范凌云，高 婧，李錦峰，周?？?，徐恭義,3

(1.廈門大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院，福建，廈門 361005；2.深圳大學(xué)城市智慧交通與安全運(yùn)維研究院，廣東，深圳 518060；3.中鐵大橋勘測(cè)設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，湖北，武漢 430050)

中、下承式拱橋是重要的橋梁結(jié)構(gòu)形式之一，它最主要的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)就是通過(guò)吊桿將橋面荷載傳遞到拱肋上?，F(xiàn)代橋梁的吊桿以高強(qiáng)鋼索為主，在隨機(jī)荷載與隨機(jī)介質(zhì)及其某些耦合下會(huì)出現(xiàn)腐蝕疲勞、應(yīng)力腐蝕、機(jī)械疲勞、氫脆等現(xiàn)象，導(dǎo)致構(gòu)件損傷，使用壽命縮短，甚至在運(yùn)營(yíng)期間發(fā)生斷裂破壞。國(guó)內(nèi)曾有多座中、下承式拱橋因吊桿斷裂而導(dǎo)致橋面系部分或全部垮塌，如四川宜賓小南門金沙江大橋、新疆孔雀河大橋、福建武夷山公館大橋、臺(tái)灣宜蘭南方澳跨港大橋等。另外，鋼吊桿使用壽命短于橋梁主體結(jié)構(gòu)，規(guī)范一般規(guī)定為20年，在橋梁全壽命周期內(nèi)不可避免地存在吊桿更換問(wèn)題，給使用增加了成本。CFRP(carbon fiber reinforced polymer)具有輕質(zhì)高強(qiáng)、抗腐蝕、耐疲勞、非磁性、低松弛、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)[1?3]，在風(fēng)電結(jié)構(gòu)及巖土工程等領(lǐng)域，采用CFRP作為錨索；在大跨結(jié)構(gòu)、橋梁工程等領(lǐng)域，采用CFRP索替代鋼索作為懸掛結(jié)構(gòu)拉索、大跨橋梁的懸索、斜拉索和吊索，其索體及錨固形式仍沿用鋼索的構(gòu)造[4?8]。

然而，研究結(jié)果表明，由于CFRP材料的剪切強(qiáng)度、層間拉伸強(qiáng)度和層間剪切強(qiáng)度僅為其抗拉強(qiáng)度的5%～20%，使得CFRP索的連接與錨固成為突出的問(wèn)題，而且錨具受力時(shí)受荷端索股表面壓應(yīng)力較大，容易出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，從而導(dǎo)致此處索股提前破斷，因而CFRP索股強(qiáng)度的發(fā)揮程度取決于對(duì)應(yīng)錨具的錨固性能，連接部位往往成為整個(gè)構(gòu)件或結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)，也成了應(yīng)用過(guò)程中急需解決的問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外近年相關(guān)領(lǐng)域的研究大都集中于CFRP索的錨具系統(tǒng)，但它的構(gòu)造形式?jīng)Q定了其本身必然存在著一些受力缺陷，且錨固系統(tǒng)尺寸和重量較大，在一定程度上阻礙了CFRP索(筋)的廣泛應(yīng)用[9?13]。

CFRP環(huán)帶索是將一條具有單向纖維的CFRP連續(xù)層帶，以類似于賽道的方式分層纏繞在2個(gè)分離的銷釘上，荷載通過(guò)銷釘進(jìn)行傳遞，層帶兩端采用熱塑性樹脂熱融與鄰近層連接[14]。CFRP環(huán)帶索除了能充分發(fā)揮其材料本身的優(yōu)勢(shì)外，還能夠?qū)崿F(xiàn)構(gòu)件的自錨，不需要其他的錨具等設(shè)備，體積小、施工及安裝簡(jiǎn)單，而且在構(gòu)件兩端可以很好地實(shí)現(xiàn)鉸接[15?17]。CFRP環(huán)帶目前在土木工程領(lǐng)域的應(yīng)用及研究?jī)H限于箱梁或T梁橋抗剪加固及建筑結(jié)構(gòu)抗震加固中，還有個(gè)別應(yīng)用于地錨中的相關(guān)研究[18?23]。趙斌等[24]提出了將CFRP索用于中、下承式拱橋吊桿中的設(shè)想，對(duì)將鋼索吊桿替換為CFRP吊索后的全橋受力性能變化進(jìn)行了對(duì)比分析，結(jié)果表明CFRP環(huán)帶吊索在拱橋中的應(yīng)用具有可行性。

