焊接、拉挤成型CFRP板与湿法缠绕成型CFRP布加固钢梁疲劳特性对比分析

采用3种不同方法,即焊接、碳纤维复合材料(CFRP)板或湿法缠绕成型CFRP布粘结,对有缺陷的钢梁进行加固,研究加固后钢梁的疲劳性能。选用了2种不同的CFRP材料和2种环氧树脂,对每根梁跨中截面的受拉翼缘进行削切。CFRP板和CFRP布加固钢梁的屈曲模式不同。研究发现,1层CFRP板和环氧树脂加固方法延长的疲劳寿命是单一焊接方法的7倍;4层CFRP布加固梁能够将疲劳寿命延长3倍。根据试验数据的平均值绘制S-N曲线,通过其预测类似CFRP材料加固钢梁的疲劳寿命,使用条形应变仪测定裂纹扩展速率。疲劳荷载作用下CFRP板抵抗裂纹扩展的性能优于CFRP布。最大应力和裂纹扩展速率之间的关系能够用于预测类似CFRP材料加固钢梁的裂纹扩展长度。     

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。     

疲劳荷载特性对8.8级M24高强度螺栓疲劳裂纹扩展机理影响探析

为研究常幅疲劳荷载特性对高强度螺栓疲劳裂纹扩展的影响,针对钢结构端板连接用8.8级M24高强度螺栓在不同应力比/应力幅作用下常幅疲劳试验所得到的24个试件断口形貌进行定量分析,并采用ABAQUS软件数值模拟高强度螺栓应力集中情况,探讨含初始裂纹高强度螺栓裂纹尖端应力强度因子与荷载特性、预制裂纹形状之间的关系。结果表明：在轴向受拉疲劳荷载作用下,螺母与螺栓啮合第1圈螺纹处为疲劳断裂最不利位置;试件断口稳定扩展区面积与应力比/应力幅呈负相关,快速扩展区面积与应力比/应力幅呈正相关;裂纹尖端应力强度因子随应力比/应力幅的增大而增大;预制半椭圆形裂纹短/长轴之比（a/c）越大,应力强度因子扩展有限元（XFEM）解与解析解误差越大。     

碳纤维复材加固开裂焊接十字接头疲劳性能研究

疲劳破坏是焊接钢桥在循环荷载下失效的常见形式,为了延长其寿命,需要对开裂结构进行加固修复。碳纤维复材(CFRP)由于优良的性能,广泛应用于混凝土结构加固中,而很少用于焊接钢结构。通过试验和有限元方法研究循环荷载作用下不同初始裂纹深度、CFRP布厚度和弹性模量对疲劳性能的影响。采用有限元软件ABAQUS分析加固和未加固焊接十字接头应力强度因子的变化规律,并与解析结果相比较。分析发现:未加固试件数值模拟解和理论解得到的应力强度因子误差很小,验证了数值模拟的准确性。当胶层分别采用CPE8和黏结单元(cohesive element)来模拟时,最大偏差为-3.4%。CFRP能够有效降低裂纹尖端处强度因子,延长其疲劳寿命,最大增幅达到67%。当CFRP布弹性模量和厚度越大,对裂纹尖端处应力强度因子的降低幅度越明显。基于Paris公式估算十字接头的剩余疲劳寿命,并将预测寿命与试验结果进行对比,发现吻合较好。     

碳纤维复材加固钢板表面裂纹疲劳扩展研究

提出半椭圆表面裂纹疲劳扩展的一种有限元计算方法,该方法利用有限元软件计算裂纹前缘应力强度因子,采用Paris公式预测裂纹扩展量,通过有限元网格的自动重构来模拟分析表面裂纹的疲劳扩展过程。以中心表面裂纹钢板为研究对象,验证了所提方法的有效性和可行性,在此基础上,对常幅疲劳荷载作用下碳纤维复材(CFRP)加固钢板的表面裂纹扩展特性及疲劳寿命预测进行了研究。研究结果表明:CFRP加固能有效降低表面裂纹的扩展速率,长度方向由于直接受到CFRP的约束作用扩展速率降幅更大;裂纹形状比对CFRP加固效果影响较大,形状扁平的表面裂纹的疲劳寿命提升效果更好;加固后裂纹形状比相对加固前有所增大,增幅与其初始裂纹尺寸有关。     

基于断裂力学的焊接钢梁疲劳寿命数值分析

研究应用断裂力学理论和有限元方法来数值模拟和预测焊接钢结构疲劳寿命的方法。首先基于两种具有不同焊接构造细节的钢梁疲劳试验中裂纹形成位置和扩展途径,建立了基于应力强度因子概念的疲劳裂纹扩展模型及相关参数;然后讨论如何利用有限元软件ABAQUS进行疲劳裂纹扩展过程中裂纹前缘的单元网格划分和应力强度因子的J积分计算,给出了疲劳寿命预测计算流程。最后经预测结果与试验结果的比较,验证了焊接钢结构疲劳寿命的数值分析模型和方法的适用性。     

