此混凝土损伤力学和断裂力学[11，12]应运而生，并广泛应用于混凝土裂缝扩展和结构断裂问题的研究，取得了一系列重要成果。然而，以往的研究大多立足于普通混凝土的裂缝扩展特性，而对CFRP加固混凝土结构阻裂问题的研究鲜有报道。事实上，CFRP对带裂缝混凝土的阻裂作用具有强烈的非线性，其机理较为复杂，如CFRP-混凝土界面的黏结滑移关系、CFRP作用下的裂缝扩展特性以及裂缝对界面黏结性能的影响等一系列科学问题，均需开展系统的研究。鉴于此，本书从CFRP-混凝土界面黏结性能出发，分析其界面的演化规律，构建CFRP加固带裂缝混凝土梁的阻裂模型，开展复杂条件下CFRP加固带裂缝混凝土结构的阻裂性能、裂缝扩展特性及损伤劣化机理研究，为评价CFRP加固后带裂缝混凝土结构的安全性与耐久性提供工程指导，并对防范重大灾害事故具有重要的理论意义和工程价值。
　　FRP是由纤维材料和基体材料按一定比例混合加工而成的一种高性能纤维复合材料[13-15]。根据纤维材料的不同，可分为玻璃纤维增强复合材料（GFRP）、玄武岩纤维增强复合材料（BFRP）、芳纶纤维增强复合材料（AFRP）以及碳纤维增强复合材料（CFRP）等。不同种类FRP的材料特性如表1.1所示。由于碳纤维增强复合材料具有强度高、耐腐蚀、耐疲劳、热膨胀系数低等优点[16，17]，可长期维持在工作状态，不易变形或断裂，其性能优于其他纤维增强复合材料，在水利、土木等实际工程中应用较多。
　　基于国内外大量文献，本章总结了CFRP加固领域的四个研究方向：CFRP在混凝土加固中的研究现状、CFRP-混凝土界面黏结性能的研究现状、预应力CFRP加固混凝土的研究现状以及混凝土断裂性能的研究现状，并指出目前研究存在的问题与不足。
　　1.2 CFRP在混凝土加固中的研究现状
　　CFRP加固混凝土结构的研究*早于1982年在瑞士联邦材料实验室开展。此后，美国、日本、欧洲、新加坡以及我国等多所高校和科研机构相继开展了相关研究工作，进行了大量关于CFRP加固混凝土结构承载力[18，19]、抗震[20-22]、断裂[23，24]、抗剪[25，26]及耐久[27，28]等力学性能的试验研究和理论分析，取得了大量的重要研究成果。根据受力状态，CFRP加固大致可分为抗弯加固和抗剪加固两种。
　　1.2.1 CFRP抗弯加固的研究现状
　　采用 CFRP 对混凝土梁进行抗弯加固的一般做法是沿混凝土梁底部纵向黏结CFRP片材（偶尔在端部采取U形锚固措施）。然而，在大量的现场试验和实验室研究中发现，采用该方法对含缺陷的混凝土结构进行加固时，往往会出现多种类型的破坏模式[29，30]，主要有7种类型，分别如下：
　　（1）CFRP被拉断而导致的弯*破坏，如图1.2（a）所示；
　　（2）混凝土梁顶部受压区被压碎而导致的弯*破坏，如图1.2（b）所示；
　　（3）CFRP-混凝土界面发生端部剥离而导致的弯*破坏，如图1.2（c）所示；
　　（4）混凝土底部保护层脱落而导致的弯*破坏，如图1.2（d）所示；
　　（5）跨中裂缝扩展引起的界面剥离而导致的弯*破坏，如图1.2（e）所示；
　　（6）跨中弯剪裂缝引起的界面剥离而导致的弯*破坏，如图1.2（f）所示；
　　（7）CFRP加固混凝土梁因剪切承载力不足而导致的破坏，如图1.2（g）所示。
　　现阶段，国内外众多学者针对CFRP加固混凝土梁的研究也主要基于以上7 种破坏类型开展。
　　图1.2 CFRP加固混凝土梁破坏模式
　　Maalej等[31，32]考虑三种不同混凝土梁的裂缝深度以及两种不同CFRP片材的厚度，开展了17根CFRP加固混凝土梁的三点弯*试验，研究了CFRP端部的界面剪应力集中现象及CFRP加固混凝土梁整个构件的破坏模式，并提出了中间裂缝引起的界面脱黏和界面剪切分析模型。此外，通过分析脱黏破坏的条件，设计出了CFRP加固钢筋混凝土梁的*优方法。Toutanji等[33]基于CFRP和混凝土界面之间黏结破坏的现有研究，开展了12根CFRP加固混凝土梁的界面破坏试验，研究了混凝土强度和CFRP用量对CFRP-混凝土界面黏结极限承载力的影响，并提出了界面黏结破坏预测模型。Al-Rousan等[34]通过非线性有限元分析，研究了CFRP在加固热损伤钢筋混凝土梁柱节点方面的结构性能及其对破坏模式的调控效率，从破坏模式、应力分布、拉拔与推覆极限荷载及相应位移、水平荷载-位移*线、水平荷载-位移包络线、位移延性、耗能和刚度退化等方面对结构性能进行了评估，结果表明采用CFRP加固热损伤钢筋混凝土梁柱节点的技术可提高其循环性能。Hassanen等[35]针对承受侧向荷载的钢筋混凝土梁，确定了7种可能的弯*破坏模式，并采用外贴CFRP进行抗弯加固，定量确定了与各种失效模式转换（即变化）相关的CFRP弹性模量临界值，探明了CFRP弹性模量变化对CFRP加固钢筋混凝土梁破坏模式的影响。