本文通過(guò)鉸銷式CFRP環(huán)帶構(gòu)件的靜力拉伸試驗(yàn)，對(duì)CFRP環(huán)帶的極限承載能力和破壞模式進(jìn)行研究?；谠囼?yàn)結(jié)果利用ANSYS軟件建立了鉸銷式CFRP環(huán)帶的精細(xì)化有限元分析模型，研究CFRP環(huán)帶的整體受力性能及各層中的應(yīng)力分布情況，并進(jìn)行銷釘半徑、環(huán)帶厚度和摩擦系數(shù)等構(gòu)造參數(shù)的有限元參數(shù)分析，從而在試驗(yàn)的基礎(chǔ)上采用數(shù)值分析方法更深入地探究環(huán)帶受力特點(diǎn)，為CFRP環(huán)帶的后續(xù)利用奠定基礎(chǔ)。

1 試件準(zhǔn)備與試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)所用的碳纖維/環(huán)氧樹脂(CF-EP)預(yù)浸料是由Huntsman(Huntsman advanced materials GmbH,basel, Switzerland)生產(chǎn)的XB3515/Aradur 5021環(huán)氧樹脂基體材料和由Toho Tenax(Toho Tenax Europe GmbH, Wuppertal, Germany)生產(chǎn)的中等模量IMS60碳纖維組成。其中，環(huán)氧樹脂的極限強(qiáng)度為120 MPa～140 MPa，彈性模量為2900 MPa～3100 MPa，碳纖維的抗拉強(qiáng)度(縱向)為5600 MPa，彈性模量(縱向)為290 GPa。由上述2種材料結(jié)合而成的預(yù)浸帶由瑞士Carbo-Link AG公司生產(chǎn)，寬度為12 mm。該預(yù)浸帶的纖維體積含量為62%±2%，平均抗拉強(qiáng)度為2567 MPa±58 MPa，縱向(纖維平行)彈性模量為168 MPa±6.6 GPa，平均極限拉伸應(yīng)變?yōu)?.52%±0.23%。試件數(shù)量為4個(gè)，分別命名為FF145～FF 148。試驗(yàn)所用銷釘為鈦合金制作，銷釘半徑為10 mm，長(zhǎng)度為40 mm。試件如圖1所示，尺寸信息見表1。由于對(duì)稱纏繞，一端銷釘有7層預(yù)浸帶重疊而另一端為6層，層數(shù)不同使得繞兩端銷釘?shù)沫h(huán)帶總厚度不一致，環(huán)帶接頭在直線段上，表1中“CFRP環(huán)帶厚”的兩個(gè)數(shù)值便是此含義。

圖1 CFRP環(huán)帶構(gòu)造及纏繞示意Fig.1 Construction of CFRP straps

靜力拉伸試驗(yàn)在型號(hào)為Instron 1251的伺服液壓機(jī)上進(jìn)行，如圖2所示，環(huán)帶纏繞在2個(gè)銷釘上，銷釘固定在鋼制接合器中，通過(guò)鋼制接合器實(shí)現(xiàn)一端銷釘保持相對(duì)液壓機(jī)固定而另一端銷釘沿環(huán)帶縱向移動(dòng)加載。采用2 mm/min的位移控制，加載方向與環(huán)帶纖維的排列方向一致。試件的荷載位移值通過(guò)試驗(yàn)機(jī)連接的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)直接讀取。

