基于实验和无网络重整化的CFRP–SSC–UHPC板材的失效演化研究

《Journal of Building Engineering》：Failure evolution of CFRP–SSC–UHPC panels based on experiments and network-free renormalization

本研究通过结合碳纤维增强聚合物（CFRP）筋材与超高性能混凝土（UHPC），并采用热力学失效分析理论及实测应变数据，建立了分析CFRP-SSC-UHPC板应力状态演化的矩阵和特征参数模型。通过四种加载条件（轴向受弯、固定端支撑、三点和四点弯曲）的系统试验与模拟，揭示了其失效演化规律，验证了相变荷载点（FS）的稳定性（方差3.22-7.3），为FRP-UHPC结构设计提供量化参考。

　　

作者：Rui Zhe | Wei Zhou

哈尔滨工业大学土木工程学院，中国哈尔滨 150090

摘要

轻质混凝土结构面临诸多挑战。由于钢筋直径和混凝土保护层厚度的限制，混凝土和钢筋难以实现轻量化。为了保持结构稳定性，需要增加材料用量，因为混凝土结构的失效行为难以量化。通过将碳纤维增强聚合物（CFRP）筋和织物与超高性能混凝土（UHPC）结合，研究人员开发出了薄壁混凝土构件。由于对定量失效分析的高需求，薄壁混凝土结构的应用仍然有限。本研究利用热力学失效分析理论和实测应变数据，建立了用于分析CFRP-SSC-UHPC面板应力状态演变的矩阵和特征参数。本文系统地分析了CFRP-SSC-UHPC面板的失效机制，重点研究了四种特定加载条件：轴向力引起的弯曲、固定端支撑、三点弯曲和四点弯曲。四种加载条件下相变载荷FS点的方差分别为4.9、4.27、3.22和7.3，显示出优异的稳定性。利用模态和特征参数曲线的演化特性，本研究旨在确定不同加载条件下面板的失效载荷，从而为FRP-UHPC面板组件的失效分析提供新的视角。鉴于相变载荷E的特性，它可作为FRP-UHPC面板的设计参考点。

引言

在混凝土工程中，使用轻质混凝土结构已成为一个重要的发展趋势[1]。随着超高性能混凝土（UHPC）和几种新型轻质混凝土材料的发展[2]，轻质混凝土结构解决方案变得可行。在混凝土材料领域，研究人员通过研究纤维含量[3]和材料微观结构[4]等因素，进一步奠定了构建轻质混凝土结构的基础。此外，对UHPC梁的失效机制的研究为面板类结构的研究提供了基础，并总结了有效利用UHPC在受弯构件中的方法。关于FRP-UHPC复合梁的研究也非常广泛。例如，Majid[5]证明FRP可以防止FRP-UHPC梁的局部开裂，同时提高其承载能力和延性。Ahmed[6]测试了FRP增强构件的抗剪性能，并提出了相应的抗剪设计公式。在特定应用中，粘结区的疲劳损伤机制也引起了研究人员的关注[7]。最近，基于AI的FRP抗剪性能预测技术也得到了发展[8]。为了解释FRP网格在UHPC中的增强和增韧机制，Mao等人[9]提出了实验和理论分析。FRP增强的初步应用场景主要集中在增强混凝土结构上[10]。Zhang等人[11]研究了织物类型、锚固方法和粘合剂类型对混凝土梁抗剪性能的影响。Rajai等人[12]研究了锚固方案对碳纤维增强混凝土面板极限承载能力的影响，解释了锚固如何提高增强方案的性能。此外，Rajai等人[13]使用热损伤混凝土板测试了增强方案的弯曲性能[13]和抗冲剪性能[14]。

近年来，研究人员和工程师越来越熟悉FRP-UHPC组件的性能。他们发现，开发薄壁FRP-UHPC组件比将其用于增强梁构件或增强方案更能发挥这种复合材料的优势。Zeng研究了轴向加载下薄壁FRP-UHPC管状结构的失效机制[15]，然后开发了新型FRP-UHPC管状构件，并研究了其在弯曲和压缩加载下的失效机制[16]。同时，FRP-UHPC面板越来越多地被用作建筑工程中的墙板，从而促使对其失效机制进行了大量研究。Zeng研究了不同纤维类型增强FRP-UHPC面板的弯曲失效，通过研究纤维-基体相互作用微观结构来更好地理解其宏观力学行为。研究人员开发了空间尺寸更小的FRP织物-UHPC面板，通过弯曲和拉伸试验证明了FRP织物在提高薄板抗弯和抗拉强度方面的优越性能[17]。Meng研究了FRP与UHPC之间的粘结强度，通过拉伸和推拉试验确定了织物与UHPC完全粘结所需的长度[18]。越来越多的FRP-UHPC面板被用于防护结构，从而积累了关于抗冲击性能和失效机制的研究。对于FRP网格增强UHPC板，Liao提出了基于抗剪试验的新抗剪能力模型[19]。Alnemrawi研究了FRP在增强热损伤板中的性能，并提供了关于延性和承载能力提升的定量结果[20]。

