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。     

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。     

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。     

温度-荷载耦合作用下端锚CFRP加固RC梁受弯性能研究

为研究端部锚固对碳纤维增强聚合物(CFRP)加固钢筋混凝土(RC)梁高温性能的影响,进行了温度和荷载耦合作用下带有端部锚固的CFRP加固梁受弯性能试验,采用纯外贴、钢压板锚固和自锁式锚固等不同端锚形式,对比分析端部锚固措施对加固梁受弯性能的影响。结果表明：与纯外贴CFRP加固梁相比,端部锚固提高了加固梁常温及高温下的受弯性能;钢压板锚固在常温下可以有效限制CFRP端部剥离,CFRP强度利用率由43.6%提高至79.3%,极限荷载提高12%左右;但是温度达100℃后钢压板锚固无法限制CFRP剥离,承载力退化至未加固水平,加载过程中最大强度利用率只有50.5%;自锁式锚固法在任何温度下均可限制CFRP剥离,其破坏形式多为CFRP拉断,可以最大限度地提高CFRP强度利用效率;在试验温度100℃下极限荷载相比纯外贴形式的提高了22.7%,在试验温度120℃下极限荷载相比钢压板锚固试件仍提高10%。引入了承载力退化系数,给出了温度-荷载耦合作用下端锚CFRP加固梁正截面受弯承载力计算公式,计算结果与试验结果吻合较好。     

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。     

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。     

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。     

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。     

钢箱梁竖向加劲肋焊接接头疲劳裂纹碳纤维补强修复试验研究

针对钢箱梁顶板与竖向加劲肋焊接接头疲劳细节,选取了3个已有焊趾疲劳裂纹的局部足尺试件作为研究对象,采用CFRP补强法对其中一组试件焊趾裂纹进行修复,其他两组对比试件则在CFRP补强的基础上分别进行钻孔及裂纹焊合处理。修复结束后,采用疲劳试验机进行100 MPa等应力幅疲劳加载,并在试验结束后对试件进行切割,以获取裂纹扩展断面。对试验数据进行处理分析,分别从疲劳裂纹扩展寿命、扩展断面等角度对修复效果进行评价。结果表明:CFRP补强法可显著提高疲劳裂纹的扩展寿命;在CFRP补强的基础上进行钻孔或裂纹焊合处理可进一步降低疲劳裂纹的扩展速率;CFRP布参与工作后可明显降低试件截面的疲劳应力,但粘贴未施加预应力的CFRP布对于短裂纹则几乎没有修复效果。     

Durability performance of RC beams strengthened with epoxy injection and CFRP fabrics

Cracks in reinforced concrete (RC) should be repaired if they present the potential for durability related problems such as corrosion of reinforcing steel. One way to repair extensive cracks is the use of epoxy injection. Another repair technique to enhance shear or flexural strength in deficient RC members is the utilization of externally bonded carbon fiber reinforced polymer (CFRP) fabrics. The effect of environmental conditioning on crack injection with or without CFRP strengthening is of interest in this investigation. Test results showed that the crack injection provided an increase in initial stiffness for un-strengthened RC beams. An increase in initial stiffness and ultimate strength was achieved in CFRP strengthened RC beams. Surface roughness combined with crack injection significantly increased the flexural capacity of the specimens. Environmental conditioning significantly affected the bond performance of the epoxy injection. The presence of sustained load during environmental conditioning resulted in reduced section capacity and ductility.     

混锚预应力U形碳纤维条带抗剪加固混凝土梁试验研究

研发钢筋混凝土梁抗剪加固用U形纤维增强复材（FRP）条带的预应力系统,提出一种预应力U形条带端锚与黏贴并用（简称混锚）的抗剪加固方法。完成了1根未加固、7根采用U形碳纤维（CFRP）条带进行抗剪加固的矩形截面梁剪切试验,加固梁中1根为纯黏贴、6根为混锚预应力。结果表明：混锚预应力加固在抑制主斜裂缝开展、延缓箍筋屈服和提高箍筋塑性利用率等方面的表现均优于纯黏贴加固,能够防止FRP端部剥离并实现拉断破坏,大幅度提高纤维强度利用率,显著提高梁的抗剪承载力,最大提升率达92%。预应力和配纤率的大小对抗剪加固效果有较明显影响,其他条件相同时,预应力越大或配纤率越高,加固梁综合性能越好。建议了混锚预应力U形CFRP有效应变的计算公式,用于预测剪切破坏时CFRP的贡献和加固梁的承载能力,与试验结果符合良好,可供工程应用参考。     