圖2 實(shí)驗(yàn)裝置Fig.2 Experiment device

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 試驗(yàn)過(guò)程及破壞現(xiàn)象

CFRP環(huán)帶相較于一般CFRP索結(jié)構(gòu)不同，在受拉狀態(tài)下會(huì)發(fā)生分層現(xiàn)象，即層與層之間失去粘連，獨(dú)立工作。圖3為CFRP環(huán)帶從出現(xiàn)分層現(xiàn)象、持續(xù)破壞到失效破壞的全過(guò)程。試驗(yàn)過(guò)程中，隨著荷載的增大，層與層之間粘結(jié)效果下降，當(dāng)層間剪應(yīng)力超過(guò)環(huán)氧樹脂的極限時(shí)，分層現(xiàn)象出現(xiàn)，表現(xiàn)為CFRP層與相鄰的環(huán)氧樹脂層局部脫開；分層通常最先從直線段接頭處區(qū)域發(fā)生，隨后向曲線段延伸發(fā)展，此時(shí)環(huán)帶仍能繼續(xù)承載；之后經(jīng)過(guò)多次分層并伴隨縱向裂紋的產(chǎn)生和貫通，最后當(dāng)達(dá)到極限荷載時(shí)，試件在直、曲相交段發(fā)生脆性斷裂破壞。

圖3 試件破壞過(guò)程Fig.3 Specimen failure process

CFRP環(huán)帶是自錨結(jié)構(gòu)，CFRP層纏繞在銷釘上受力，與銷釘接觸的區(qū)域發(fā)生線形改變從而使得該區(qū)域的受力較為復(fù)雜，存在拉應(yīng)力和接觸應(yīng)力的綜合作用，故環(huán)帶與銷釘之間的作用對(duì)環(huán)帶的受力方式和破壞形式有重大影響。圖4為環(huán)帶破壞部位和加載后的銷釘。曲線段纖維破壞嚴(yán)重，斷裂面發(fā)生在直曲相交段。觀察銷釘表面，有磨損痕跡并殘留少量纖維，表明環(huán)帶與銷釘發(fā)生一定程度的磨損，導(dǎo)致碳纖維與基體材料的粘結(jié)力下降，環(huán)帶有效面積減少，極限抗拉強(qiáng)度降低。靜力拉伸試驗(yàn)中荷載作用時(shí)間短，磨損程度較小，對(duì)強(qiáng)度影響不大，但在疲勞試驗(yàn)中環(huán)帶與銷釘?shù)奈?dòng)磨損是影響疲勞壽命的重要因素。

圖4 試件破壞部位及銷釘表面Fig.4 Specimen damage spot and pin surface

2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

表1記錄了試驗(yàn)過(guò)程中的極限拉應(yīng)力以及對(duì)應(yīng)的應(yīng)變值。環(huán)帶極限抗拉強(qiáng)度平均值為2078.39 MPa，為試件制作廠商提供的直線預(yù)浸帶抗拉強(qiáng)度的81%。這表明由于曲線段和應(yīng)力集中現(xiàn)象的存在，荷載傳遞效率有所下降，環(huán)帶的極限抗拉強(qiáng)度會(huì)小于直線條帶。但不同制作工藝、環(huán)帶構(gòu)造參數(shù)(如接觸面的摩擦系數(shù)、曲線段曲率等)的不同，強(qiáng)度下降的比例各不相同。4個(gè)試件在拉伸過(guò)程中首次出現(xiàn)分層時(shí)的拉應(yīng)力值的平均值為1524.78 MPa，為環(huán)帶平均極限抗拉強(qiáng)度的73%。說(shuō)明第一次分層時(shí)，構(gòu)件已經(jīng)達(dá)到了很大程度上的破壞；分層現(xiàn)象出現(xiàn)之后試件很快破壞。

表1 CFRP環(huán)帶構(gòu)造尺寸及靜力拉伸實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 1 Dimensionsof CFRP strapsand experimental results

