CFRP板加固鋼結(jié)構(gòu)疲勞性能及其設(shè)計(jì)方法研究.pdf

1、纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（Fiber Reinforced Polymer，簡(jiǎn)稱FRP）憑借其輕質(zhì)高強(qiáng)、抗疲勞和耐久性好、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于混凝土結(jié)構(gòu)的加固修復(fù)中。近年來(lái)，應(yīng)用FRP材料對(duì)鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固修復(fù)正在引起研究者的興趣。比起傳統(tǒng)的鋼結(jié)構(gòu)加固技術(shù)，F(xiàn)RP外貼加固鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)具有諸多優(yōu)勢(shì)，是一種很有應(yīng)用前景的新型鋼結(jié)構(gòu)加固技術(shù)。在循環(huán)荷載作用下，疲勞破壞是鋼結(jié)構(gòu)的主要失效模式之一，采用FRP提升鋼結(jié)構(gòu)的疲勞性能將是一個(gè)重要的應(yīng)

2、用方向，因此需要對(duì)FRP加固鋼結(jié)構(gòu)的疲勞性能進(jìn)行深入研究，但目前相關(guān)的研究還比較少。本研究主要內(nèi)容包括：
　?、艑?duì)CFRP板-鋼界面的粘結(jié)性能進(jìn)行了試驗(yàn)和理論研究，分析了膠層類型、膠層厚度和CFRP板粘結(jié)長(zhǎng)度對(duì)粘結(jié)性能的影響，首次采用三維數(shù)字圖像相關(guān)(3D-DIC)技術(shù)測(cè)試了CFRP板-鋼界面的粘結(jié)-滑移性能，得到了近似雙線性和三折線的粘結(jié)-滑移關(guān)系。通過(guò)理論分析建立了CFRP板-鋼界面的粘結(jié)-滑移模型，提出了雙線性模型和三折線模

3、型關(guān)鍵參數(shù)計(jì)算公式。通過(guò)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)比較，驗(yàn)證了本文模型具有較好的精度，且相比于現(xiàn)有模型，本文模型在精度和適用范圍方面都得到了改進(jìn)。基于提出的粘結(jié)-滑移模型，給出了CFRP板-鋼界面的有效粘結(jié)長(zhǎng)度和極限承載力計(jì)算方法。
　　⑵對(duì)CFRP材料加固含中心裂紋鋼板和含單邊裂紋鋼板的疲勞性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究，比較了等剛度加固條件下，CFRP類型和CFRP板布置方式對(duì)疲勞加固效果的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明，CFRP加固可以顯著降低裂紋擴(kuò)展速率，增加臨

4、界裂紋長(zhǎng)度，明顯提高含裂紋鋼板的疲勞壽命。對(duì)于含中心裂紋試件，CFRP加固后的疲勞壽命達(dá)到未加固試件的3.5～4.9倍，對(duì)于含單邊裂紋試件，加固后的疲勞壽命達(dá)到未加固試件的6.9～11.3倍。在等剛度加固條件下，CFRP板的加固效果好于CFRP布，CFRP板的布置方式對(duì)疲勞加固效果也有一定影響。
　　⑶對(duì)不同類型FRP板加固的損傷鋼梁進(jìn)行了疲勞試驗(yàn)，并與傳統(tǒng)的焊接鋼板加固方法進(jìn)行了對(duì)比。結(jié)果顯示，在等剛度加固條件下，與焊接鋼板加固

5、方法相比，采用FRP板加固可以更加有效地增加鋼梁的裂紋萌生壽命，降低裂紋擴(kuò)展速率，延長(zhǎng)疲勞壽命。FRP板加固鋼梁的裂紋萌生壽命達(dá)到未加固鋼梁的2.00～3.25倍，疲勞壽命達(dá)到未加固鋼梁的3.33～5.26倍;而在等剛度加固條件下，焊接鋼板加固鋼梁的裂紋萌生壽命為未加固鋼梁的1.70倍，疲勞壽命僅為未加固鋼梁的1.74倍。此外，采用FRP板加固還可以減小構(gòu)件剛度的衰減和殘余撓度的增加，改善構(gòu)件的破壞模式。
　?、冉⒘薈FRP板加

6、固鋼板和鋼梁的“三維實(shí)體-彈簧”有限元模型，基于虛擬裂紋閉合方法計(jì)算和分析了裂紋尖端的應(yīng)力強(qiáng)度因子，揭示了CFRP板改善鋼結(jié)構(gòu)疲勞性能的機(jī)理。采用有限元方法，分析了CFRP板對(duì)鋼梁缺口處應(yīng)力集中系數(shù)的影響?；诰€彈性斷裂力學(xué)理論，建立了CFRP板加固含裂紋鋼板的裂紋擴(kuò)展預(yù)測(cè)方法，通過(guò)與試驗(yàn)結(jié)果比較，驗(yàn)證了該方法具有較高的精度。進(jìn)一步，建立了能夠同時(shí)考慮下翼緣主、次裂紋及腹板裂紋的裂紋擴(kuò)展模擬方法，與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比表明，該方法能夠較好地預(yù)測(cè)

7、鋼梁的疲勞裂紋擴(kuò)展曲線和裂紋擴(kuò)展壽命，進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)可以按照下翼緣兩邊裂紋對(duì)稱擴(kuò)展來(lái)近似預(yù)測(cè)CFRP板加固鋼梁的下翼緣裂紋擴(kuò)展壽命。
　　⑸以CFRP板加固的含裂紋鋼板為研究對(duì)象，采用建立的分析方法，對(duì)影響CFRP板加固鋼結(jié)構(gòu)疲勞性能的主要因素進(jìn)行了系統(tǒng)的參數(shù)分析。分別討論了初始裂紋長(zhǎng)度、CFRP板厚度、CFRP板彈模、CFRP板寬度、CFRP板長(zhǎng)度、膠層厚度、膠層剪切模量、局部脫膠范圍、單/雙面加固等9個(gè)因素對(duì)應(yīng)力強(qiáng)度因子和疲勞

8、壽命的影響。進(jìn)一步，較為系統(tǒng)地研究了等剛度加固條件下CFRP板布置方式對(duì)疲勞加固有效性的影響，基于分析結(jié)果，對(duì)于裂紋形式相似于中心裂紋的鋼構(gòu)件，推薦采用CFRP平鋪方式進(jìn)行加固，而對(duì)裂紋形式相似于單邊裂紋的鋼構(gòu)件進(jìn)行加固時(shí)，應(yīng)優(yōu)先采用CFRP疊加方式。
　　⑹通過(guò)理論和有限元分析，分別提出了CFRP板加固含中心裂紋鋼板和含雙邊裂紋鋼板的應(yīng)力強(qiáng)度因子計(jì)算公式。進(jìn)一步，通過(guò)將CFRP加固鋼梁的下翼緣簡(jiǎn)化為鋼板，建立了CFRP板加固雙邊