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CFRP板加固钢结构疲劳性能及其设计方法研究

王海涛  
【摘要】:纤维增强复合材料(Fiber Reinforced Polymer,简称FRP)凭借其轻质高强、抗疲劳和耐久性好、可设计性强等优点,已经被广泛应用于混凝土结构的加固修复中。近年来,应用FRP材料对钢结构进行加固修复正在引起研究者的兴趣。比起传统的钢结构加固技术,FRP外贴加固钢结构技术具有诸多优势,是一种很有应用前景的新型钢结构加固技术。在循环荷载作用下,疲劳破坏是钢结构的主要失效模式之一,采用FRP提升钢结构的疲劳性能将是一个重要的应用方向,因此需要对FRP加固钢结构的疲劳性能进行深入研究,但目前相关的研究还比较少。本文采用试验、数值和理论相结合的方法,对碳纤维增强复合材料(CFRP)板加固钢结构疲劳性能中涉及的相关问题进行研究,具体的研究内容及成果包括:(1)对CFRP板-钢界面的粘结性能进行了试验和理论研究,分析了胶层类型、胶层厚度和CFRP板粘结长度对粘结性能的影响,首次采用三维数字图像相关(3D-DIC)技术测试了 CFRP板-钢界面的粘结-滑移性能,得到了近似双线性和三折线的粘结-滑移关系。通过理论分析建立了 CFRP板-钢界面的粘结-滑移模型,提出了双线性模型和三折线模型关键参数计算公式。通过与试验数据比较,验证了本文模型具有较好的精度,且相比于现有模型,本文模型在精度和适用范围方面都得到了改进。基于提出的粘结-滑移模型,给出了 CFRP板-钢界面的有效粘结长度和极限承载力计算方法。(2)对CFRP材料加固含中心裂纹钢板和含单边裂纹钢板的疲劳性能进行了试验研究,比较了等刚度加固条件下,CFRP类型和CFRP板布置方式对疲劳加固效果的影响。试验结果表明,CFRP加固可以显著降低裂纹扩展速率,增加临界裂纹长度,明显提高含裂纹钢板的疲劳寿命。对于含中心裂纹试件,CFRP加固后的疲劳寿命达到未加固试件的3.5~4.9倍,对于含单边裂纹试件,加固后的疲劳寿命达到未加固试件的6.9~11.3倍。在等刚度加固条件下,CFRP板的加固效果好于CFRP布,CFRP板的布置方式对疲劳加固效果也有一定影响。(3)对不同类型FRP板加固的损伤钢梁进行了疲劳试验,并与传统的焊接钢板加固方法进行了对比。结果显示,在等刚度加固条件下,与焊接钢板加固方法相比,采用FRP板加固可以更加有效地增加钢梁的裂纹萌生寿命,降低裂纹扩展速率,延长疲劳寿命。FRP板加固钢梁的裂纹萌生寿命达到未加固钢梁的2.00~3.25倍,疲劳寿命达到未加固钢梁的3.33~5.26倍;而在等刚度加固条件下,焊接钢板加固钢梁的裂纹萌生寿命为未加固钢梁的1.70倍,疲劳寿命仅为未加固钢梁的1.74倍。此外,采用FRP板加固还可以减小构件刚度的衰减和残余挠度的增加,改善构件的破坏模式。(4)建立了 CFRP板加固钢板和钢梁的"三维实体-弹簧"有限元模型,基于虚拟裂纹闭合方法计算和分析了裂纹尖端的应力强度因子,揭示了 CFRP板改善钢结构疲劳性能的机理。采用有限元方法,分析了 CFRP板对钢梁缺口处应力集中系数的影响。基于线弹性断裂力学理论,建立了 CFRP板加固含裂纹钢板的裂纹扩展预测方法,通过与试验结果比较,验证了该方法具有较高的精度。进一步,建立了能够同时考虑下翼缘主、次裂纹及腹板裂纹的裂纹扩展模拟方法,与试验结果对比表明,该方法能够较好地预测钢梁的疲劳裂纹扩展曲线和裂纹扩展寿命,进一步研究发现可以按照下翼缘两边裂纹对称扩展来近似预测CFRP板加固钢梁的下翼缘裂纹扩展寿命。(5)以CFRP板加固的含裂纹钢板为研究对象,采用建立的分析方法,对影响CFRP板加固钢结构疲劳性能的主要因素进行了系统的参数分析。分别讨论了初始裂纹长度、CFRP板厚度、CFRP板弹模、CFRP板宽度、CFRP板长度、胶层厚度、胶层剪切模量、局部脱胶范围、单/双面加固等9个因素对应力强度因子和疲劳寿命的影响。进一步,较为系统地研究了等刚度加固条件下CFRP板布置方式对疲劳加固有效性的影响,基于分析结果,对于裂纹形式相似于中心裂纹的钢构件,推荐采用CFRP平铺方式进行加固,而对裂纹形式相似于单边裂纹的钢构件进行加固时,应优先采用CFRP叠加方式。(6)通过理论和有限元分析,分别提出了 CFRP板加固含中心裂纹钢板和含双边裂纹钢板的应力强度因子计算公式。进一步,通过将CFRP加固钢梁的下翼缘简化为钢板,建立了 CFRP板加固双边裂纹钢梁应力强度因子的简化计算方法。最后,提出了 CFRP板加固钢构件的剩余裂纹萌生寿命和裂纹扩展寿命的简化评估方法,给出了采用CFRP板外贴方法对钢结构进行疲劳加固时的主要设计流程。


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