CFRP加固裂纹钢板的疲劳寿命及加固参数研究

钢结构在运行一段时间后,其母材或焊缝附近易产生裂纹,因此需要对裂纹进行修复以延长使用寿命.文中研究了碳纤维增强复合材料(CFRP)加固裂纹钢板的疲劳寿命及加固参数.首先采用粘结力理论,建立CFRP加固裂纹钢板的有限元模型,计算得到裂纹尖端的应力强度因子;然后进行4组对比疲劳试验,利用试验数据和Paris公式计算材料常数C和n,将计算的应力强度因子代入Paris公式预测试件的疲劳寿命;最后利用有限元模型对CFRP加固的刚度、长度、宽度等加固参数进行了研究.结果表明:根据有限元模型计算的应力强度因子幅和Paris公式可以准确预测CFRP加固裂纹钢板的疲劳寿命;CFRP加固可以减小裂纹尖端的应力强度因子,有效提高裂纹钢板的疲劳寿命.     

CFRP加固受拉钢板的研究进展

传统的钢结构加固方法包括钢板焊接、螺栓连接和铆接等。这些加固方法都存在缺点,容易产生应力集中现象。CFRP具有比强度和比刚度高等特点,在加固钢结构上显示出很好的效果。以未受损钢板、受损钢板和含焊缝钢板为被加固的受拉钢板,分别从单轴静力拉伸试验和疲劳试验两方面总结了CFRP在受拉钢板加固中的应用;比较了不同学者在研究CFRP-钢板粘接界面力学性能时采用的方法及其结论。总结发现,CFRP在加固受拉钢板中效果良好,但加固措施的耐久性、CFRP布与CFRP板加固效果的差异、新型组合加固方法等一系列问题仍有待研究。     

预应力CFRP布加固钢筋混凝土梁疲劳性能试验研究

为了研究预应力CFRP布加固钢筋混凝土梁的疲劳性能,进行了4根CFRP布加固的钢筋混凝土和1根对比梁的试验研究.试验中考虑的变量为碳纤维应力强度比、疲劳荷载幅和CFRP布粘贴层数.试验梁采用双点对称等幅、等频率加载.试验结果表明:未加固的对比梁受疲劳荷载作用时,裂缝少而宽;非预应力CFRP布加固梁,裂缝多而密,裂缝高度...     

不均匀胶层对CFRP板加固梁的界面应力影响

采用数值试验研究了CFRP板加固钢筋混凝土梁中不均匀胶层的应力及加固界面应力.被加固梁界面上设置缺口改变胶层的局部厚度,根据缺口的深度、宽度、位置建立6种分析工况.研究表明,缺口距离CFRP板端部较近时,界面峰值应力会高于无缺口工况,缺口远离CFRP板端部位置时,峰值界面应力几乎不受影响;缺口距离CFRP板端部为CFRP板长的0.83%和1.25%时,峰值界面剪应力和正应力分别达到最大值;当缺口的长度或深度增大时,峰值界面剪应力和界面正应力均增大,界面应力对于缺口深度更敏感;在远离CFRP板端部区域,胶层中的应力沿其厚度方向均匀分布;当缺口出现在CFRP板端部附近时,CFRP板端部胶层中的应力沿厚度方向变化更大且应力在缺口区域内分布更加不均匀.     

预应力碳纤维修复含裂纹钢板的应力强度因子分析

海洋平台作为海上油气勘探开发生产的重要装备,随其服役期临近设计使用寿命,平台在多种载荷的作用下已存在多种形式的裂纹缺陷,对其开展修复加固研究以延长服役期是降本增效提质的有效措施。碳纤维复合材料(CFRP)凭借其优异的力学性能,可应用于海洋平台的修复加固技术,从而达到延长服役期的目的。本文建立了CFRP修复含裂纹钢板有限元模型,结合线弹性断裂力学,验证了模型的可靠性,考虑了预应力对修复效果的影响,进行了以裂纹尖端应力和应力强度因子为评价指标的仿真分析研究,并拟合了CFRP上预应力与应力强度因子之间的变化关系。研究表明： CFRP可以减小裂纹尖端的应力和应力强度因子,CFRP对含裂纹钢板有良好的修复效果;并且裂纹尖端的应力强度因子随着CFRP上预应力的增大而减小,预应力的施加可以增强CFRP对含裂纹钢板的修复效果;此外,CFRP上预应力与应力强度因子之间存在线性关系。     