基于上述关于FRP-UHPC组件失效的研究，我们得出结论：CFRP-UHPC面板通常表现出剪切、弯曲和拉伸性能的不匹配，这使得它们在实际工程应用中较为脆弱。FRP织物-UHPC面板的失效模式与钢筋混凝土面板不同。将失效机制研究直接应用于钢筋混凝土面板会忽略一些关键因素，例如：由于织物和钢筋之间的机械性能差异导致的不同失效机制；失效过程中织物与开裂混凝土之间的磨损。这些因素可以归结为混凝土与FRP织物之间的非线性相互作用。此外，几何非线性显著影响薄壁混凝土结构的失效分析。这些因素的结合使得研究FRP-UHPC面板的失效机制并量化失效变得更加困难，从而限制了其在土木工程中的应用范围。

对于钢筋混凝土结构的工程问题，现有的解决方法（如建立有限元模型或基于失效机制的工程分析模型）是合适的。然而，由于上述问题，薄壁混凝土结构在失效研究中面临更大的挑战。根据结构应力状态理论，我们可以从系统和演化的角度来理解结构失效。这一理论的一个重要进展是开发了一种无网络的重整化表征方法及其相应的相变载荷计算方法。该方法已应用于钢[21]、[22]、[23]、复合材料[24]、[25]和路面结构[26]、[27]等案例，为结构失效提供了新的视角。

为了研究CFRP-UHPC面板的失效模式并评估其在更广泛加载条件下的性能，本研究对预轴载和固定端CFRP-UHPC面板进行了弯曲试验。此外，还开发了这些情况的仿真模型以研究其失效机制。此外，本研究基于应力状态理论，结合作者之前的实验数据[28]和本研究的额外实验案例，从系统和演化的角度展示了CFRP-SSC-UHPC面板在四种加载条件下的失效模式。本研究使用无网络的重整化方法来表征CFRP-SSC-UHPC面板的应力状态，并提供定量失效分析结果。因此，这些案例研究为从演化和系统的角度进行结构失效分析提供了宝贵的见解。

应力状态理论

应力状态理论从演化和系统的角度解释了工程结构的失效机制。由于该理论结合了热力学和复杂性科学概念，因此被认为是一种基于热力学的失效理论。应力状态理论中使用的术语和定义可以在参考文献[29]中找到。简而言之，应力状态模式描述了整个工程结构或部分结构的应力状态的演变过程。

实验和仿真概述

在本研究中，我们旨在将应力状态理论应用于不同加载条件下的CFRP-SSC-UHPC面板，以从演化和系统的角度确定其失效特征。案例1（轴向载荷下的弯曲面板）和案例2（CFRP-SSC-UHPC的固定加载面板）是本工作的组成部分，而案例3（三点弯曲CFRP-SSC-UHPC面板）和案例4（四点弯曲CFRP-SSC-UHPC面板）与参考文献[28]中的实验相关。材料、试样等

测试和仿真

在进行具体的失效演化分析并使用网络重整化方法揭示相变载荷之前，本研究的一个原创贡献是实验和仿真部分，这里将简要说明。

图7和图8展示了施加轴向力的CFRP-SSC-UHPC面板的三维示意图和照片。图7(a)和图8(a)展示了这种施加轴向力的方法。

失效机制

从板件受载到失效的整个过程中，载荷-位移曲线记录了这一过程。根据加载条件，载荷-位移曲线分为四个阶段：弹性阶段（起点E点）、刚度下降阶段（E点-P点）、极限失效阶段（P点-Q点）和衰减阶段（Q点-U点）。在弹性阶段，载荷-位移曲线表现出近似线性行为。

结论

本研究的目的是探索轻质混凝土结构解决方案，并定量分析混凝土结构的失效。通过进行三点弯曲和四点弯曲（之前的测试）、轴向加载和固定支撑弯曲测试/FEM，我们研究了CFRP-SSC-UHPC面板的失效机制。作为下一步，我们应用了无网络重整化和表征方法以及聚类算法来研究失效演化模式。

作者贡献声明

Rui Zhe：撰写——原始草稿、可视化、软件、资源、方法论、调查、形式分析、数据整理、概念化。Wei Zhou：撰写——审稿与编辑、验证、监督、项目管理、资金获取

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

数据可用性

数据可根据请求提供。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢

在本研究中，国家自然科学基金（NSFC）提供了支持（资助编号52178126）。作者衷心感谢哈尔滨工业大学对实验工作的支持。特别感谢Shen Zijie、Li Zhihao、Li Hao、Deng Ziyu、Sun Wenze、Wang Jiawei、Li Han、Zhang Yiwen和Li Sen在测试前和测试期间的奉献和帮助。