粘结胶加固cfrp板的疲劳裂纹扩展行为

粘结胶加固cfrp板的疲劳裂纹扩展行为

结合碳有机碳材料（cfrp）是一种新兴的加固技术，不仅可以有效地提高结构的承载能力和刚度，而且可以提高受损钢结构的疲劳强度，避免局部破损，防止疲劳裂纹的扩展。赵齐鲁、邓军和t伦蒂安等国内外研究人员对将埋式钢筋加固螺钉的静力行为进行了理论研究。对于具有中心孔膨胀弹性牛的钢固定粘接方案，进行了疲劳试验，结果表明，支撑效应cfp板加固板的劳动率已提高了16倍以上。在这项工作中，我们研究了支撑效应cfp板加固板的疲劳性能：（1）根据一般和局部加固效应，建立了支撑效应cfp板加固钢结构的疲劳裂纹延伸理论，并推导了加固前后疲劳的简化计算公式，以实现加固前后疲劳的延长。（2）基于bastti疲劳试验的基础上，研究了电压比、预响应波、针和耐酸性对加固效果的影响，并比较了劳动期的理论计算值和试验结果。1疲劳裂纹扩展理论粘贴预应力CFRP板加固钢构件对疲劳性能的改善可以从整体加固效应和局部加固效应两方面来分析.1.1cfrp板的加固整体加固效应指粘贴预应力CFRP板产生的预压应力σa使得构件的最大、最小应力变为σmax-σa和σmin-σa,并改变应力比(从R=σmin/σmax变为Rr=(σmin-σa)/(σmax-σa)).同时,粘贴CFRP板提高了构件的整体刚度,在一定程度上降低了应力幅,从而提高疲劳寿命.整体加固效应的大小可以通过计算和测量钢板的应力得到.1.2局部加固效果局部加固效应指钢板疲劳裂纹裂尖附近区域塑性形变导致的闭合效应及CFRP板对裂纹的桥接效应.(1)elhen系数u的表征Elber和Newman等研究者通过试验和有限元方法,对疲劳裂纹裂尖附近区域因塑性形变引起的裂纹闭合效应进行了研究.Elber发现,只有在使裂纹面完全分离的疲劳荷载循环部分(裂纹张开应力σop)裂纹才可能扩展.从而,对裂纹扩展有贡献的有效应力幅Δσeff和有效应力强度因子幅ΔKeff分别为:Δσeff=σmax-σop=UΔσ,(1a)ΔΚeff=Κmax-Κop=UΔΚ=YUΔσ√a,(1b)Δσeff=σmax−σop=UΔσ,(1a)ΔKeff=Kmax−Kop=UΔK=YUΔσa√,(1b)式中:U为Elber系数;Y为几何修正系数;Δσ为应力幅;a为裂纹长度.现有研究成果表明:应力比、试件几何条件、裂纹长度、应力状态、应力强度因子幅和环境等因素对Elber系数U都有影响,其中影响最为显著的是应力比.Schijve根据一系列试验研究得到了常用低碳钢的Elber系数U与应力比R之间的关系:U=ΔσeffΔσ=ΔΚσeffΔΚ={1.000,R≥0.7;0.690+0.45R,-0.5≤R＜0.7;0.465,R＜-0.5.(2)U=ΔσeffΔσ=ΔKσeffΔK=⎧⎩⎨⎪⎪1.000,R≥0.7;0.690+0.45R,−0.5≤R＜0.7;0.465,R＜−0.5.(2)这种相对简单的关系虽然来自于试验数据的拟合,存在很大的误差,但使得闭合效应的定量分析成为可能.(2)补片损伤闭合效应当裂纹扩展至CFRP板粘贴位置后,裂纹张开使得一部分应力通过粘结胶层传给CFRP板,产生一种桥接作用和桥接应力.CFRP板的桥接作用在裂纹面上的压力可使裂纹顶端附近的应力因子幅(ΔK)下降,使得疲劳裂纹扩展阻力提高.桥接应力的分布与裂纹张开位移、裂纹长度、裂纹附近表面粘结胶与钢板脱胶的形状等因素有关,并不是均匀分布的,且难以测量.一般是采用有限元方法,在考虑前面3个因素的基础上进行模拟分析(这对复杂的工程结构是很困难的).Bassti利用三板模型分别计算了考虑和不考虑桥接效应的裂纹闭合效应对Elber系数U的影响,发现在粘贴CFRP板处的U减小,但在其他位置影响很小.Wang通过有限元和试验分析得出结论:被加固板的应力在其屈服应力的40%以下时,有补片的裂纹闭合应力与相同条件小屈服情况下没有补片的裂纹闭合应力大体相等.