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基于分形理论的GFRP-混凝土组合梁损伤特性

宋广信 杨丽辉 胡春阳 苏晗 张浩天

宋广信, 杨丽辉, 胡春阳, 等. 基于分形理论的GFRP-混凝土组合梁损伤特性[J]. 复合材料学报, 2020, 37(0): 1-11
引用本文: 宋广信, 杨丽辉, 胡春阳, 等. 基于分形理论的GFRP-混凝土组合梁损伤特性[J]. 复合材料学报, 2020, 37(0): 1-11
Guangxin SONG, Lihui YANG, Chunyang HU, Han SU, Haotian ZHANG. Damage characteristics of GFRP-concrete composite beams based on fractal theory[J]. Acta Materiae Compositae Sinica.
Citation: Guangxin SONG, Lihui YANG, Chunyang HU, Han SU, Haotian ZHANG. Damage characteristics of GFRP-concrete composite beams based on fractal theory[J]. Acta Materiae Compositae Sinica.

基于分形理论的GFRP-混凝土组合梁损伤特性

基金项目: 基本科研业务费(2017JBM088)
详细信息
    通讯作者:

    杨丽辉,博士,副教授,硕士生导师,研究方向为新材料在结构中的应用 E-mail:lhyang@bjtu.edu.cn

  • 中图分类号: TB332

Damage characteristics of GFRP-concrete composite beams based on fractal theory

  • 摘要: 工程实际中,玻璃纤维增强树脂复合材料(GFRP)-混凝土组合梁往往出现较大的损伤而破坏,有必要对其破坏过程进行研究。为了研究此类构件的损伤特性,通过声发射仪器对1片GFRP工字梁和6片不同螺栓连接的GFRP-混凝土组合梁的四点弯曲试验加载的全过程进行了监测。并基于分形理论对试验梁加载过程的声发射能量信号进行了相空间重构,计算了试验梁各加载阶段的声发射能量信号分形维数值。研究表明,试验梁的声发射能量时间序列具有分形特征,且关联维数可很好地描述GFRP-混凝土组合梁损伤破坏的整个阶段;归纳各试验梁的声发射能量时间序列分维曲线的演化模式:纯弯段区域的损伤演化模式为“早期峰”至“低幅波动”;剪跨区的损伤演化模式为“低幅波动”至“持续高幅波动”;将试验梁加载过程的试验现象与分维值的演化相对照,则可将分维值的“持续高幅波动”作为试验梁失稳的前兆。根据关联维数,提出“损伤预警”的可能。其相应的分维值出现“持续高幅波动”,则损伤“预警点”出现,结构的承载力已达到其极限的70%左右,需要加强监测。
  • 图  1  GFRP-混凝土试验梁加载及横断面示意图

    Figure  1.  Loading and cross section diagram of GFRP-concrete test beam

    图  2  GFRP-混凝土试验梁荷载-位移曲线

    Figure  2.  Load-displacement curves of GFRP-concrete test beams

    图  3  GFRP-混凝土试验梁加载

    Figure  3.  Loading of GFRP-concrete test beam

    图  4  GFRP-混凝土试验梁腹板破坏

    Figure  4.  Web failure of GFRP-concrete test beams

    图  5  L0试件能量-时间变化曲线

    Figure  5.  Energy-time curves of L0 specimen

    图  6  延迟时间确定

    Figure  6.  Determination of delay time

    图  7  关联维数随嵌入维数变化曲线

    Figure  7.  Correlation dimension curves with embedding dimension

    图  8  L0试件关联维数变化曲线

    Figure  8.  Changing curves of dimension of L0 specimen

    图  9  L-190-1关联维数变化曲线

    Figure  9.  Changing curves of dimension of L-190-1 specimen

    图  10  L-190-2关联维数变化曲线

    Figure  10.  Changing curves of dimension of L-190-2 specimen

    图  11  L-190-3关联维数变化曲线

    Figure  11.  Changing curves of dimension of L-190-3 specimen

    图  12  L-240试件关联维数变化曲线

    Figure  12.  Changing curves of dimension of L-240 specimen

    表  1  GFRP-混凝土试验梁基本参数

    Table  1.   Basic parameters of GFRP-concrete testing beams

    Specimen
    numben
    Bolt d*h/
    mm
    Beam height
    H/mm
    Bolt layout
    L0 120
    L-190-1 M12*50 190 The longitudinal hole spacing of the beam is 120 mm, and the transverse hole spacing is 50 mm
    L-190-2 M18*50 190
    L-190-3 M24*50 190
    L-240-1 M12*90 240
    L-240-2 M18*90 240
    L-240-3 M24*90 240
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    表  2  声发射硬件设置

    Table  2.   Hardware settings of acoustic emission

    Threshold/dBGain/dBAnalog filter
    Fixed threshold Floating threshold Internal gain Preamplifier gain Lower/kHz Upper/kHz
    40 6 0 40 20 200
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    表  3  GFRP-混凝土试验梁试验现象汇总

    Table  3.   Summary of test phenomena of GFRP-concrete test beams

    Specimen numbenExperimental phenomenaFailure modeBearing capacity/kN
    L0 The vertical shear occurred in the web near the loading point, and then
    shear failure occurred along the beam length
    Web shear failure 46
    L190 L190-1 Slight crackling - intensive crackling - concrete crushing in the middle of
    the beam top span - Web shear failure - concrete fracture at the end
    Bending failure(failure of concrete due to ultimate compressive strain) 67
    L190-2 66
    L190-3 61
    L240 L240-1 Crackling - cracks appear at the loading point and pure bending section,
    and expand with the increase of load - crackles are dense - Web shear
    failure along the beam length, and the concrete is crushed
    Web shear failure 82
    L240-2 86
    L240-3 91
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    表  4  各试验梁“预警荷载”及关联维数最大值

    Table  4.   Warning load and maximum of correlation dimension of test beams

    Specimen numbenL0L-190-1L-190-2L-190-3L-240-1L240-2L-240-3
    ω/%Pu/kN 046 0.9067 2.0466 3.6161 1.0382 2.3286 4.1391
    Warning Load 0.56 Pu 0.74 Pu 0.73 Pu 0.68 Pu 0.78 Pu 0.78 Pu
    1# dimension 0.50 0.60 0.46 2.82 0.58 0.70
    3# dimension 1.92 0.65 0.51 0.29 1.33 0.53
    Notes: ω—Percentage of bolt in concrete beam; Pu—Ultimate load value.
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出版历程
  • 收稿日期:  2020-07-01
  • 录用日期:  2020-08-17
  • 网络出版日期:  2020-09-11

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