碳纤维加固钢结构的疲劳寿命分析

采用断裂力学方法对CFRP加固钢结构的剩余疲劳寿命进行研究。引入考虑裂纹闭合的疲劳寿命分析模型对CFRP加固钢结构进行疲劳寿命计算,计算结果与疲劳试验结果吻合较好。实际结构承受的是随机变幅疲劳荷载,根据Miner线性累积损伤理论,将变幅疲劳荷载转化成等效应力幅下的常幅疲劳荷载,给出CFRP加固钢结构的疲劳验算建议方法。     

不同程度损伤的CFRP加固钢板的疲劳性能研究

为进一步探讨碳纤维加固复合材料(CFRP)板对钢结构疲劳寿命的延长效果,进行了试验研究和理论分析。利用不同长度的人工裂缝代表不同程度的疲劳损伤。试验结果表明:采用CFRP修复能够有效减缓裂纹扩展并延长疲劳寿命。提出用于预测试件疲劳寿命的理论模型。随后,对其进行了参数分析,研究不同损伤程度下钢板的疲劳性能。深化了对在裂纹扩展不同阶段采用CFRP进行修复的理解,并针对这种加固方法提出了一些有益的建议。     

CFRP加固含混合型边裂纹钢板的疲劳性能试验研究

为研究碳纤维增强复合材料(CFRP)对含初始边裂纹钢板疲劳性能的改善效果,使用MTS试验机对未加固及CFRP材料加固后的含边裂纹钢板进行疲劳试验,比较了裂纹形式、钢板初始损伤度、CFRP粘贴面以及CFRP材料种类(CFRP布与CFRP板)对钢板疲劳寿命的影响。共设计制作了3个未加固试件、3个CFRP布双面加固试件、3个CFRP布单面加固试件以及2个CFRP板双面加固试件。试验中利用改进的变角度加载装置,得到I型边裂纹试件与I/II混合型边裂纹试件,比较CFRP材料对含I型边裂纹及I/II混合型边裂纹试件疲劳寿命的改善效果。结果表明：双面粘贴CFRP材料能够极大提高含裂纹钢板的疲劳寿命,而单面粘贴CFRP的加固效果远不如双面粘贴的加固效果;CFRP布与CFRP板在相似补强率下对钢板疲劳寿命的改善效果相近;CFRP材料对含I型边裂纹钢板疲劳寿命的改善效果优于对含I/II混合型边裂纹钢板疲劳寿命的改善效果;双面粘贴CFRP布对钢板疲劳寿命的改善效果会随着初始损伤度的增大而增强。     

止裂孔复合加固单边裂纹钢板疲劳性能研究

横隔板疲劳裂纹是正交异性钢桥面板的主要疲劳失效模式,为提高传统止裂孔处的疲劳寿命,提出了将止裂孔作为预处理措施与高强螺栓、粘贴碳纤维增强复合材料(CFRP)、粘贴钢板相结合的复合加固方法.为了研究止裂孔复合加固方法的修复效果,以含单边初始裂纹的钢板为研究对象,对止裂孔加固和复合加固钢板进行了疲劳测试,对比分析了复合加固方法的失效模式、裂纹扩展规律和疲劳性能,并基于有限元分析揭示了栓接止裂孔复合加固机理.试验结果表明,粘贴CFRP和粘贴钢板由结构树脂胶剥离引起失效,栓接止裂孔失效以垫片疲劳破坏为主;复合加固有效延缓了疲劳裂纹扩展速率,疲劳寿命达到止裂孔加固的3.6～15.8倍,粘贴钢板和栓接止裂孔的加固效果优于粘贴CFRP的加固效果.综合对比来看,栓接止裂孔加固垫片先于母材破坏起到失效预警作用,并可更换高强螺栓周期性提高疲劳性能,是理想的"微损伤"加固方法.     

