高载比和高载出现频率对随机加载疲劳裂纹扩展行为的影响

陈述了以１６Ｍｎ钢紧凑拉伸试进行的变幅加疲劳裂纹扩展行为研究。通过改变瑞利分布随机荷载谱的高荷载比和高荷载出现频率，改变得复单峰过载谱中高载出现频率，研究了这些因素对疲劳裂纹扩展和寿命的影响。实验表明：随机加载条件下，高荷载对裂纹扩展的影响没有单峰过载加载时大；高载比和高载出现频率是影响裂纹扩展的重要因素；在实验随机加载条件下；高载比和高于２．０时，高荷载才对裂纹扩展有明显的迟滞作用，高载比小于２     

循环荷载作用下钢筋与混凝土界面裂纹扩展的模拟

钢筋混凝土的界面脱粘是材料与结构破坏的一个重要方面,循环荷载作用下的界面疲劳问题研究越来越受到关注.基于剪切筒模型和常用加载方式,首先建立了循环荷载作用下钢筋与混凝土界面脱粘应力计算模型;借助断裂脱粘准则和描述疲劳裂纹扩展的Paris公式,得到了界面疲劳裂纹扩展速率、扩展长度以及脱粘界面上摩擦系数与循环加载次数的关系;对处于循环荷载作用下的钢筋与混凝土界面进行裂纹扩展的模拟计算与分析.     

变幅荷载中次高荷载对疲劳裂纹扩展的影响

通过１６Ｍｎ钢紧凑拉伸试件的变幅加载疲劳裂纹扩展试验，研究了次高荷载对裂纹扩展的影响。研究结果表明，次高荷载降低了最高荷载对裂纹扩展的迟滞效应，次高荷载值越接近最高荷载，降低迟滞的作用越大。次高荷载的这种作用可以解释单峰过载和随机加载裂纹扩展的很大差异。     

酸雨环境下Q420B钢材腐蚀疲劳裂纹扩展试验与模型研究

为研究特高压输电塔所用Q420B结构钢在酸雨环境下的腐蚀疲劳裂纹扩展行为,开展了Q420B的CT试样在人工酸雨喷雾腐蚀环境下的腐蚀疲劳试验。试验采用背面应变法监测裂纹长度,研究喷雾方式、pH值、应力比对裂纹扩展速率的影响。试验现象及断口分析表明,CT试样的断裂类型主要为穿晶疲劳断裂,腐蚀疲劳机制主要为阳极溶解机制。对于各工况,基于Paris模型推导了考虑模型参数随机性及da/dN数据波动性的腐蚀疲劳裂纹扩展速率P-da/dN-ΔK模型。结果表明,腐蚀疲劳裂纹扩展速率的离散性随应力强度因子幅的增大呈先减小后增大的趋势,该现象与Paris模型参数的线性相关性有关;相较于浸泡腐蚀,喷雾腐蚀下的裂纹扩展阶段存在明显的裂纹闭合效应,导致在ΔK较低阶段喷雾工况裂纹扩展速率均低于纯疲劳工况;腐蚀液pH值越低,裂纹扩展速率曲线斜率越大,但其初始速率也越低;应力比方面,增大应力比能明显缓解裂纹闭合效应,且裂纹扩展速率随应力比的升高而升高。     

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。     

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。     

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。     

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。     

超高韧性水泥基复合材料疲劳裂纹扩展规律研究

为了研究影响超高韧性水泥基复合材料(UHTCC)疲劳裂纹扩展规律的因素,进行了试验研究。通过调整UHTCC动态断裂试验的加载条件和试验参数得到荷载幅值、加载频率和缝高比对疲劳裂纹扩展速率的影响关系。并通过试验数据拟合,确定了缝高比分别为0.33、0.40的疲劳裂纹扩展公式参数。试验结果表明:加载条件中,荷载幅值对疲劳裂纹扩展速率影响最大,荷载幅值越大,裂纹扩展速率越大;加载频率增大时,裂纹扩展速率趋于减小;在一定范围内,初始缝高比越大,疲劳裂纹扩展速率越大。     

超高韧性水泥基复合材料疲劳裂纹扩展速率影响因素研究

依据疲劳裂缝扩展规律的Paris公式,采用尺寸为80mm×150mm×700mm和100mm×100mm×400mm及裂缝缝高为50mm和60mm的试件,进行试验探究裂纹扩展速率的相关影响因素,即荷载幅值、缝高比等对裂纹的扩展速率的影响。结果表明:荷载幅值、缝高比等因素都对疲劳裂纹的扩展有较大影响,同时得出疲劳裂缝覆盖面积A的变形趋势与最大CMOD基本趋于一致,随着荷载循环次数的增加呈现出五阶段发展。     

