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。     

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.     

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。     

FRP布置方式对含裂纹钢板加固后的疲劳性能影响分析

以FRP加固的含中心裂纹和单边裂纹钢板为研究对象,在等刚度加固条件下,对FRP平铺和叠加方式加固的含裂纹钢板的疲劳性能进行研究,比较两种布置方式加固的含裂纹钢板的应力强度因子和裂纹扩展寿命,并对影响因素进行参数分析。结果表明,FRP布置方式对含裂纹钢板的疲劳性能有明显影响。对于含中心裂纹钢板,两种布置方式加固后钢板的裂纹扩展寿命比值受FRP厚度和初始裂纹长度的影响较大,在文中试件参数下,叠加与平铺方式加固试件的裂纹扩展寿命比值为0.620~1.063。对于含单边裂纹钢板,叠加方式的加固效果明显好于平铺方式,并随着FRP厚度和胶层厚度的增加,叠加方式相比于平铺方式的优势更加明显,在文中试件参数下,叠加方式的裂纹扩展寿命可以达到平铺方式的3倍以上。最后,提出实际工程加固中FRP的布置建议。     

钢板-混凝土组合受弯加固梁疲劳性能试验研究

通过对8根钢板-混凝土组合受弯加固简支梁（以下简称组合加固梁）的等幅疲劳加载试验，研究了组合加固梁在疲劳荷载作用下的寿命及应变变化规律。试验结果表明：组合加固梁的疲劳破坏是由钢板裂纹从栓钉焊趾处开始缓慢扩展直至贯通导致的，与普通钢筋混凝土梁相比，组合加固梁的疲劳破坏具有较好的延性；钢板应力幅对组合加固梁的疲劳性能影响较大，实际设计时应严格控制钢板的应力幅和应力上限，不宜采用高强钢材和较薄的钢板；加固层预应力可有效提高组合加固梁的疲劳性能；按TB 10002.2-2005《铁路桥梁钢结构设计规范》中规定的焊有栓钉的受拉钢板的S-N关系对钢板-混凝土组合加固梁的钢板进行疲劳设计偏于安全。另外，提出了考虑应力水平影响的组合加固梁疲劳寿命的计算方法。图19表6参12     

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。     

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。     

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。     

直角突变式支座薄腹钢吊车梁疲劳性能评估与加固技术研究

设直角突变式支座的薄腹钢吊车梁，在吊车荷载作用下，腹板平面外变形产生的弯曲应力导致吊车梁腹板的疲劳性能明显降低。实际工程中的直角突变式支座薄腹吊车梁，在插入板端部位置的腹板沿竖向产生疲劳裂纹，裂纹长度最大达到300 mm,继续开裂会严重威胁生产安全。通过实测开裂的直角突变式支座薄腹吊车梁的动态应力、欠载效应的等效系数及平面外动态变形，得出吊车运行频繁程度和插入板端部切角弧度是影响插入板端部位置腹板疲劳强度的关键因素。采用有限元法和疲劳裂纹扩展分析技术，对直角式突变支座薄腹吊车梁插入板端部的腹板开展了拟静态疲劳裂纹扩展模拟，得出裂纹长度与应力强度因子的关系曲线。提出了适用于直角突变式支座薄腹吊车梁的钢板高强螺栓加固和“贝壳板”焊接加固两种加固方法，并对比分析了两种加固方法的有效性。证明钢板高强螺栓加固和“贝壳板”焊接加固均可有效降低裂纹尖端的应力强度因子，提高直角突变式支座薄腹钢吊车梁疲劳强度。     

钢板加固螺栓球节点力学性能试验研究

针对螺栓球节点高强螺栓漏拧、少拧的情况,实际工程中常采用焊接钢板加固螺栓球节点来保障螺栓球节点承载力。为探究钢板加固螺栓球节点的破坏形式及极限承载力规律,对三组高强螺栓拧入深度0.5d(d为螺栓直径)螺栓球节点采用钢板加固并进行受拉承载力试验。试验结果表明,钢板加固螺栓球节点虽能提高节点的承载力,但试件高强螺栓和钢板变形很难协调,共同受力不理想,易发生局部破坏。故对原有加固方法进行改进,并进行加固后螺栓球节点拉伸破坏试验。结果表明,改进后的钢板加固螺栓球节点力学性能得到很好的提升,可为螺栓节点加固提供保障。     