碳纤维板加固钢结构剩余疲劳寿命理论研究

对将要加固的钢梁剩余疲劳寿命进行计算,以线弹性断裂力学为基础,对在役钢梁已使用寿命,和对其加固后的剩余寿命计算式进行推导;并使用相关数据进行拟合和对比。结果表明,计算公式与试验结果拟合度较好,可作为碳纤维板加固钢结构剩余疲劳寿命的有效计算式。     

带裂纹钢吊车梁剩余寿命评估

论述了钢结构疲劳裂纹计算分析的基本理论,针对工业厂房的重级工作制钢吊车梁,建立了采用非等幅荷载谱对带裂纹钢吊车梁剩余寿命的分析评估方法,计算分析了不同应力幅值及初始裂纹尺寸条件下钢吊车梁剩余疲劳寿命。计算表明:钢吊车梁剩余疲劳寿命受应力幅值大小及裂纹长度影响较大,按照指数形式衰减,受裂纹深度的影响相对较小。采用NASGRO公式可对存在初始裂纹的钢吊车梁进行剩余疲劳寿命评估,效果良好,应用前景广阔。     

外贴CFRP板加固锈蚀钢板疲劳性能试验研究

为研究外贴CFRP板对锈蚀钢板疲劳性能的影响,开展16个CFRP板加固锈蚀钢板试件的疲劳拉伸试验,研究锈蚀程度、CFRP刚度、CFRP预应力度、端部锚固及疲劳应力幅对CFRP板加固锈蚀钢板疲劳破坏模式、疲劳寿命及裂纹扩展规律的影响。研究结果表明,外贴CFRP板可以显著提升锈蚀钢板疲劳寿命,对质量损失率为9.38%、13.39%、16.61%及21.24%的锈蚀钢板,端部锚固条件下双面粘贴CFRP板加固试件疲劳寿命相对于未加固试件分别提高了18.4倍、9.3倍、8.9倍及11.4倍;加固方式对疲劳加固效果影响显著,端部锚固可以有效延缓黏结界面失效,增大CFRP板加固刚度或采用预应力加固均可显著降低裂纹扩展速率。     

碳纤维布加固钢结构的黏结性能研究

与传统的钢结构加固方法相比,粘贴碳纤维布加固钢结构具有很大的优势和应用前景,如不会导致严重的应力集中、不会产生残余应力、施工方便、维护费用低等。碳纤维布与钢结构之间的黏结性能直接影响加固效果,但是目前国内对这方面的研究还未涉足。本文对粘贴碳纤维布加固钢板进行了静力拉伸试验,采用高强型和高模型碳纤维布及不同的端部锚固措施,考察了未损伤钢板和损伤钢板加固后的效果。得到了加固试件的屈服荷载和极限荷载,并对不同的破坏形式进行了分析。试验结果表明,粘贴碳纤维布加固能明显提高钢构件的屈服荷载。测量了碳纤维布的应变分布,得到了碳纤维布与钢板之间的黏结应力分布和碳纤维布的有效黏结长度,并与理论公式的计算结果进行了对比,二者吻合较好。     

碳纤维增强复材补强含中心裂纹及缺陷孔钢板的疲劳性能研究

碳纤维增强复材(CFRP)加固是改善含裂纹钢结构疲劳性能的重要手段。基于试验和有限元分析方法,研究了CFRP加固含多缺陷孔钢板的裂纹扩展情况及疲劳寿命。疲劳试验结果表明:缺陷孔会降低钢板的疲劳寿命,但经CFRP加固后,疲劳寿命可接近于不含缺陷孔的加固试件。缺陷孔对裂纹的扩展路径及疲劳寿命均有影响,具体影响方式与程度取决于缺陷孔数量及分布方式。有限元分析表明:缺陷孔对裂纹扩展的影响主要在于改变应力强度因子幅值ΔKI和ΔKII的相对大小。     