冻融循环作用下CFRP加固混凝土梁疲劳性能试验研究

为研究冻融循环作用对CFRP加固混凝土梁疲劳性能的影响,以CFRP加固混凝土梁的疲劳试验作为对照,分别进行了CFRP加固受到冻融循环作用的混凝土梁的疲劳试验和CFRP加固梁经冻融循环作用后的疲劳试验.试验结果表明:在正常使用状态下,冻融循环50次作用后,CFRP加固梁的挠度增加了6.2%～14.9%,主筋应变增加了2.14%～11.2%,刚度变化不显著;在相同疲劳荷载作用下,与未经冻融作用的CFRP加固梁相比,经受冻融循环作用的CFRP加固梁的疲劳寿命降低不到5%;CFRP加固受到冻融损伤的混凝土梁可能发生剥离破坏,因而在工程中,为防止发生剥离破坏应采取有效措施.     

一种多轴疲劳寿命预测的统一模型

基于SAE 1045中碳钢的单-多轴疲劳试验结果，在研究了扭转名义应力幅与拉伸名义应力幅不同比值时的多轴疲劳寿命预测模型之后，建立了统一的多轴疲劳寿命预测模型。发现：不同的扭转名义应力幅与拉伸名义应力幅之比导致不同的寿命预测模型，为寻求单轴模型与多铀统一模型的关系，假设单轴疲劳寿命预测模型中的疲劳强度指数和疲劳延性指数不变，而对疲劳强度系数乘以1．5435、疲劳延性系数乘以0．6713，以第一主应变幅取代单轴拉压应变幅，则修正后的单轴模型等价于多轴统一模型，利用修正后的单轴模型可以预测任意扭转名义应力幅与拉伸名义应力幅之比时的多轴疲劳寿命。     

CFRP板加固箱梁桥顶板在沥青面层施工高温作用后的疲劳性能

为了研究沥青面层施工时的高温对公铁两用CFRP板加固的箱梁桥顶板疲劳性能的影响,在室内对粘贴CFRP板前后的钢筋混凝土梁进行了高温环境下的疲劳模拟对比试验.从钢筋、混凝土、CFRP应变的角度,开展了高温对粘贴CFRP板的钢筋混凝土试验梁疲劳裂缝发展、挠度增长规律、黏结胶层及界面应力影响的研究.结果表明:经过高温阶段后粘贴CFRP板的钢筋混凝土梁在疲劳强度、刚度、阻止裂缝发展、抗弯极限承载能力等方面都比未粘贴CFRP板前有所提高.极限承载能力提高了24.6%,刚度提高了23.0%,平均最大裂缝减小了15.2%.     

预应力CFRP布加固梁的疲劳试验研究

应用课题组研发的预应力CFRP布加固混凝土梁技术,对加固梁的疲劳性能进行了试验研究.试验结果表明,在疲劳荷载作用下,预应力CFRP布加固梁的钢筋应变值显著减少,同时预应力CFRP布加固更为有效的改善了混凝土梁的抗裂性能.相对于未加固梁,加固梁的疲劳寿命有显著的增加,表现出良好的抗疲劳性能.     

基于混凝土残余应变的CFRP布与钢板复合加固RC梁疲劳损伤研究

采用碳纤维增强复合材料(CFRP)与钢板复合加固钢筋混凝土(RC)梁,并对其开展疲劳性能试验,分析梁压区边缘混凝土的疲劳总应变和累积残余应变随循环次数的发展规律,根据实测数据提出梁压区边缘混凝土累积残余应变演化方程,最后利用压区边缘混凝土累积残余应变定义损伤变量,计算获得损伤变量演化曲线.结果表明:随着荷载幅的提高和疲劳循环次数的增加,复合加固的RC梁压区边缘混凝土疲劳总应变和累积残余应变增大,且其发展均呈现明显的三阶段规律;利用压区边缘混凝土累积残余应变所建立的损伤模型,可以较好地反映这种复合加固梁的疲劳累积损伤.研究结果为CFRP布与钢板复合加固梁的剩余疲劳寿命预测和损伤评价奠定了理论基础.     

预应力CFRP与钢板复合加固T梁抗弯性能试验

通过对10根T梁进行抗弯试验,研究了不同CFRP预应力程度、CFRP加固层数及预裂程度对CFRP与钢板复合加固T梁的荷载、跨中挠度及延性系数的影响规律.结果表明:复合加固T梁的极限荷载P_○u高于对比梁的90%以上.预应力程度对极限跨中挠度f_○max及延性系数μ影响明显,预应力每提高5%,f_○max降低约25%.屈服荷载P_○y与极限荷载P_○u随加固层数的增加线性增大,随预裂程度的增加线性减小.3层比1层CFRP梁的P_○u提高了52.8%.预裂程度为60%时,f_○max降低约10%.     