所以,考虑到桥接效应计算分析的复杂性及有关试验资料的不足,忽略其有利作用是偏于安全的.在不考虑桥接效应的情况下,裂纹闭合效应的计算是偏于保守和安全的,计算也得到很大简化.综合考虑加固对疲劳性能产生的整体和局部效应,采用有效应力强度因子幅,裂纹扩展公式可采用Kesnil和Lukas修正的Paris公式:dadΝ={C(ΔΚneff-ΔΚneff,th),ΔΚeff＞ΔΚeff,th,0,ΔΚeff≤ΔΚeff,th,(3)dadN={C(ΔKneff−ΔKneff,th),ΔKeff＞ΔKeff,th,0,ΔKeff≤ΔKeff,th,(3)式中:ΔKeff,th为裂纹扩展内在门槛值(为计算方便,一般可保守地取ΔKeff,th=0);C和n为材料常数,根据资料和钢桥规范,取n=3;N为循环次数.由式(2)和(3),可以得到裂纹扩展速率的计算式:dadΝ=CΔΚ3eff=C(YUΔσ√a)3.(4)dadN=CΔK3eff=C(YUΔσa√)3.(4)设初始裂纹尺寸为a0,临界裂纹尺寸为acr,恒幅远场应力为Δσ,且裂纹扩展过程中Y近似为常量,对式(4)进行积分,可以得到疲劳寿命或致断疲劳循环次数Ν=2CY3(UΔσ)3(1√a0-1√acr).(5)N=2CY3(UΔσ)3(1a0√−1acr√).(5)对于一般结构钢,有a0≪acr,所以,疲劳寿命对初始缺陷尺寸非常敏感,而对临界裂纹尺寸不很敏感,因此,式(5)可以进一步简化为Ν=2CY3(UΔσ)3√a0.(6)设加固前、后的疲劳寿命分别为Nu和Nr,材料参数C不变,在初始裂纹(预制裂纹)尺寸相同的情况下,加固前后的相对疲劳寿命由有效应力强度因子决定:ΝrΝu=(UuΔσuUrΔσr).(7)预应力CFRP板加固后,钢板中的拉应力有可能消减成为压应力.在疲劳荷载作用下,当最小应力为压应力时,应力幅有一定的折算,根据欧洲钢结构规范,按式(8)计算应力幅:Δσ=|σmax|+0.6|σmin|.(8)2模量及屈服应力Bassetti疲劳试验试件为中心孔预制裂纹钢板(1000mm×300mm×10mm),中心孔两侧用电蚀法预制长5mm,宽0.1mm的裂纹.钢板双面粘贴长500mm,宽50mm的CFRP板,粘结胶厚度为0.3mm.粘贴预应力CFRP板的试件设置高强螺栓连接的钢板压条锚固装置.钢板力学性能:弹性模量Es=210GPa,泊松比υs=0.3,屈服应力σy=355MPa;粘结胶的力学性能:弹性模量Ea=714MPa,泊松比υa=0.32.粘结胶的类型为SWDP490和SWAF163.为分析应力比、预应力、CFRP板弹性模量和厚度以及粘结剂对粘贴CFRP板加固钢板效果的影响,根据参数分析的要求,把试件分为A,B,C,D,E,F和G7个系列,每个系列2~3个试件,试验参数及相关材料性能见表1(表1中RF=Fmin/Fmax).预应力施加程序:为保证每个系列试件施加的预应力相同,同时张拉4个3.6m长的CFRP板,粘贴于呈一条直线摆置的3个试件表面,然后各自锚固.利用千斤顶的仪表和CFRP板上的应变仪控制预应力的大小.张拉荷载均为71kN,1.2mm厚的CFRP板中相应产生拉应力1200MPa,产生的预压应力设计值为-47MPa.采用电位测量法测量疲劳裂纹的长度.在有裂纹的试件上,电流场是试件几何形状,尤其是裂纹尺寸的函数.通恒电流时,电势随裂纹长度的增大而升高,因此可通过裂纹尺寸与电位的关系得到裂纹长度.3疲劳裂纹扩展分析3.1预应力cfrp板刚度的改进CFRP板的刚度对加固效果的影响很大,因为CFRP板的刚度越大,分担的荷载越大,也就能更大限度地改善加固件的应力分布,减小应力幅,从而延长疲劳寿命.