平板贯穿裂纹高强螺栓止裂加固试验研究

为了验证高强螺栓止裂对平板贯穿型疲劳裂纹的加固效果,基于有限元模拟探究了高强螺栓止裂加固机理,通过单边裂纹钢板和横隔板足尺模型疲劳试验,验证了高强螺栓止裂加固的有效性,定量比较了高强螺栓规格对修复后钢板疲劳寿命的影响。试验结果表明:单边裂纹钢板高强螺栓止裂加固后的疲劳寿命是传统止裂孔加固的近5倍,螺栓规格(螺栓直径、强度等级)对加固效果影响显著,单边裂纹钢板用10.9级M14高强螺栓止裂的疲劳寿命是8.8级M12高强螺栓的3倍以上。横隔板足尺模型高强螺栓止裂加固后疲劳寿命达到200万次以上,满足规范疲劳强度等级要求。单边裂纹钢板和横隔板足尺模型疲劳试验中,高强螺栓止裂后构件均表现出优异的抗疲劳性能。     

不同纤维增强复合材料加固钢梁疲劳性能试验研究

对外贴高弹模碳纤维增强复合材料(高弹模CFRP)板、高强度CFRP板、钢丝-玄武岩纤维复合板(SBFCP)和焊接钢板等加固人工受损钢梁疲劳性能进行试验研究,分析不同材料加固对钢梁疲劳性能的影响,讨论钢梁疲劳加固效果的影响因素。试验结果表明:等拉伸刚度加固条件下,纤维增强复合材料加固钢梁的疲劳寿命总体上是未加固钢梁的3.33～5.26倍,而焊接钢板加固钢梁的疲劳寿命是未加固钢梁的1.74倍;与传统焊接钢板加固相比,纤维增强复合材料可以推迟钢梁裂纹的萌生,降低裂纹的扩展速率和钢梁的残余挠度,增加构件的疲劳寿命,改善构件的破坏模式,其中高弹模CFRP板加固效果最理想,而SBFCP加固性价比最高;加固材料和界面对疲劳性能有明显的影响。     

CFRP加固含疲劳裂纹钢板的有限元参数分析

CFRP加固含疲劳裂纹钢板可显著提高其疲劳寿命。采用有限元分析方法,详细研究了CFRP长度、宽度、厚度、弹性模量,胶层的剪切模量和厚度等各种参数对加固效果的影响。结果表明:提高CFRP的弹性模量、厚度,采用适当的胶层剪切模量、厚度,对提高加固效果显著。根据有限元计算结果,归纳得出应力强度因子幅的计算经验公式,该经验公式与有限元计算结果和试验结果符合较好,可用于计算CFRP加固含疲劳裂纹钢板疲劳寿命的计算。     

A comparative study on fatigue behaviour of steel beams retrofitted with welding,pultruded CFRP plates and wet layup CFRP sheets

This paper investigates the fatigue behaviour of defected steel beams retrofitted with three different methods, i.e., welding, welding and bonding with CFRP plates or CFRP woven sheets laminated via a wet lay-up process. Two different types of CFRP materials and two types of epoxies were selected in this study. An initial cut was made on the tensile flange in the mid span of each beam. Different failure modes were observed for beams retrofitted with CFRP plates and CFRP sheets. It was found that one layer of CFRP plate and epoxy strengthening system can extend the fatigue life of steel beams about 7 times comparing with beams repaired with solely welding method, while the fatigue life was extended abound 3 times for beams strengthened with 4 layers of CFRP woven sheets. Mean S–N curves were obtained based on the test data, that can be used to predict the fatigue life of steel beams retrofitted with similar CFRP materials. The crack propagation rate was measured using strip strain gauges. The CFRP plates showed better performance in resisting crack propagation than CFRP sheets under fatigue loading conditions. The relationship between the maximum stress and the crack propagation rate could be used to predict the crack length of beams retrofitted with similar CFRP strengthening systems.     