预应力CFRP布加固腐蚀钢梁试验研究

通过切除钢梁下翼缘部分面积来模拟钢梁的局部腐蚀损伤,再粘贴碳纤维（CFRP）布于钢梁受拉翼缘进行加固修复,以此开展CFRP布加固腐蚀钢梁受弯性能的研究。共进行了6根CFRP布加固腐蚀钢梁试件的静载试验,根据钢梁受腐程度取翼缘宽度切除的比例分别为0%,50%和100%,切口宽度3mm,然后在钢梁下翼缘粘贴CFRP布或预应力CFRP布。试验结果表明,在加固钢梁的受拉翼缘屈服后,粘贴CFRP布能有效提高构件的承载力,预应力CFRP布加固能有效提高钢梁的屈服荷载和极限荷载。粘贴CFRP布、预应力CFRP布加固未腐蚀钢梁的极限荷载比原钢梁极限荷载分别提高12.9%、16.1%;CFRP布、预应力CFRP布加固腐蚀钢梁比原钢梁极限荷载分别提高6.5%、16.1%。在试验基础上,建立了预应力CFRP布加固腐蚀钢梁的承载力计算式,理论计算结果与试验结果吻合良好。     

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。     

体外预应力碳纤维布加固钢-混凝土组合梁的试验研究

本文主要研究体外预应力碳纤维板加固钢-混凝土组合结构简支梁桥的力学性能。从顶杆间引入碳纤维板预应力筋,既能对主梁施加预应力,又能在主梁底端提供一个向上的顶升力,减小原结构的挠度。因此,通过顶杆间引入碳纤维板预应力筋,可以提高加固施工的速度和效率。通过缩尺模型静力试验,研究了碳纤维布用量、预应力筋尺寸、顶杆数量等参数对组合梁刚度和承载力的影响。在张拉组合梁的弯曲试验中,通过增加预应力水平和CFRP板数量,有效提高了组合梁截面的弯曲惯性矩,对组合梁屈服承载力和极限弯曲承载力的加固效果提升明显,并且加固试件仍具有良好的韧性。对于第三个组合梁,使用15%预应力水平和3 mm厚度的CFRP板进行加固时,其极限承载能力提高了47.9%,下翼缘的屈服荷载提高了39.8%,弹性阶段的刚度提高了21.66%。     

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.     

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.     

碳纤维加固锈蚀混凝土梁短期疲劳性能研究

在不同荷载条件下,对8根钢筋混凝土梁进行试验,研究短期疲劳荷载作用下的变形、应力分布以及短期疲劳荷载作用后的力学指标。试验结果和分析表明:疲劳荷载对锈蚀钢筋混凝土梁的影响较大,明显降低试验梁的极限强度和延性;碳纤维加固后的锈蚀混凝土梁的极限承载力明显提高,且在破坏时具有良好的延性,承载力极限值可以提高22%～47%。碳纤维"U"形箍对试验梁的性能影响较大,没有粘贴"U"形箍的碳纤维加固试验梁在后期加载过程中,由于混凝土保护层的突然脱落而发生破坏。采用碳纤维材料加固后的较低锈蚀率的钢筋混凝土梁在经过短期疲劳荷载后依然能够具有良好的力学性能。     

Strengthening of old metallic structures in fatigue with prestressed and non-prestressed CFRP laminates

Test results and theoretical considerations on four different configurations of strengthened old steel plates with a centre notch loaded in fatigue are presented in this paper. The main interest of the research was to improve fatigue life by adhesive bonding of CFRP laminates on the steel surface, and this was achieved. Measurements included monitoring of crack growth and strains/stresses in the laminate and adhesive. Results showed that it was possible to lengthen the fatigue life almost four times as long as a reference specimen with non-prestressed laminates, and when prestressing laminates, crack growth was halted completely. A simple fracture mechanics solution was used to predict stop of crack growth for prestressed specimens, and a linear elastic model for stresses in the adherents and adhesive was used for design of the specimens. Both proved their reliability with well prepared and precisely fabricated specimens.