从图1试件系列A和C的裂纹扩展曲线可以看出:粘贴CFRP板后,疲劳寿命延长了约3倍,加固效果很明显.CFRP板刚度(Ectc)的改变表现在材料特性(Ec)和几何特性(tc)两方面.只改变几何特性(tc)时,如D和E试件系列,在产生相同预压应力的条件下,E系列粘贴的CFRP板的厚度(1.4mm)比D系列(1.2mm)的大,其刚度相应增大16.7%.试验结果是:E系列试件的寿命均值是D系列的2倍.当只改变材料特性(Ec)时,G系列粘贴CFRP板的弹性模量(216GPa)比E系列(174GPa)的大,其刚度相应增大24%,而寿命约为E系列的2倍.由此看来,CFRP板的刚度对裂纹扩展和疲劳寿命的影响很大,相关试验研究也证明了这一点.而且,不管是通过改变材料特性还是几何特性来改变刚度,结果基本上是一致的.预应力使钢板产生预压应力,改善了应力场.对比C系列试件(无预应力)与D,E,G系列试件的试验结果表明:粘贴预应力CFRP板比粘贴普通CFRP板的加固效果好得多,可以提高原受损构件(A系列)的疲劳寿命5倍以上,大大提高了CFRP板的利用率.3.2应力比的影响根据前面的理论分析可知:应力比R对疲劳寿命的影响很大.一方面,在一定的应力幅作用下,不同的应力比会有不同的疲劳循环平均应力,而平均应力对疲劳寿命有很大影响.可以用恒寿命图表示平均应力在疲劳中的作用.根据恒寿命图,应力幅和平均应力之间的不同组合可得出恒定的疲劳寿命,用得最多的是Goodman模型.在恒定的应力幅条件下,应力比越小,平均应力越低,寿命越长.另一方面,应力比R影响有效应力强度因子,从而影响裂纹的扩展速率.粘贴预应力CFRP板后,钢板受到预压应力,在应力比较小的情况下(B系列),可能使最大、最小及平均应力都大大降低.由于疲劳裂纹扩展有裂纹张开应力门槛值,应力水平的降低将使有效应力强度因子降低,使裂纹扩展速率减小,从而延长疲劳寿命.从试验结果(图2)也能看出:B系列(R=0.1)与D系列(R=0.4)只是应力比不同,但疲劳裂纹扩展速率和疲劳寿命的差距非常大(B系列在4×106次循环后裂纹扩展25mm左右即终止试验,没有破坏),达10倍以上.由此可见,应力比对加固效果的影响非常大,从降低应力比的角度改善加固效果是非常有潜力的,而预应力可以改变应力比,因此效果很明显.3.3预应力cfrp板加固方式的改进效果作为传递荷载的导体,粘结胶对CFRP板与钢板之间的界面性能的影响很大,在很大程度决定了普通CFRP板加固构件的静力性能.但对于预应力CFRP板加固构件,传力主要是由锚固装置来完成的,因而降低了对粘结胶的依赖.从试验结果(图3)也可以看出,粘结胶对裂纹扩展的影响不大.两端带有机械锚固的预应力CFRP板加固方式,粘结界面的应力水平大幅降低,改善了非预应力粘贴加固粘结界面的性能,很好地消除了粘结界面对加固后结构构件在循环荷载作用下疲劳破坏等方面存在的隐患,结构的可靠性提高.由此可见,粘结胶对于预应力CFRP板加固构件的重要性大大降低,不再成为瓶颈.3.4裂纹模型的消除粘贴预应力CFRP板加固的钢板试件在疲劳荷载作用下的最大、最小应力的测量值及按式(7)计算的加固前后相对疲劳寿命见表2.表3列出了各试件的疲劳寿命及临界裂纹长度的试验值(B1和G1因预应力度不足而没有进行试验,D2,D3,F1和G2为研究预应力损失在断裂前就停止试验).比较表2和表3中相对疲劳寿命可见,由式(7)得到的结果相当保守.原因在于:(1)式(7)是基于试验结果的拟合公式,存在较大离散性;(2)由于疲劳寿命对初始裂纹非常敏感,试验中预制裂纹形状和尺寸不可能完全一致,在很大程度上影响了疲劳寿命;(3)没有考虑CFRP板的桥接作用,加固后材料参数C和n会发生一定变化以及疲劳问题本身有很大的离散度.就疲劳寿命而言,B系列试件疲劳寿命最长,说明了外荷载对加固效果的影响:在应力幅一定的情况下,应力比越小,加固效果越好.