Prediction of Bending Fatigue Life of Cracked Out-of-Plane Gusset Joint Repaired by CFRP Plates

Carbon fiber reinforced polymer (CFRP), plates bonding repair method is one of the simple repair methods for cracked steel structures. In this study, the influence of width of CFRP plates on bending fatigue life of out-of-plane gusset joint strengthened with CFRP plates was investigated from the experimental and numerical point of view. In the bending fatigue test of cracked out-of-plane gusset joint strengthened with CFRP plates, the effect of width of CFRP plates on crack growth life was clarified experimentally. Namely, it was revealed that the crack growth life becomes larger with increasing the width of CFRP plates. In the numerical approach, the stress intensity factor (SIF) at the surface point of a semi-elliptical surface crack was estimated based on the linear fracture mechanics. Furthermore, the extended fatigue life of cracked out-of-plane gusset joint strengthened with CFRP plates was evaluated by using the estimated SIF at the surface point and the empirical formula of the aspect ratio of semi-elliptical crack. As the results of numerical analysis, the estimated fatigue life of the specimen strengthened with CFRP plates showed the good agreement with the test results.     

碳纤维增强材料(CFRP)加固钢梁的疲劳试验研究

以钢梁为研究对象,对未加固钢梁与碳纤维增强材料CFRP加固钢梁在应力幅较小的中高周疲劳试验中的不同疲劳寿命进行对比,并对疲劳试验结果进行拟合分析。结果表明,在钢梁下翼缘疲劳敏感区域粘贴CFRP可以有效提高钢梁的疲劳寿命,对于存在初始疲劳裂缝的钢梁,采用CFRP加固可以将疲劳损伤钢梁的疲劳寿命恢复到未损伤钢梁的水平。     

CFRP加固焊接钢结构的疲劳性能试验研究

由于焊缝自身的缺陷,导致大部分焊接钢结构是由于焊接接头的疲劳断裂而失效。碳纤维增强复合材料(CFRP)加固焊接钢结构应用研究较少,尤其是焊接构件加固之后的疲劳性能的试验和分析。通过试验和计算对比,定量分析对接焊Q345钢板在采用CFRP布加固前后的疲劳性能的改善,并基于BS7608标准,采用有限元软件ANSYS对CFRP布加固焊接Q345钢板进行受力分析,运用S-N曲线预估构件加固后的疲劳寿命。结果表明:CFRP布加固可有效增大焊接钢构件的疲劳寿命;合理修正S-N曲线后,可较准确的预估构件加固后的疲劳寿命。此次研究得到了较准确的结果,对焊接钢构件采用CFRP布加固后疲劳寿命的设计有参考意义。     

端部锚固CFRP板加固RC梁IC剥离过程非线性分析1

端部锚固预应力碳纤维增复合板(Carbon Fiber Reinforcement Polymer Laminate,简称CFRP板)加固钢筋混凝土结构目前最为常见的抗弯加固方式,为探讨端部锚固CFRP加固RC梁IC剥离过程的起始和演化,文章基于部分黏结作用复合梁理论,利用内聚力开裂模型模拟界面层的剥离过程,通过引入含残余强度的四线性黏结滑移本构模型模拟CFRP板与钢筋混凝土梁之间相对滑移带来的界面的变形协调和应力变形行为的非线性特征和软化特性,得到单一裂缝模式下中间裂缝剥离过程中相应的界面黏结剪应力,相对滑移量、CFRP板轴力分布以及加固构件整体荷载 跨中位移,荷载 跨中CFRP板应变的响应曲线,并与文献提供的试验数据进行对比。结果表明,理论计算结果与试验结果基本一致,可以反映端部锚固CFRP板加固混凝土梁的实际受力状态,为端部锚固CFRP板加固混凝土梁的受力分析和设计提供了理论参考。     

碳纤维布加固钢结构疲劳试验研究

钢构件疲劳损坏是钢结构破坏的主要形式之一 ,通过对拉 -拉应力状态下碳纤维布加固钢结构K形焊缝疲劳性能的试验研究与分析 ,认为在钢构件焊缝部位粘贴碳纤维能够有效降低焊趾处的应力集中 ,明显改善钢构件的疲劳性能 ,从而延长钢结构疲劳构件的使用寿命 ,具有很高的应用价值。