CFRP与钢材的粘结性能试验研究

与传统的钢结构加固方法相比,粘贴CFRP加固钢结构具有明显的优势。CFRP与钢结构之间的粘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很少。从众多的粘结材料中优选出适合于粘贴CFRP加固钢结构的粘结剂,设计相应的试件,对CFRP与钢材之间的粘结强度和粘结耐久性进行试验。试验结果表明:选用的3种粘结剂可以作为粘贴CFRP加固钢结构的粘结材料,性能满足设计要求。对粘贴碳纤维布加固钢板进行静力拉伸试验,测量碳纤维布的应变分布,得到碳纤维布与钢板之间的粘结应力分布和碳纤维布的有效粘结长度。并与理论公式的计算结果进行了对比,二者吻合较好。     

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。     

边界元奇异与近奇异数值积分方法及其应用于大规模声学问题

提出了综合处理Burton-Miller方法所导致的奇异积分与近奇异积分问题的数值求积方法,以此改进了基于常量元素的常规边界元和低频快速多极边界元方法。对于奇异积分问题,利用Hadamard有限积分方法进行解决;对于近奇异积分问题,则采用极坐标变换法和PART方法(Projection and Angular&Radial Transformation)进行克服。与解析解和LMS Virtual.Lab商业软件的结果比较验证了方法的正确性,并对比分析了奇异积分与近奇异积分对计算精度的影响。采用低频快速多极子方法以加速常规边界元法的计算效率,计算分析了计算复杂度,并成功实现了34万自由度大规模问题的计算。结果表明,近奇异积分问题主要由超奇异核函数引起,对计算精度的影响不容忽略;快速多极边界元法的精度与常规边界元法一致,但计算复杂度要远低于后者。     

裂纹问题双边界元法中奇异积分保形变换计算方法

断裂是土木工程构件常见的一种破坏形式,也是计算力学中的难点。边界元法相比有限元法在处理裂纹问题上具有独特优势,目前采用的计算方法主要有子域法和双边界元法。为了避免病态矩阵出现,双边界元法在处理裂纹问题时,在上下裂纹面分别采用位移边界积分方程和面力边界积分方程,同时需要处理不同阶次的奇异积分。本文在传统奇异分解法的基础上,引入了保形变换,消除了积分单元几何形状对奇异积分计算精度的影响。计算结果表明,本文所提出方法可以有效地减少奇异积分所采用的高斯点数量,且对于不同网格划分形式并不敏感。     

拉弯组合荷载下CFRP加固钢板表面裂纹应力强度因子分析

采用"三维实体-弹簧-壳"有限元模型对承受拉弯组合荷载的CFRP加固钢板表面裂纹应力强度因子(SIF)进行计算,并研究了拉弯应力比、裂纹特征及粘贴层数等因素对加固效果的影响。研究结果表明:采用CFRP加固,可显著降低钢板半椭圆表面裂纹前缘的应力强度因子;最大名义拉应力相同的条件时,CFRP的加固效果随拉弯应力比的增大而降低;裂纹特征对加固效果影响较大,对于裂纹面面积较大及形状扁平的裂纹CFRP会取得更好的加固效果;增加CFRP层数能在一定程度上提升加固效果,但加固效果与其粘贴层数并不成正比,需考虑胶层传递荷载能力以免造成材料的浪费。     

干湿循环下钢与碳纤维增强复合板搭接接头的拉伸试验研究

碳纤维增强复合材料(CFRP)加固钢结构在实际工程中,往往遭受到湿热环境的影响而导致加固结构失效。通过对8个钢与CFRP板搭接接头试件的拉伸试验,分析干湿循环对钢和CFRP黏结界面的破坏模式和极限荷载的影响。试验结果显示:钢和CFRP板的搭接接头在干湿循环的影响下会显著降低其抗拉承载力,干湿循环90次后试件承载力趋于稳定;通过理论计算式推算出最大界面主应力试验结果与理论计算结果的偏差在15%以内,验证了理论计算式的准确性。     

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。     

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.     

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。     

求解二维瞬态弹性动力问题的速度型边界单元法

本文提出了一种新的边界积分方程─—速度型边界积分方程，它不但能提高速度、加速度解的光滑性和精度，而且完全消除了积分核函数在波阵面上的奇异性。此外，本文还提出了计算曲线单元上柯西奇异积分的新方法，它能使奇异积分转化为普通积分。本文工作为促进时域边界元法在地震工程领域中的应用创造了条件。     

Crack propagation prediction of CFRP retrofitted steel plates with different degrees of damage using BEM

Although carbon fibre reinforced polymer (CFRP) materials have proven effective in strengthening steel structures especially when used to improve fatigue behaviour, further study is required to investigate their effectiveness when applied at different stages of crack propagation in steel elements. This paper presents a numerical study on CFRP retrofitted steel plates with different degrees of damage using the boundary element method (BEM). The numerical results compared well with the experimental data, which demonstrated that the BEM is reliable for crack propagation analysis of CFRP laminate retrofitted steel plates. Finally, a parametric analysis was conducted to investigate the influence of bond length, bond width, CFRP stiffness and adhesive shear modulus on stress intensity factor (SIF) values.     