销铰连接M36高强螺栓常幅疲劳性能试验

在循环荷载作用下,大跨度钢结构销铰连接高强螺栓可能发生疲劳失效.为研究其疲劳性能,针对材质35CrMoA的12.9级高强螺栓进行9组常幅疲劳试验,拟合得到应力-循环次数曲线(S-N曲线),数值模拟获得其应力分布规律及应力集中系数,并通过试件断口形貌揭示其疲劳破坏机理.结果表明:螺栓承压面第一节螺纹齿根及耳板对试件的挤压处应力集中较严重,理论应力集中系数为4.409;螺栓的疲劳破坏绝大部分起始于模拟所得试件的应力突变位置,断口疲劳破坏特征明显;所得S-N曲线可以反映不同应力幅下销铰连接高强螺栓的疲劳寿命,分别建立了以名义应力幅和缺口应力幅为变量的常幅疲劳计算公式;对比试验结果与《钢结构设计标准》(GB 50017—2017)规定的疲劳建议值,2×106次循环对应的名义应力幅与缺口应力幅分别为标准中构件类别Z11建议值的84.78％和373.8％,为构件类别J2建议值的42.39％和186.9％.     

预应力CFRP加固混凝土桥梁非线性分析

为研究预应力CFRP加固混凝土桥梁的受力性能,以阜新市东环路大桥加固工程为背景,应用预应力CFRP对其进行加固。运用ANSYS软件对6组预应力CFRP加固的混凝土桥梁的受力性能进行了数值模拟,得到的荷载—挠度曲线与理论结果吻合较好,验证了有限元模型的准确性,在此模型基础上对预应力CFRP加固混凝土桥的受力性能进行了非线性分析,研究了预应力CFRP加固中预拉力值大小、粘贴层数对被加固桥梁受弯性能的影响。结果表明,预应力CFRP加固桥梁较非预应力CFRP加固桥梁其屈服荷载与极限荷载提高20%~40%,挠度降低25%~55%,混凝土与CFRP之间剥离的应力产生几率大大减小,有效解决了非预应力CFRP加固梁所产生的应力应变滞后的问题。     

基于缺口应力法的焊接接头多轴疲劳分析

鉴于当前焊接接头疲劳评估曲线只适用于单轴加载情况,基于缺口应力法对焊接接头进行了多轴疲劳分析。通过联合焊接接头的多轴疲劳试验名义应力数据和有限元法所计算的缺口应力集中系数,获得了5种焊接接头的各向缺口应力;根据Von Mises、IIW和EESH 3种多轴疲劳准则计算出等效缺口应力并将其统一在同一坐标系统下;最后采用最小二乘法拟合出适用于多轴疲劳评估的缺口寿命曲线。与IIW标准推荐的单轴曲线相比,这些多轴缺口疲劳曲线具有更低的倾斜度和更高的疲劳等级,即多轴加载时明显降低了10~3~10~6次中周范围内的疲劳强度值,而对10~6~10~7次高周疲劳范围的影响则相对有限。     

CFRP加固开孔钢板的静力力学性能研究

采用中心CFRP加固开孔钢板的单轴拉伸试验,对6 mm厚开孔钢板采用1-3层CFRP加固,对3 mm厚开孔钢板采用1-2层CFRP加固,研究了CFRP加固层数和钢板厚度对开孔钢板试件的影响。试件在单轴拉伸荷载作用下有4种典型的破坏形态,破坏形态与CFRP的层数以及CFRP与钢板之间结构胶的粘接强度有关。试验结果表明,随着CFRP层数的增加,试件的极限承载力呈线性增大,而极限位移却减少;开孔钢板的厚度不同,CFRP的加固效果也不同。同时,还通过在试件钢材表面和CFRP表面粘贴应变片的方法测量试件在单轴拉伸荷载下各关键部位的应变值,测得了加载过程中未加固试件和单层CFRP双面加固试件表面各点的应变变化特征。     

CFRP加固带裂缝双向板的计算及有限元分析

针对工程实例中钢筋混凝土双向板出现裂缝的问题,提出碳纤维布（CFRP）加固方法,给出CFRP用量的计算公式,并根据该加固方法,利用有限元软件ANSYS建立了带裂缝的钢筋混凝土双向板的有限元模型,分别分析了未开裂、开裂及加固后双向板的受力状态,验证了加固效果。结果表明：对挠度的加固效果η=5.3%,对vonmises应力的加固效果η=20.2%,CFRP加固双向板对承载力的加固效果优于刚度。     