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。     

带端部锚具碳纤维复材板加固开裂钢梁的界面剥离规律研究

黏接界面是碳纤维增强复合材料(CFRP)加固钢结构的最薄弱环节,尤其是钢梁缺陷处黏接层易开裂导致加固结构的破坏。对带端部锚具的CFRP加固开裂钢梁进行静载和疲劳试验,记录了试验过程中钢梁裂纹尖端开裂和胶层剥离情况。试验结果表明:静载作用下,界面剥离发生在跨中裂缝处并向两端延伸,端部锚具防止了CFRP板的通长剥离;端部锚具进一步提高了加固梁的极限承载能力,有利于提高加固梁的安全性;疲劳荷载作用下,界面剥离扩展速率在纯弯段基本不变,在弯段外加速扩展;静载作用下,钢梁腹板裂纹尖端开裂过程较缓,具有明显的塑性变形阶段,而疲劳荷载作用下裂纹尖端开裂则呈现突发性。     

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板与钢梁粘接的疲劳性能研究

CFRP板与钢构件粘接疲劳性能的研究目前还不多,制约了该加固技术在桥梁结构中的使用.对一组CFRP板加固钢梁进行了理论分析结合疲劳试验研究,将粘接层的疲劳寿命分为无裂纹寿命和裂纹扩展寿命两部分进行考虑.试验得出在最大疲劳荷载作用下的最大界面主应力和无裂纹寿命的s一Ⅳ曲线.其疲劳极限值约为静载作用下极限界面主应力的30%,与英国规程中的规定相符.由基于最大疲劳荷载时粘接层的能量释放率的Paris Law,推导裂纹扩散寿命的预测公式,并由试验结果求得该公式中的经验系数.与试验结果比较发现,该公式能较为准确的预测裂纹扩展的规律.试验结果还显示,疲劳荷载幅度对疲劳寿命有一定的影响,但远小于最大疲劳荷载的影响.     

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。     

碳纤维增强复合材料板补强平面外纵向焊接接头疲劳性能试验研究

以碳纤维增强复合材料(CFRP)补强的平面外纵向焊接接头为研究对象,对其进行疲劳性能试验。为了模拟初始损伤,在节点板两端焊趾处引入人工预制初始缺陷。分析了应力幅、单/双面粘贴和CFRP板弹性模量对试件疲劳性能的影响。试验过程中采用沙滩纹加载方式,得到了疲劳裂纹随着荷载循环次数的扩展情况。试验结果表明:试件沿着其中一条预制裂纹发生断裂破坏,另一条预制裂纹也有不同程度的扩展;普通弹性模量CFRP板补强试件发生黏结层内破坏,高弹性模量CFRP板补强试件发生CFRP板断裂破坏;采用粘贴CFRP补强方法能够有效提高焊接接头疲劳性能,其疲劳寿命延长至未补强的1.28~8.17倍;裂纹扩展速率明显减慢,在CFRP材料覆盖区域尤为明显。采用双面粘贴和高弹性模量CFRP材料可以取得更好的补强效果,试件疲劳寿命延长程度分别约为单面粘贴和普通弹性模量CFRP板补强试件的2倍和3倍。     

动力荷载作用下杆系钢结构节点疲劳裂纹扩展断裂破坏的分析方法

基于ANSYS有限元计算软件,提出杆系钢结构节点疲劳裂纹扩展断裂破坏的分析方法。首先介绍杆系钢结构节点子结构的多尺度有限元计算方法的原理和含三维裂纹节点子结构的有限元建模方法。其次提出疲劳裂纹扩展实时应力强度因子的计算方法及通过对节点子结构荷载边界条件采用分组的方式计算出多轴非比例加载情况下的应力强度因子幅的方法。再次通过Paris裂纹扩展公式完成裂纹扩展的疲劳寿命计算。最后通过一个铁路钢桁架桥工程实例的详细分析,得到其节点区疲劳裂纹扩展的全过程,并对此桥的疲劳寿命进行预测。     

碳纤维复材加固非承重十字焊接接头的应力强度因子与疲劳寿命数值研究

针对非承重十字焊接接头单侧、双侧裂纹两种情况,分别对其使用碳纤维复材进行单侧、双侧加固,通过有限元方法获得应力强度因子KI,利用NASGRO方程得到疲劳寿命,进而分别对在单侧、双侧裂纹下,两种碳纤维复材加固方法的效果进行比较与评估。结果表明:单侧裂纹时,单、双侧碳纤维复材加固均可提高结构的疲劳寿命,并且单侧加固效果略优于双侧;双侧裂纹时,双侧碳纤维复材加固可以显著提高结构疲劳寿命,但单侧加固反而缩短裂纹扩展寿命。为延长结构疲劳寿命、保证加固效果,需要根据单、双侧裂纹情况选择合适的加固方式。     

