預(yù)應(yīng)力碳纖維板(CFRP)加固鋼板受拉靜力及疲勞性能試驗研究.pdf

1、預(yù)應(yīng)力碳纖維(CFRP)板加固鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)結(jié)合CFRP板加固技術(shù)與預(yù)應(yīng)力技術(shù)各自的優(yōu)勢，能克服傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)加固技術(shù)的缺點，更有效的改善鋼結(jié)構(gòu)的靜力與疲勞性能及耐久性能，提高受損鋼結(jié)構(gòu)的使用性能和承載能力，是一項很有發(fā)展前途的加固技術(shù)。本文對預(yù)應(yīng)力CFRP板加固鋼結(jié)構(gòu)的靜力與疲勞行為，從理論和試驗兩個方面進(jìn)行研究和分析。
　　 首先總結(jié)鋼結(jié)構(gòu)疲勞損傷問題的研究背景和基本方法，綜述現(xiàn)有鋼結(jié)構(gòu)加固技術(shù)的研究成果。研究非預(yù)應(yīng)力CFRP板加固

2、鋼結(jié)構(gòu)的靜力，疲勞和耐久性能，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：CFRP材料利用率低是其應(yīng)用的瓶頸，施加預(yù)應(yīng)力是有效的解決方法。
　　 通過一維線彈性理論和三維實體單元有限元模型分析預(yù)應(yīng)力CFRP板加固鋼板在軸心受拉情況下應(yīng)力分布，獲得的應(yīng)力理論值和相應(yīng)的靜力試驗應(yīng)力平均值基本吻合。分析結(jié)果表明：CFRP板在高應(yīng)力條件下蠕變很小，力學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定。因鋼板不平直和定位偏差導(dǎo)致的預(yù)應(yīng)力偏心作用會產(chǎn)生彎曲應(yīng)力，影響鋼板厚度方向上的應(yīng)力分布。施加預(yù)應(yīng)力后CFRP材

3、料利用率大大提高，鋼板的拉應(yīng)力水平降低很多，加固后試件的承載能力有很大提高，剛度沒有明顯提高。
　　 從整體加固效應(yīng)和局部加固效應(yīng)兩方面來分析預(yù)應(yīng)力CFRP板加固鋼板構(gòu)件的疲勞行為，采用考慮有效應(yīng)力強度因子幅的修正Pairs公式，簡單方便，但偏于保守。通過Bassti中心缺口鋼板加固試件疲勞試驗對循環(huán)荷載應(yīng)力比，CFRP板剛度預(yù)應(yīng)力及粘結(jié)膠等參數(shù)的分析，結(jié)果表明：預(yù)應(yīng)力及循環(huán)荷載應(yīng)力比對疲勞壽命都有很大影響，試件在預(yù)應(yīng)力CFRP

4、板加固后疲勞壽命提高16倍以上，調(diào)整CFRP板中預(yù)應(yīng)力水平來阻止疲勞裂紋擴展，提高疲勞壽命是很有潛力的。
　　 對粘貼不同預(yù)應(yīng)力水平CFRP板加固的雙邊缺口鋼板進(jìn)行靜力和疲勞試驗，結(jié)果表明：預(yù)應(yīng)力水平成為影響加固結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布和疲勞壽命的主要因素，其他因素如CFRP板剛度，粘結(jié)膠性能成為次要因素。采用修正的Pairs公式計算出的加固前后相對疲勞壽命值與疲勞試驗結(jié)果基本吻合。
　　 從整體加固效應(yīng)上分析，預(yù)應(yīng)力CFRP板加固

5、鋼板后循環(huán)應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生很大變化，最大最小應(yīng)力及應(yīng)力比都有大幅度的降低，疲勞壽命也延長很多倍。疲勞荷載是裂紋擴展的動力，因此對疲勞荷載的正確評估是獲得理想加固效果的重要前提之一。
　　 從局部加固效應(yīng)上分析，引入的預(yù)壓應(yīng)力對試件裂紋裂尖區(qū)域產(chǎn)生重要影響：1)減小裂尖前緣屈服區(qū)域及脫膠面積；2)因預(yù)應(yīng)力偏心作用產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力導(dǎo)致厚度方向裂紋擴展的不均勻性；3)其他應(yīng)力集中點處次要裂紋的萌生和擴展。
　　 在疲勞試驗中采用熱成

6、相技術(shù)和疲勞斷口分析技術(shù)來探測裂紋擴展過程取得很好的效果，分析結(jié)果表明：疲勞裂紋的擴展可分表面裂紋擴展和穿透裂紋擴展兩個階段，表面裂紋擴展階段裂紋擴展長度很小(小于5mm)，但消耗掉總疲勞壽命的50％以上，因此對加固效果影響很大。表面裂紋的擴展主要取決于初始裂紋，因此對初始裂紋的合理評估和處理是非常重要的，如鉆孔后再粘貼CFRP板加固效果會更好。
　　 預(yù)應(yīng)力CFRP板的錨固與預(yù)應(yīng)力損失分析是非常重要的，研究發(fā)現(xiàn)：機械夾持粘結(jié)型

7、錨具結(jié)合機械夾持式錨具和粘結(jié)型錨具的優(yōu)點，安全可靠，適合預(yù)應(yīng)力CFRP板的錨固。預(yù)應(yīng)力損失分為預(yù)加應(yīng)力階段損失和長期損失。預(yù)加應(yīng)力階段損失主要是錨固裝置變形和結(jié)構(gòu)彈性壓縮造成的。試驗結(jié)果表明：CFRP材料力學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，在疲勞循環(huán)荷載作用作用下預(yù)應(yīng)力長期損失值很小，因此預(yù)應(yīng)力損失主要是預(yù)加應(yīng)力階段的短期損失。粘結(jié)型錨具錨固CFRP板預(yù)應(yīng)力損失因為較大的錨固裝置變形可達(dá)張拉預(yù)應(yīng)力的30％-50％。機械夾持粘結(jié)型錨具錨固的CFRP板預(yù)應(yīng)力損失

8、主要是結(jié)構(gòu)彈性壓縮造成，一般是張拉預(yù)應(yīng)力的10％左右，錨固效率比粘結(jié)型錨具高。
　　 在裂紋理論分析的基礎(chǔ)上建立CFRP板加固鋼板實體單元三維有限元斷裂力學(xué)模型，分別分析了預(yù)應(yīng)力水平，粘結(jié)膠性能及CFRP板彈性模量等參數(shù)對應(yīng)力強度因子的影響，結(jié)果表明：對于粘貼預(yù)應(yīng)力CFRP板的裂紋鋼板，預(yù)應(yīng)力水平是主要的影響加固結(jié)構(gòu)疲勞性能的因素，粘結(jié)膠性能及CFRP板剛度的影響相對很小。
　　 采用經(jīng)典梁理論分析預(yù)應(yīng)力CFRP板加固的