碳纤维加固钢桥面板U肋对接焊缝疲劳试验

为探究钢桥面板U肋对接焊缝的疲劳开裂机理与修复加固方法,设计了2个带嵌补段的足尺单U肋试件模型,通过模型试验研究了该细节的疲劳破坏模式和实际疲劳抗力。随后,基于线弹性断裂力学方法建立碳纤维增强复合材料（CFRP）加固对接焊缝裂纹模型,通过数值模拟分别研究了CFRP布层数、CFRP布尺寸对疲劳性能的影响。最后,针对U肋对接焊缝介绍粘贴CFRP布无损修复方法和施工工艺流程,并对CFRP布粘贴修复后的裂纹试件进行疲劳测试。结果表明：U肋对接焊缝的疲劳易损点均出现在U肋圆弧过渡处,平均疲劳强度仅为59.7 MPa。经3层CFRP布修复后,不同损伤程度的焊缝疲劳强度约为未加固试件的0.8~2.6倍。粘贴CFRP布能够有效改善钢桥面板U肋对接焊缝的疲劳性能,且满足实桥无损修复的需求。     

钢箱梁横隔板-U肋疲劳裂纹钢板加固参数分析

针对疲劳裂纹建立局部有限元模型,分析钢板加固机理,通过提取连接焊缝焊趾应力评价受损构件钢板加固效果,针对胶层应力分析钢板加固胶层破坏模式,提取裂纹尖端应力强度因子用于研究钢板加固效果。通过设置多种工况,研究加固件面积、形状、厚度等参数对于加固效果的影响。研究表明：针对横隔板弧形缺口-U肋焊缝细节,钢板加固可改善应力水平。钢板可直接贴合加固裂纹,加固作用体现为代替受损截面参与构件协同受力。钢板加固范围对于加固效果影响较大,沿连接焊缝方向延长加固件,可提升加固效果,短裂纹加固时适当增加板厚,设置十字形加劲肋加固效果劣于等效增加板厚。     

CFRP加固火灾后RC梁柱节点抗震性能试验

为评估折线形粘贴碳纤维增强复合材料(CFRP)布加固火灾后钢筋混凝土梁柱节点抗震性能的效果,分别进行未受火、火灾后和CFRP布加固火灾后带正交梁和楼板翼缘的钢筋混凝土梁柱中节点抗震性能的拟静力试验。火灾试验时采用ISO 834标准升温曲线、梁柱节点的受火方式为楼板下方受火,拟静力试验时柱子的轴压比为0.25。基于试验结果,考察火灾高温后CFRP布加固对混凝土梁柱节点的破坏形态、滞回曲线、骨架曲线、承载力、延性、刚度及滞回耗能的影响。研究结果表明:梁柱节点核心区均发生了剪切破坏;未受火和受火后梁柱节点分别在3/100和4/100位移角时达到最大承载力,该位移角下节点核心区可见最大斜裂缝宽度分别达到2.0、1.9mm;未受火梁柱节点和CFRP布加固后梁柱节点核心区箍筋发生屈服,90min的火灾高温作用会显著降低梁柱节点的抗震性能,受火后梁柱节点的开裂荷载、屈服荷载、极限荷载和延性系数分别降低了41.3%、18.5%、15.8%和14.8%;节点区折线形粘贴CFRP布加固对受火后混凝土梁柱节点抗震性能的提高有限,加固后梁柱节点的承载力未能恢复至未受火时情况;CFRP布加固火灾后梁柱节点开裂荷载、屈服荷载和极限荷载分别比火灾后未加固梁柱节点提高了16.5%、4.0%和3.4%,比未受火梁柱节点的降低了31.6%、15.2%和12.9%。火灾后钢筋混凝土梁柱节点抗震加固方案及其设计方法还有待进一步深入研究。     

负载对CFRP及CFRP与钢板复合加固R.C梁抗弯性能的影响

对不同负载下7根外贴CFRP或CFRP与钢板复合加固钢筋混凝土梁进行抗弯试验,研究负载时CFRP或CFRP与钢板复合加固梁的抗弯性能及负载水平的影响.试验结果表明:粘贴CFRP加固梁极限承载力显著提高,但屈服荷载和屈服阶段前梁的刚度提高较小,且负载对承载力提高限值有较大的影响,负载越大,承载力提高限值越小;而粘贴CFRP与钢板复合加固梁承载力和刚度都显著提高,且破坏时具有较好的延性,复合加固梁承载力提高限值远远比单一材料加固的大,承载力限值可提高113.13%～147.23%;负载对加固梁承载力影响较小,可以忽略,但对加固梁结构的使用性能影响较大,所以,在实际加固工程中尽量要卸载.