圖5為4個(gè)試件的試驗(yàn)荷載-位移曲線圖。各試件重復(fù)率較高，無(wú)明顯離散；環(huán)帶從加載到破壞，荷載-位移關(guān)系基本保持線性關(guān)系，與CFRP材料的本構(gòu)關(guān)系相符合。分層現(xiàn)象在曲線上表現(xiàn)為位移值于2.5 mm～3.0 mm時(shí)的波動(dòng)振蕩，對(duì)應(yīng)位移的荷載值出現(xiàn)突然的下降，之后繼續(xù)增加。雖然試件首次出現(xiàn)分層的荷載值略有不同，但基本規(guī)律保持一致；曲線的斜率前后保持不變，說(shuō)明分層現(xiàn)象對(duì)環(huán)帶的剛度并無(wú)影響。試件重復(fù)幾次振蕩，即經(jīng)歷多次分層后達(dá)到破壞，最后表現(xiàn)為基本無(wú)塑性變形的脆性破壞。

圖5 荷載-位移曲線圖Fig.5 Load-displacement curves

3 CFRP環(huán)帶數(shù)值模擬

3.1 環(huán)帶模型建立與驗(yàn)證

為更好的了解環(huán)帶拉伸過(guò)程中的應(yīng)力分布以及構(gòu)造參數(shù)對(duì)環(huán)帶強(qiáng)度的影響，采用有限元分析軟件ANSYS 15.0對(duì)環(huán)帶進(jìn)行數(shù)值模擬，在試驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上更加深入地研究環(huán)帶的受力特點(diǎn)。模型尺寸與試驗(yàn)試件相同。使用SHELL181單元將環(huán)帶模擬為7層CFRP和6層EPOXY逐層交替組成的13層或11層復(fù)合材料。對(duì)環(huán)帶和銷釘表面建立“接觸對(duì)(contact pair)”來(lái)模擬兩者的相互作用，銷釘選用鋼材，摩擦系數(shù)根據(jù)試驗(yàn)所用材料暫取為0.5。兩個(gè)鋼銷釘采用SOLID185單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，單元尺寸定為1.2 mm，采用掃略(sweep)網(wǎng)格劃分形式。CFRP環(huán)帶選用板殼單元SHELL181進(jìn)行網(wǎng)格劃分，單元大小定為1 mm，采用四邊形映射(quad,mapped)網(wǎng)格劃分形式。模型的單元總數(shù)為23 116個(gè)，環(huán)帶有限元模型如圖6所示。

圖6 CFRP環(huán)帶有限元模型Fig.6 FE model of CFRPstraps

在靜力拉伸試驗(yàn)中，隨著荷載的增大，環(huán)帶會(huì)出現(xiàn)分層現(xiàn)象，而在有限元計(jì)算中環(huán)帶是作為整體受力作用的，故在有限元計(jì)算中取試驗(yàn)發(fā)生分層現(xiàn)象之前的數(shù)據(jù)進(jìn)行二者的對(duì)比。圖7為有限元計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果，由于試驗(yàn)結(jié)果有一定的重疊性，為了方便對(duì)比只取FF145和FF146兩個(gè)試驗(yàn)試件。從圖中可知，有限元計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合度較高，從而驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性。

圖7 有限元計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比Fig.7 Comparison of FE model and experimental results

3.2 環(huán)帶應(yīng)力分布

圖8為1/4環(huán)帶部分從外側(cè)到內(nèi)側(cè)(對(duì)應(yīng)從上到下的順序)每一層上的應(yīng)力分布?？梢灾庇^地看出每層的縱向拉應(yīng)力最小值都發(fā)生在曲線段頂點(diǎn)，而最大值的位置在靠外3層上是在直線段接頭處(924 MPa)，在靠?jī)?nèi)3層則變?yōu)橹鼻嘟欢?875 MPa)。可知碳纖維最有可能在這兩個(gè)位置率先開始發(fā)生斷裂。對(duì)比環(huán)帶直線段和曲線段的受力可以發(fā)現(xiàn)，曲線段的應(yīng)力分布沿著環(huán)帶縱向的變化比直線段復(fù)雜，有拉應(yīng)力和接觸應(yīng)力的共同作用。這也導(dǎo)致了環(huán)帶的破壞總是發(fā)生在直曲相交段。