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。     

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。     

摩擦型连接高强螺栓节点的疲劳性能分析

基于断裂力学疲劳裂纹扩展理论,分析了摩擦型连接高强螺栓疲劳性能与连接接触面摩擦系数和温度的关系。建立摩擦型高强螺栓3维有限元模型,计算其在不同摩擦系数和温度下的疲劳寿命和疲劳损伤。结果表明:摩擦型连接高强螺栓节点的疲劳寿命随着摩擦系数的增加而降低,随温度的增加而降低。抗摩擦系数越大疲劳损伤越严重,温度越高结构的疲劳损伤也越大。随摩擦系数增加,接触面的几何不连续程度增加,导致裂纹的扩展速率加快、结构的安全系数降低;随温度的升高,结构的安全系数降低。研究成果可为今后相关构件的疲劳设计提供参考。     

CFRP-OFBG板加固损伤钢梁抗弯疲劳试验及其寿命预测研究

为研究采用碳纤维增强复合材料(CFRP)加固后钢梁的疲劳性能,采用自主研发的具有自监测性能的智能碳纤维-光纤光栅板(CFRP-OFBG板)加固受损钢梁,在完成常幅荷载四点弯曲疲劳试验的基础上,研究不同应力幅作用下CFRP-OFBG板加固钢梁的疲劳性能。借助有限元方法,建立“三维实体”有限元模型,结合J积分计算方法求解得到加固钢梁裂纹尖端的应力强度因子,基于线弹性断裂力学理论建立疲劳裂纹扩展模型,对CFRP-OFBG板加固钢梁的疲劳裂纹扩展寿命进行预测。研究表明：CFRP-OFBG板的加固作用可有效提高受损钢梁的疲劳寿命,延缓裂纹扩展速率,改善裂纹尖端的受力状态,降低裂纹尖端的应力强度因子;在循环荷载作用下,CFRP-OFBG板加固试件的疲劳寿命均随着应力幅的增大呈现递减趋势。将试验结果与预测结果相比较,发现加固试件疲劳寿命预测值比试验值略高,分析认为,这主要是因为在有限元模拟时没有考虑到试验中CFRP-OFBG板的局部剥离。     

疲劳裂纹钻孔止裂技术研究

结构在循环荷载作用下可能产生疲劳裂纹，裂纹通常源于应力集中部位，在往复荷载作用下会不断扩展直至结构破坏。对于带有贯穿型裂纹的钢板，钻孔止裂是一种很好的临时修复措施。钻孔止裂是在裂纹尖端钻孔，以消除局部的应力集中，阻止裂纹的继续扩展。对特定的疲劳裂纹，止裂孔的直径会影响钻孔止裂的效果。通过弹塑性有限元分析，确定不同直径止裂孔的孔边最不利应变幅值，利用局部应力应变——寿命法，分析和比较了不同止裂孔直径对疲劳裂纹再生寿命和止裂效果的影响。     

某轨道交通走行面伸缩缝预埋件加固性能试验研究

某轨道交通走行面伸缩缝两侧的预埋件在车辆运行过程中出现个别松动现象,预埋件处混凝土局部开裂压碎,给车辆运行带来安全隐患。本文在损伤调查及分析预埋件受力状态和损伤机理基础上,提出了加固处理方案,并进行了3个足尺伸缩缝预埋件节点试件的疲劳试验,对比研究了植筋塞焊固定钢板和化学锚栓固定钢板的加固效果。试验结果表明:植筋塞焊固定钢板和化学锚栓固定钢板均有较好的加固效果,且化学锚栓固定钢板加固试件的刚度优于植筋塞焊固定钢板的加固试件;3种工况试验试件的疲劳寿命均大于300万次,化学锚栓固定钢板加固试件的疲劳寿命甚至大于1000万次。本文提出的加固方法和研发的无机胶黏剂对于类似工程和提高钢筋混凝土后锚固节点承载力具有推广价值。     

芳纶纤维布层数对加固梁疲劳性能的影响

通过芳纶纤维加固钢筋混凝土梁的疲劳试验,得到了钢筋的应变滞回曲线和加固构件的抗弯刚度随循环次数衰减的规律,探讨了芳纶纤维布层数对加固构件疲劳性能的影响.试验表明:采用芳纶纤维进行加固后,钢筋混凝土梁的抗弯、抗裂疲劳性能得到了极大改善,损伤混凝土结构的使用寿命得到有效延长,从而验证了芳纶纤维加固钢筋混凝土结构的有效性和可行性.