碳纤维加固钢压杆的简化稳定分析

碳纤维加固具有自重轻、抗拉强度高、易施工、耐久性好等优点,被广泛应用于加固钢筋混凝土结构,并开始推广应用于加固钢结构。采用碳纤维加固钢压杆,对其稳定承载力进行简化分析,并推导出加固后钢压杆临界荷载和稳定系数的计算公式。     

外贴CFRP或钢条带加固混凝土双向板的受力性能及承载力计算

外贴碳纤维(CFRP)布和钢板补强技术已广泛用于加固钢筋混凝土结构,迄今为止,对外贴碳纤维或钢板的加固梁的研究已做了许多,但对用该技术加固钢筋混凝土板的研究还很少。为此,本文着重对受集中荷载的外贴碳纤维或钢板条带的钢筋混凝土加固双向板的受力性能进行了试验研究。并采用塑性铰线理论对该类板的塑性铰线模式和加固板的承载力进行了分析和计算。     

非连续边界元分析中的几个问题

对影响非连续边界元分析精度的配位点选择问题进行了讨论；利用非连续边界元一有限元耦合方法对文献（1）针对耦合方法提出的分片检验例子进行了计算，结果表明：只要合理地处理角点问题，常规耦合方法具有很高的精度。     

粘贴碳纤维布或钢条带加固混凝土双向板承载力的塑性条带计算法

外贴高性能碳纤维 (CFRP)布和薄钢板条的补强技术可有效地加固钢筋混凝土结构。基于对受集中荷载的外贴碳纤维布或钢条带的钢筋混凝土双向板的试验研究 ,并在Hillerborg高级条带法的基础上提出了计算外贴条带加固双向板承载力的塑性条带法 ,该法比Hillerborg高级条带法具有更高的计算精度 ,且仍偏于安全。     

Thermal stress measurement in steel plate strengthened by CFRP and aluminum alloy plates

In steel members strengthened by carbon-fiber reinforced polymer (CFRP) plates, the thermal stresses are introduced in the steel members, the CFRP plates and the adhesive layers when temperature changes because the linear thermal expansion coefficients of steel and CFRP are mismatched. As so far, the authors proposed a technique to reduce the thermal stress in steel members strengthened by CFRP plates, which involves bonding aluminum alloy plates with CFRP plates. In the proposed method, the thermal stress in steel member can be reduced so that there are negligible levels of stress in steel member when the cross sectional areas of CFRP and aluminum plates are designed to correspond to the coefficient of thermal expansion of steel, even though the thermal stresses are introduced in the CFRP and aluminum plates. In this study, to confirm the maintaining the thermal stress reduction in steel member by proposed method, thermal stress measurement in steel plate strengthened by CFRP and aluminum plates was carried out about 21 months. In this research, the thermal stress introduced in the steel plate strengthened by CFRP plates was also measured. Furthermore, to assume the thermal shear and normal (peel) stresses in adhesive layers, FE analysis with plane stress element was employed. As the result, it was shown the thermal stresses in steel plate with CFRP plate were able to calculate by using composite theory and measured temperature. Furthermore, in steel plate strengthened by CFRP and aluminum plates, the thermal stress introduced in steel plate was negligible-small through the all-season. It was found the thermal stresses in steel plate with CFRP plates as well as CFRP and aluminum plates were also estimated by using composite theory and measured temperature. In the steel plate strengthened by CFRP and aluminum plates, the thermal shear and normal stresses in adhesive layer glued to steel plate become smaller than that in the conventional CFRP bonded specimen. However, the shear stress in adhesive layers between CFRP and aluminum plates in proposed method was higher than the thermal stress in adhesive layers between CFRP plates in conventional method.     

CFRP加固旧木柱性能的试验研究

通过8根CFRP加固旧木柱的试验,重点研究了CFRP形式、层数对加固旧木柱受力性能的影响。研究结果表明,粘贴CFRP布加固的旧木柱受压承载力提高9．2％～26．6％,延性性能也得到明显改善。采用角钢加固并用CFRP包裹后木柱的受压承载力提高68．0％。CFRP加固旧木柱能显著提高其受压承载力和延性,可应用于木结构维修加固的工程实践：     

CFRP加固钢筋混凝土受弯构件中美规范对比分析

对比分析了我国规程CECS146:2003和美国ACI440F指南对外贴CFRP加固钢筋混凝土受弯构件在材料性能指标确定、计算公式体系上的不同.并通过参数分析,研究了不同配筋率条件下加固后截面分别按照中美规范计算所得的承载力增幅的变化规律.结果表明,在配筋、配布总量较小和较大时,我国规程CECSI46:2003的计算结果明显高于ACI440F指南,而当配筋、配布总量居中时,我国规程CECS146:2003由于引入材料分项系数,采用混凝土、钢筋的设计强度,致使计算所得的CFRP有效应变减小,并且折减的幅度与ACI440F的折减系数相当,因而计算结果也基本相同.     

Strengthening of steel–concrete composite girders using carbon fiber reinforced polymer plates

Strengthening and rehabilitation of structures is a major concern for researchers in the civil engineering community in recent years due to the aging of these structures and the need for effective methods of strengthening. This paper presents the results of an experimental study of the behavior of strengthened steel–concrete composite girders using Carbon Fiber Reinforced Polymers (CFRP) plates. Strengthening was achieved by attaching the CFRP plates to the bottom flange and in some beams the CFRP plates were also attached to the beam web. Two different types of CFRP plates were used being mainly different in the tensile modulus of elasticity. Shear stress distribution along the bond line between CFRP plates and steel was recorded and reported. The test results showed that using lightweight CFRP plates could enhance the strength and stiffness of steel–concrete composite girders up to 45% of the original strength.     

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。