钢箱梁顶板与竖向加劲肋疲劳裂纹的冲击裂缝闭合修复试验研究

针对我国钢箱顶板与梁竖向加劲肋构造细节,考虑我国钢材的力学性能,选取了2个疲劳裂纹开裂特征相近的试件,开展钢箱梁疲劳裂纹冲击裂缝闭合修复(ICR)试验研究。通过分析修复后疲劳裂纹扩展断面特征及扩展速率,得到了ICR修复后疲劳裂纹扩展规律。试验结果表明:ICR修复后能够延缓裂纹沿深度和长度方向的扩展,形成了裂纹扩展迟滞效应,并且焊缝部位的应力产生了重分布,提高了焊趾附近的应力幅,降低了裂纹尖端附近的应力幅,对延缓疲劳裂纹扩展起到促进作用。同时,以疲劳剩余寿命为指标,对比了止裂孔和ICR技术的修复效果,表明ICR技术具有更好的修复效果。     

建筑外墙外保温系统锚栓变幅疲劳性能试验研究

分别对不同基材、不同锚入深度和不同循环荷载下的锚栓进行抗拉试验、常幅疲劳试验和变幅疲劳试验，研究锚栓的抗拉承载力标准值F和疲劳性能。结果表明，锚栓在不同基材上的抗拉承载力标准值由大到小为：C40混凝土、C30混凝土、A5.0砌块、A3.5砌块、A2.0砌块。锚栓的常幅疲劳次数与抗拉承载力标准值不完全成正比，会受到循环荷载与锚入深度的共同影响。A3.5砌体基材上锚栓的常幅疲劳性能最好，当锚入深度为75 mm时最经济。通过锚栓变幅疲劳试验发现，在A3.5砌体基材中，前期0.3F的初始循环荷载对锚栓疲劳性能造成的损伤随初始循环荷载的增加而增大，应力等级损失Di最高可达0.40810。     

环口板加固T型圆钢管节点的应力集中系数

由于焊接钢管结构在焊缝处的刚度具有不连续性,因此,该部位存在很高的应力集中现象.局部高应力的存在,使节点在长期循环荷载的作用下,会产生微小的疲劳裂纹,而疲劳裂纹的扩展最终会导致整个节点的疲劳破坏.在研究管节点疲劳破坏时,主要通过热点应力幅（S-N曲线方法）确定其疲劳寿命.在计算焊缝处的热点应力幅大小时,经常用到焊缝周围...     

核电含缺陷管道共振下疲劳裂纹扩展速率分析

针对核电一回路含缺陷主管道在内压波动、机械振动状况下,管道会产生明显的振动疲劳效应问题,建立了核电一回路含缺陷管道动态有限元模型研究动态特性对主管道疲劳裂纹扩展速率的影响。运用ABAQUS对核电一回路含缺陷主管道在静态内压和弯矩幅值下进行分析,得到静态裂纹应力强度因子及其前缘应力;然后对主管道在幅值相同的简谐循环载荷作用下进行分析,得到共振疲劳效应下的动态裂纹应力强度因子及其前缘应力;最后运用Paris公式分别得出静态与动态作用下疲劳裂纹扩展速率。研究结果表明:在内压及弯矩下,共振疲劳作用分别会提高裂纹最深点应力强度因子及其前缘应力50%~100%和16%~23%,同时二者分别会提高疲劳裂纹扩展速率将近5倍。     

预裂纹混凝土拉压疲劳荷载下裂纹扩展速率

为研究C50混凝土预裂纹在拉压循环荷载下的扩展速率,进行了应力比为-1,应力幅值为020~130MPa的拉压疲劳试验.针对混凝土在拉压疲劳荷载下裂纹扩展时其长度不易确定的问题,提出潜行等效裂纹长度假说对试验结果进行分析.结果表明：混凝土裂纹第1阶段起始扩展区和第2阶段稳定扩展区比较明显,第3阶段加速扩展区不明显,在稳定扩展区后期,裂纹扩展曲线的斜率并不像金属那样快速增加,而是增幅趋缓,在稳定扩展阶段后期无征兆突然破坏,与混凝土脆性断裂的特性相一致.利用最小二乘法拟合得到裂纹扩展速率Pairs公式中的参数C,m,在考虑50%,90%,99%的存活率时,C可在031~045,076~099,122~198中取值,m取值范围对存活率大小的敏感性较低,可在30~48之间取值.     

路用水泥混凝土疲劳损伤的可靠度分析

为获得路用水泥混凝土在高应力比作用下疲劳可靠度的变化规律,首先推导了水泥混凝土疲劳寿命等单调随机变量的概率密度,然后推导了Miner, Chaboche Zhao和修正Chaboche Zhao疲劳损伤模型的损伤概率密度;借助疲劳试验结果,获得这3种模型的疲劳损伤概率密度函数,最后将荷载循环作用次数代入上述函数,从而获得水泥混凝土疲劳可靠度随荷载循环作用次数的变化规律.结果表明：随着荷载循环作用次数增加,相同应力比下,疲劳可靠度从几乎为100%逐渐衰减为0%;无论何种应力比,在荷载循环作用初期,疲劳可靠度均有一个较稳定阶段,但随着应力比的增加,该阶段逐渐减小,且可靠度为0%时对应的荷载循环作用次数也减小;在可靠度衰减阶段,对于相同荷载循环作用次数,应力比越高,则可靠度越低;此外,Miner疲劳损伤模型比修正Chaboche Zhao疲劳损伤模型偏安全.     