因此,对外荷载的研究和预测是非常重要的.G系列试件的疲劳寿命在相同外荷载条件下最长,说明加固后的刚度对疲劳寿命是有利的.从整体上看,预应力的引入使得普通CFRP加固技术完全改观,首先是通过控制预应力水平实现主动控制,其次是摆脱对粘结胶的依赖,提高CFRP板的利用率.临界裂纹长度对疲劳寿命的影响有限,加固前后试件的裂纹临界长度相差10~20mm,但疲劳寿命差距很大.通过各因素对裂纹扩展的影响的上述分析,可以得出以下认识:应力比和预应力对钢板疲劳寿命的影响很大,而CFRP板的刚度和粘结剂对钢板寿命的影响有限.从经济和实用的角度出发,通过调整CFRP板的预应力改善构件的疲劳寿命是最有潜力的方法.4预应力cfrp板加固钢梁的承载力通过理论分析和疲劳试验,可以得到以下结论:(1)采用考虑有效应力强度因子幅的修正Pairs公式,从整体加固效应和局部加固效应两方面分析粘贴预应力CFRP板加固钢板的疲劳裂纹扩展行为,简单方便,但结果偏于保守,显示出疲劳寿命对初始裂纹非常敏感.(2)通过对应力比、预应力、CFRP板刚度和粘结胶性质的试验结果的分析发现:预应力是影响加固件疲劳寿命的主要因素,CFRP板和粘结胶力学性质的影响有限.应力比对疲劳寿命也有很大影响,因此,对交通荷载的正确预估是加固能否取得成功的基础.参考文献:赵启林,王景全,金广谦.碳纤维加固的反拱预应力技术及其提高钢结构承载能力的分析[J].钢结构,2002,17(3):51-53.ZHAOQilin,WANGJingquan,JINGuangqian.Analysisofthe“reverse-archprestressedtechnique”andtheimprovedbearingcapacityforsteelstructurestrengthenedbycarbon-fiber[J].SteelStructure,2002,17(3):51-53.邓军,黄培彦.预应力CFRP板加固钢梁的承载力及预应力损失分析[J].铁道建筑,2007(10):4-7.DENGJun,HUANGPeiyan.Theload-carryingcapacityofsteelbeamstrengthenedbyprestressedCFRPplatesandprestressinglossofCFRPplates[J].RailwayEngineering,2007(10):4-7.TRIANTAFILLOUTC,DESKOVICN.InnovativeprestressingwithFRPsheets,mechanicsofshort-termbehavior[J].JournalofEngineeringMechanics,ASCE,1991,117(7):1653-1672.COLOMBIP,BASSETTIA,NUSSBAUMERA.Crackgrowthinduceddelaminationonsteelmembersreinforcedbyprestressedcompositepatch[J].FatigueFractureofEngineeringMaterialsStructures,2003,26(5):429-437.COLOMBIP,BASSETTIA,NUSSBAUMERA.Analysisofcrackedsteelmembersreinforcedbypre-stresscompositepatch[J].FatigueFractureofEngineeringMaterialsStructures,2003,26(1):59-66.COLOMBIP.Plasticityinducedfatiguecrackgrowthretardationmodelforst