圖8 環(huán)帶各層縱向拉應(yīng)力分布Fig.8 Longitudinal tensilestress distribution of each layer

CFRP環(huán)帶的層間剪切應(yīng)力，幾乎完全依靠層間界面的樹脂基體承載，其剪切強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于碳纖維，很容易導(dǎo)致層合結(jié)構(gòu)的分層破壞，是整個(gè)結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)，故層間剪應(yīng)力的分布對(duì)于環(huán)帶的受力分析也是至關(guān)重要的。圖9為有限元模型中提取的環(huán)帶各層關(guān)鍵位置的層間剪切應(yīng)力分布，曲線環(huán)帶的頂部和底部層間剪切應(yīng)力小于1 MPa，因此圖中未示出。從圖中可以看出，對(duì)于特定的位置，層間剪切應(yīng)力沿環(huán)帶厚度方向呈拋物線分布，中間層的層間剪切應(yīng)力大于外側(cè)，直曲相交處的應(yīng)力大于直線段的應(yīng)力?？芍h(huán)氧樹脂基體的破壞是從直曲相交處的中間層開始發(fā)生的，從而導(dǎo)致該處的碳纖維分離，強(qiáng)度下降；之后層與層之間的環(huán)氧樹脂完全破壞，分層現(xiàn)象發(fā)生。

圖9 環(huán)帶各層剪應(yīng)力分布Fig.9 Shear stress distribution of each layer

3.3 有限元參數(shù)分析

試驗(yàn)試件的構(gòu)造尺寸相對(duì)單一，為了研究更多不同鉸銷式CFRP環(huán)帶構(gòu)件的受力特性，探究構(gòu)造參數(shù)對(duì)環(huán)帶應(yīng)力分布規(guī)律的影響，進(jìn)行環(huán)帶曲線段曲率、環(huán)帶厚度、接觸面摩擦系數(shù)對(duì)環(huán)帶受力性能的影響分析。

3.3.1環(huán)帶曲線段曲率

曲率的變化通過(guò)改變銷釘半徑達(dá)到。圖10為每層CFRP層最大縱向拉應(yīng)力隨銷釘半徑的變化情況，銷釘半徑在6 mm～14 mm變化，圖中L1為最外層，L6為最內(nèi)層?？芍?，在這5種銷釘半徑情況下，環(huán)帶應(yīng)力最大值均出現(xiàn)在最外層的直線環(huán)帶接頭處，且在最內(nèi)層的直曲相交段也都出現(xiàn)較大的應(yīng)力值，分布規(guī)律與圖8相同。隨著銷釘半徑變大，即曲率的減小，最內(nèi)層最大拉應(yīng)力的曲線呈現(xiàn)持續(xù)下降趨勢(shì)。這是因?yàn)樵趩蜗蚶旌奢d作用下，銷釘?shù)奈灰茣?huì)使環(huán)帶直曲相交區(qū)域產(chǎn)生附加彎矩并且由此產(chǎn)生纖維方向上的顯著應(yīng)力集中。而當(dāng)銷釘曲率變小，環(huán)帶由此而產(chǎn)生的附加彎矩也會(huì)相應(yīng)減小，使得直曲相交段縱向拉應(yīng)力有所降低。圖11為每層層間剪切應(yīng)力隨銷釘半徑的變化情況，圖中L1′為最外層，L6′為最內(nèi)層?？芍?，層間剪切應(yīng)力水平隨曲線段曲率的減小而減小，不同層的變化規(guī)律和幅度保持一致。查看每層的應(yīng)力分布圖可知每層的應(yīng)力最大值都出現(xiàn)在曲線段和直曲相交附近，與圖9分布規(guī)律相同。銷釘半徑的變化對(duì)縱向拉應(yīng)力的影響相較于層間剪應(yīng)力更為復(fù)雜，不同層的變化規(guī)律不同，但對(duì)應(yīng)力最大值出現(xiàn)的位置影響不大。