钢丝裂纹扩展估算模型及其在预腐蚀疲劳寿命计算中的应用

为给桥梁缆索高强度钢丝损伤容限分析提供实用的裂纹扩展计算参数,根据钢材相关试验的结果统计了珠光体钢丝门槛值ΔKth和裂纹扩展计算数据,建立适用于不同屈服强度和应力比的钢丝裂纹扩展经验模型。在此基础上,提出基于一维裂纹扩展假定的预腐蚀钢丝疲劳寿命预测方法,并对锈蚀钢丝恒幅和变幅疲劳寿命进行实例分析。结果表明,珠光体钢材的屈服强度和门槛值之间的相关性随着屈服强度和应力比的提高而增强|提出的钢丝裂纹扩展模型和初始裂纹深度假定可较好地模拟腐蚀钢丝恒幅疲劳试验的离散性和疲劳极限性质|腐蚀钢丝变幅疲劳评估结果对门槛值变化较敏感|按保守门槛值的预测寿命显示,轻微均匀锈蚀钢丝若及时采取养护措施,可在桥梁常规检修期内继续使用。     

疲劳裂缝扩展规律及随机荷载作用下的计算机模拟

本文从疲劳裂缝扩展规律和荷载的随机性两个方面来研究钢结构疲劳问题。依据16Mn钢母材、焊缝、熔合线和热影响区等部位裂缝扩展速率的测定结果,建立了门槛值和扩展速率公式,并用它来分析钢结构的疲劳性能。 经统计分析建立疲劳荷载的概率模型,并用统计模拟法(Monte-Carlo法)产生相应伪随机荷载序列。在随机加载试验的基础上,建立考虑高、低应力相互作用的裂缝扩展物理模型和计算公式,提出了计算随机疲劳寿命的程序。 为简化计算,对焊接结构,本文从裂缝扩展门槛值得出截止应力,并从断裂分析导出了随机荷载的等效常应力幅公式。这样便可先按常幅条件计算疲劳寿命,然后再考虑非线性累积损伤的影响,计算值与试验结果相吻合,故可供工程设计应用。     

阵列式布设内栓钉的钢管混凝土K型节点足尺模型疲劳性能研究

为研究阵列式布设内栓钉的钢管混凝土K型(CFST KS)节点疲劳性能,进行CFST KS节点和不布设内栓钉的钢管混凝土K型节点(CFST K)足尺模型的疲劳试验和有限元研究,对比分析了2种节点的热点应力分布、疲劳裂纹扩展过程和疲劳破坏模式,研究了内栓钉布设区域与排布方式对热点应力的影响,采用基于热点应力的S-N曲线探讨疲劳寿命的判定标准与疲劳寿命评价方法。结果表明：CFST KS节点的热点应力宜采用3点外插法计算,最大热点应力位于冠点处;CFST KS节点的疲劳性能演化过程可以分为疲劳裂纹的萌生、扩展和破坏三个阶段,CFST KS节点较CFST K节点在裂纹扩展阶段荷载反复次数更高,在裂纹破坏阶段疲劳裂纹的扩展速率更低,由于布设了内栓钉,疲劳裂纹扩展至鞍点附近后不再继续沿着相贯线方向扩展,而往主管环向且与主管轴线呈一定角度发展;建议采用CFST K节点冠点应变峰值变化15%对应的荷载反复次数作为疲劳破坏的判定基准;提出了基于热点应力的CFST K节点疲劳设计S-N曲线,并依据S-N曲线预测在同等热点应力幅下,布设内栓钉可以使CFST K节点的疲劳寿命提高45%;减少支管侧内栓钉的轴向间距和径向间距可以提高节点的疲劳性能,非支管侧的栓钉布置、栓钉的尺寸以及栓钉的轴向布置范围对疲劳性能的影响较小,栓钉的轴向布置范围对栓钉自身的受力状态有所影响;基于CFST KS节点静力与疲劳性能提出了内栓钉的合理布置形式。     

随机变幅疲劳荷载下CFL增强RC梁疲劳寿命的试验研究

基于321国道上1个月内通过某桥的随机车流量数据,经过一系列的转换得到试验用的随机变幅疲劳荷载谱,并通过MTS810疲劳试验机实现了随机变幅疲劳荷载下碳纤维薄板（CFL）增强RC梁三点弯曲疲劳试验。试验结果表明：与普通RC梁相比,CFL的加固显著提高了随机疲劳荷载作用下RC梁的疲劳寿命,改善了其疲劳性能;随机变幅荷载下增强梁的疲劳损伤演化和疲劳破坏模式与常幅疲劳荷载相同;但随着疲劳荷载水平和荷载幅值的增大,随机变幅疲劳荷载作用下构件的疲劳寿命低于常幅疲劳荷载作用下得到的寿命,因此结构设计中采用常幅疲劳试验结果估算实际服役构件的疲劳寿命和进行疲劳设计是不安全的。