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。     

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。     

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.     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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.     

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。     

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。     

超声冲击与CFRP复合加固焊接接头疲劳性能研究

采用超声冲击或粘贴CFRP等方法都可以起到加固焊接接头的效果,但仍难以满足部分接头的加固需求,且对两种方法的加固机理研究不足。为此,提出了采用超声冲击和CFRP复合加固的方法,设计了仅超声冲击处理、仅粘贴CFRP和复合加固方法的试件以及一组未处理的对比试件并进行了疲劳加载试验。结果表明：采用三种处理方法均可以有效提升焊接试件的疲劳强度和疲劳寿命;超声冲击处理后对焊接结构焊缝残余应力的消除作用明显,消除率高达200%以上;采用CFRP加固可以阻碍裂纹扩展,但对焊接缺陷改善效果较小;复合加固方法结合超声加固方法和粘贴CFRP方法的优点,既可以通过超声冲击实现应力重分布,又可以通过CFRP高强度高弹性模量的特点阻止裂纹的产生与发展。     

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。     

疲劳荷载下CFRP布加固损伤钢筋混凝土梁粘结性能试验分析

在加固工程中,CFRP布-混凝土界面的有效粘结是决定加固效果的关键因素。针对四根已产生疲劳损伤的足尺钢筋混凝土梁进行CFRP布加固,考虑原钢筋混凝土梁损伤程度和疲劳幅值影响,对CFRP布加固损伤钢筋混凝土梁界面的粘结性能进行疲劳试验研究,探讨CFRP布-混凝土界面在疲劳荷载作用下的粘结应力分布以及加固后试验梁的疲劳粘结性能。结果表明:试验梁初始损伤程度和疲劳幅值越大,CFRP布-混凝土界面的粘结性能越差,疲劳寿命越小;当疲劳幅值超过0. 6时,加固梁的疲劳寿命急剧下降,发生脆性疲劳粘结破坏。     

碳纤维布加固钢筋混凝土吊车梁的疲劳损伤机理及损伤累积性能研究

以碳纤维布(CFRP)加固损伤钢筋混凝土吊车梁的抗弯疲劳试验研究为基础,分析了加固吊车梁中钢筋疲劳破坏产生的原因,揭示了CFRP加固钢筋混凝土吊车梁的疲劳破坏机理。建立了碳纤维布加固钢筋混凝土吊车梁的疲劳累积损伤模型,并根据所建立的吊车梁的疲劳累积损伤模型,对本文试件进行了疲劳损伤程度分析。研究表明,采用CFRP加固钢筋混凝土吊车梁的剩余抗弯刚度来度量其疲劳损伤变量,具有明确的物理意义。在此基础上,建立的疲劳损伤演化方程能够准确模拟CFRP加固钢筋混凝土吊车梁的疲劳损伤破坏过程。     

预应力碳纤维布加固损伤梁疲劳性能试验研究

目前,对预应力碳纤维增强复合材料CFRP布加固损伤梁疲劳性能研究很少。首先,设计一套杠杆型疲劳试验加载体系,并对张拉锚固装置进行完善。对3根试验梁进行相同程度预裂损伤后,对损伤梁进行不同预应力水平CFRP布加固;最后,对加固后的损伤梁进行疲劳试验。试验结果表明：对CFRP布施加预应力能限制裂缝的发展,提高加固梁的刚度,...