圖10 環(huán)帶各層縱向拉應(yīng)力隨銷釘半徑變化情況Fig.10 Longitudinal tensile stress variation with pin radius

圖11 環(huán)帶各層層間剪應(yīng)力隨銷釘半徑變化情況Fig.11 Shear stressvariation between strap layer with pin radius

3.3.2環(huán)帶厚度

每層CFRP層為固定厚度，而厚度變化采用纏繞在銷釘上的層數(shù)變化來(lái)表征。由于環(huán)帶層數(shù)不一致，不適合對(duì)比每層應(yīng)力分布情況，因此對(duì)于厚度變化引起的環(huán)帶應(yīng)力分布情況的分析主要著眼于環(huán)帶上幾個(gè)關(guān)鍵位置的應(yīng)力值，取曲線段頂點(diǎn)、直曲相交段和直線接頭處6個(gè)位置，應(yīng)力取值位置如圖12。圖13為環(huán)帶最大拉應(yīng)力受厚度的改變情況。直線段接頭處(P3、P4)的應(yīng)力值隨環(huán)帶變厚而減小，厚度較薄處應(yīng)力減小幅度更為明顯。而曲線段頂點(diǎn)(P1、P6)應(yīng)力值則隨環(huán)帶變厚而增大。雖然在6個(gè)點(diǎn)中曲線段頂點(diǎn)的應(yīng)力水平比較低，但其應(yīng)力值變化幅度比其他位置都大。直曲相交處(P2、P5)處的應(yīng)力水平則變化不大。環(huán)帶的最大應(yīng)力都出現(xiàn)在直線段接頭處或直曲相交段：當(dāng)環(huán)帶層數(shù)小于8層時(shí)，最大應(yīng)力出現(xiàn)在直線段接頭處；當(dāng)環(huán)帶層數(shù)大于8層時(shí)，最大應(yīng)力值則轉(zhuǎn)變?yōu)橹鼻嘟欢巫顑?nèi)層。

圖12 環(huán)帶應(yīng)力取值位置Fig.12 Stressposition of CFRPstraps

圖13 環(huán)帶最大縱向拉應(yīng)力隨環(huán)帶厚度改變情況Fig.13 Longitudinal tensile stress variation with thickness

3.3.3接觸面摩擦系數(shù)

在實(shí)驗(yàn)中和實(shí)際應(yīng)用時(shí)可能因?yàn)檠芯亢陀猛舅瓒x用不同的銷釘材料，CFRP材料和銷釘材料之間的摩擦系數(shù)在0.2～0.68，依據(jù)接觸材料和纖維排列方式的不同而有所變化[25?26]。在本研究中取摩擦系數(shù)在0.1～0.6的不同值進(jìn)行環(huán)帶受力計(jì)算，環(huán)帶上的取值位置如圖14。圖15為縱向拉應(yīng)力隨接觸面摩擦系數(shù)的變化情況。從圖中可以看出，從曲線段到直線段應(yīng)力值基本呈上升趨勢(shì)，在直曲相交附近出現(xiàn)應(yīng)力峰值，隨后在直線段趨于一個(gè)固定的水平。在直線段，縱向拉應(yīng)力水平隨摩擦系數(shù)增大而有所增加，但影響不大；而摩擦系數(shù)對(duì)環(huán)帶曲線段的影響較大，尤其是頂點(diǎn)附近區(qū)域。當(dāng)摩擦系數(shù)從0.1增加至0.6時(shí)，頂點(diǎn)處的縱向拉應(yīng)力下降52.1%，這是由于當(dāng)銷釘和環(huán)帶界面的摩擦越粗糙時(shí)，曲線段的應(yīng)變受到了一定程度的限制，從而使得應(yīng)力水平降低。