弯曲荷载作用下平板贯穿裂纹钻孔止裂试验研究

通过对15个预制裂纹平板试件进行疲劳加载,研究了弯曲荷载作用下钢桥面板钻孔止裂的止裂机理、钢板疲劳性能与影响止裂效果的因素。分析了钻孔后孔边萌生裂纹的起裂点、扩展路径与测点应力变化,对比了不同止裂孔孔位及孔径对试件剩余疲劳寿命的影响。研究结果表明:在弯曲荷载作用下,打孔后的再次开裂点位于原裂纹尖端前方孔壁点,并沿原裂纹方向扩展,孔边裂纹在钢板上、下表面共同扩展;随着裂纹的扩展,裂纹尖端区域能承受的最大应力值逐渐降低;该试验结果表明:止裂孔孔位在0.5 D～1.0 D之间的止裂效果较好,增大孔径可以延长钢板的剩余疲劳寿命。     

CFRP板-钢黏结界面的疲劳性能

开展了碳纤维增强聚合物（CFRP）板-钢双搭接试件的疲劳试验,考虑荷载水平的影响,分析了黏结界面的疲劳性能,比较了基于平均黏结应力幅或局部黏结应力幅的中值及设计疲劳曲线（S-N曲线）的适用性.结果表明：疲劳荷载下CFRP板-钢接头的主要破坏模式为钢-胶层界面剥离或钢-胶层/CFRP板-胶层界面剥离的混合破坏模式;不同荷载水平下荷载-位移曲线斜率的变化趋势大致相同;界面损伤从界面黏结应力较大的加载端开始,逐渐向自由端扩展,扩展至一定程度后界面突然断裂;采用幂函数公式预测试件的疲劳寿命时,基于平均黏结应力幅S-N曲线的拟合优越性更为显著,疲劳极限为1.88 MPa;最后,给出了具有95%可靠度的设计S-N曲线.     

CFRP加固疲劳损伤钢结构的断裂力学分析

金属结构,特别是承受反复荷载作用的在役钢结构,通常存在不同程度的缺陷和疲劳损伤。在钢结构的损伤部位粘贴FRP对其疲劳损伤进行加固具有很多优势。对含中央疲劳损伤裂纹钢板粘贴CFRP加固,改善其剩余疲劳寿命进行了理论分析。基于线弹性断裂力学理论,采用有限元计算模型对裂纹前端的应力强度因子进行了计算。并根据Paris_Erdogan裂纹扩展模型,计算了加固前后疲劳损伤钢板的剩余疲劳寿命,验证了这一加固方法的有效性。     

钢桥面板顶板-U肋焊缝开裂钢板补强维护效果研究

建立不同补强钢板厚度、宽度的分析模型,绘制焊根、焊趾应力分布曲线,分析不同补强钢板尺寸对裂纹尖端应力的影响。在此基础上,对比钢板补强试件模型(补强钢板厚度、宽度分别为10,300 mm)的开裂试件模型、未开裂试件模型的焊根应力分布情况,并结合相同几何参数的钢板补强试件的疲劳试验结果,从裂纹尖端应力变化、裂纹扩展速率、疲劳寿命等角度,对钢板补强维护效果进行评价。研究结果表明:裂纹尖端应力受补强钢板厚度影响较小,考虑到常见的顶板厚度与U肋厚度,在实际应用中可取补强钢板厚度为10 mm;补强钢板边缘对应的焊根、焊趾位置无应力突变现象;补强钢板宽度为3倍裂纹长度时,裂纹尖端应力下降约18%;在焊趾设置补强钢板可明显提升裂纹扩展寿命,与有限元分析结果一致。     

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。     

沪通铁路长江大桥主梁新细节疲劳性能试验研究

为了研究沪通铁路长江大桥主梁桁架斜腹杆过焊孔焊接细节的疲劳性能,根据相似理论设计了疲劳试验 模型,并完成了3组（9个）试件的疲劳试验研究。试验中测得了各个试件在不同应力幅值下的疲劳寿命与应变状 态;并建立试件的有限元模型对比分析试验结果。试验结果表明：疲劳试验中每个试件的裂纹扩展与破坏模式具 有一致性;有限元计算结果与试验测试结果吻合良好,且误差均在15%以内;通过试验数据拟合得到过焊孔构造 细节的S-N曲线,其斜率为1/2.66,与Eurocode3的71焊接细节S-N曲线存在一定的差异;失效概率为2.3%的200万 次对应的该焊接细节疲劳应力幅值为37.89MPa。