　　夏培秀等[36]对CFRP加固带裂缝混凝土梁在集中荷载作用下的内部裂缝扩展、破坏模式及极限承载力进行了数值模拟，从极限承载力和破坏模式两方面探讨了CFRP片材的加固机理，给出了荷载-位移*线和破坏过程的*小主应力分布图，并提出了一种研究CFRP片材加固带裂缝混凝土构件力学性能和破坏机理的新方法。魏洋等[37]开展了CFRP加固钢筋混凝土矩形柱的破坏试验，发现：CFRP加固钢筋混凝土矩形柱可以改变试件的破坏模式；随着加固量的不同，可能发生脆性剪切破坏、延性剪切破坏和弯*破坏三种模式，提出了CFRP加固钢筋混凝土矩形柱破坏模式的判别方法。Chen等[38]通过拉拔试验研究了CFRP和混凝土之间的黏结行为，观测了CFRP与混凝土黏结接头的脱黏全过程，推导了黏结接头极限荷载的公式，这为直接应用于实际工程提供了可能性。Lu等[39]评估了剥离破坏对CFRP加固钢筋混凝土梁响应的影响，开发了一种考虑混凝土与CFRP层合板黏结滑移的非线性钢筋混凝土梁单元，用于分析多个试件并研究其相应的破坏模式，还用于研究钢筋混凝土简支梁脱黏破坏后CFRP抗拉强度折减系数，提出了解决因脱黏破坏导致CFRP强度降低问题的新方法。顾冬生等[40]系统研究了CFRP加固柱的破坏模式以及CFRP应变发展规律，发现当CFRP加固混凝土圆柱从弯剪破坏向弯*破坏过渡时，CFRP应变发展规律会发生显著变化。基于此，给出了CFRP加固混凝土圆柱的有效极限应变建议值，并给出判别CFRP加固混凝土圆柱破坏模式的方法。
　　1.2.2 CFRP抗剪加固的研究现状
　　由于CFRP材料在纤维方向上具有很高的抗拉强度，所以可根据需要沿*有利于控制剪切裂缝的方向布置纤维。对于混凝土梁的抗剪加固，CFRP的黏结方式有多种[41，42]，如在混凝土梁两侧黏结CFRP、在梁两侧及受拉面采用CFRP进行U形黏结或者沿整个梁界面封闭环绕式黏结CFRP，这三种黏结方式的示意图如图1.3所示。此外，抗剪加固可以采用CFRP条带间隔黏结或连续满贴方式，同时CFRP的纤维方向也可有不同选择。
　　图1.3 CFRP抗剪加固黏结方式的示意图
　　CFRP抗剪加固的破坏基本过程如下：
　　（1）加载早期至斜裂缝出现前，CFRP应变较低，对抗剪承载力贡献很小；
　　（2）当斜裂缝出现后，与裂缝相交的CFRP应变开始明显增加，其作用逐渐增强，一般规律是：斜裂缝中部应变*大，顶部和底部*小；
　　（3）当钢筋屈服之后，CFRP应变继续增加。当达到剥离荷载时，CFRP从斜裂缝两侧开始逐步剥离，剥离范围由斜裂缝向梁顶和梁底扩展，*终导致破坏。
　　与斜裂缝相交的CFRP应变并非均匀分布。由于裂缝两侧CFRP总滑移量等于裂缝宽度，而裂缝宽度沿斜裂缝方向分布不均匀，因此CFRP的应变也沿斜裂缝方向变化。在外贴CFRP抗剪加固剥离破坏中，影响CFRP抗剪贡献的核心问题为：CFRP应力分布和CFRP-混凝土界面黏结性能。前者主要与粘贴方式和斜裂缝开展宽度有关，后者主要与相对粘贴长度和混凝土强度有关。
　　CFRP抗剪加固的作用机理与箍筋类似。为简化计算，大多数的抗剪承载力计算模型将混凝土、箍筋、CFRP三者承担的抗剪承载力直接相加：
　　（1.1）
　　式中，Vu为梁的极限抗剪承载力；Vc为混凝土提供的抗剪承载力；Vs为内部箍筋提供的抗剪承载力；Vf为CFRP提供的抗剪承载力。混凝土提供的抗剪承载力可以按照现有的规范进行计算，而CFRP提供的抗剪承载力主要依赖不同模型进行计算，各模型之间的差异本质上在于如何确定CFRP的抗剪贡献。
　　鉴于此，国内外学者对CFRP加固混凝土抗剪性能开展了大量的试验研究、理论分析以及数值模拟。Mosallam等[43]开展了CFRP加固钢筋混凝土梁抗剪强度试验，发现CFRP抗剪加固可显著提高混凝土梁的极限强度，并根据ACI440分析模型确定了CFRP加固钢筋混凝土梁抗剪性能的影响因素，探明了剪切跨高比是控制梁剪切破坏模式的重要因素。Bianco等[44]提出一个三维力学模型，用于模拟CFRP加固钢筋混凝土梁在整个加载过程中的抗剪强度贡献，揭示了试验条件下影响抗剪贡献的因素，分析了复杂现象，如黏结转移力和混凝土断裂之间的相互作用，以及相邻CFRP条带之间的相互作