圖14 應(yīng)力取值位置距下銷釘垂直距離Fig.14 Vertical distancefrom vertex of bottom pin

對(duì)比曲線段曲率、環(huán)帶厚度、摩擦系數(shù)對(duì)環(huán)帶應(yīng)力的影響，可知環(huán)帶構(gòu)造參數(shù)對(duì)環(huán)帶的應(yīng)力分布影響不盡相同，但對(duì)最大應(yīng)力值出現(xiàn)位置，即環(huán)帶最薄弱位置的影響較小，基本都出現(xiàn)在直、曲相交段或直線段接頭處。曲線段的應(yīng)力分布較直線段更為復(fù)雜，因而對(duì)構(gòu)造參數(shù)的改變也更為敏感，應(yīng)力值相差較多；直線段則受影響程度偏小。環(huán)帶應(yīng)力最大值受環(huán)帶厚度影響程度最大，曲線段曲率對(duì)其影響程度最小。

4 結(jié)論

通過(guò)層壓型CFRP環(huán)帶的靜力拉伸試驗(yàn)，得到了CFRP環(huán)帶破壞時(shí)的破壞現(xiàn)象及應(yīng)力變化特征，建立了環(huán)帶的數(shù)值模型對(duì)環(huán)帶在曲率、厚度、摩擦系數(shù)等不同參數(shù)變化下的應(yīng)力變換情況進(jìn)行了對(duì)比，主要得到以下結(jié)論：

(1)CFRP環(huán)帶由于曲線段的存在，荷載傳遞效率降低，極限拉應(yīng)力相比于條帶有所下降。從試驗(yàn)中看出，在軸向受拉作用時(shí)，首先出現(xiàn)分層現(xiàn)象和縱向裂紋；隨后環(huán)帶基體出現(xiàn)破壞，一部分環(huán)帶退出工作，受拉截面積減小，縱向裂紋繼續(xù)發(fā)展；最后在直、曲相交段出現(xiàn)致命性斷破，表現(xiàn)為無(wú)塑形變形的脆性破壞。

(2)CFRP環(huán)帶每層的應(yīng)力最小值出現(xiàn)在曲線段頂點(diǎn)處，最大值出現(xiàn)在直曲相交段或直線段中；層間剪應(yīng)力呈拋物線型分布，最大值同樣出現(xiàn)在直曲相交段，且數(shù)值較小，僅為縱向拉應(yīng)力的10%左右。直、曲相交段為環(huán)帶受力的最不利位置。

(3)構(gòu)造參數(shù)對(duì)環(huán)帶不同位置、不同層的影響規(guī)律皆有不同。隨著曲線段曲率的增大，最外層應(yīng)力增大，最內(nèi)層應(yīng)力降低，層間剪應(yīng)力也隨之降低。故相對(duì)較大的曲率對(duì)環(huán)帶的受力有積極作用。

(4)隨著環(huán)帶厚度的增加，應(yīng)力最大值出現(xiàn)下降，雖然曲線段的應(yīng)力值有所增大，但由于相對(duì)數(shù)值偏小，所以相對(duì)較厚的CFRP環(huán)帶提供了較大的截面面積，減小了環(huán)帶的應(yīng)力水平。

(5)隨著接觸面摩擦系數(shù)的增大，直線段應(yīng)力變化不大，曲線段應(yīng)力下降明顯。粗糙的表面限制了環(huán)帶應(yīng)變的增大，但同時(shí)也帶來(lái)更多的摩擦熱和截面損耗。摩擦熱的增多會(huì)影響環(huán)帶的溫度應(yīng)力分布，同時(shí)可能會(huì)造成壞帶粘結(jié)基體的破壞，對(duì)環(huán)帶的抗疲勞性能有一定影響。

(6)曲線段的應(yīng)力分布對(duì)CFRP環(huán)帶構(gòu)造參數(shù)的改變更為敏感，直線段則變化不大；其中環(huán)帶的厚度和摩擦系數(shù)對(duì)應(yīng)力值影響較大，曲率的影響最小。雖然應(yīng)力最大值可能出現(xiàn)在直線接頭處或直線相交段，但由于曲線段的復(fù)雜應(yīng)力分布以及較高的層間剪切應(yīng)力，環(huán)帶最薄弱位置為直曲相交段，構(gòu)造參數(shù)對(duì)其影響不大。