粘結(jié)膠加固cfrp板的疲勞裂紋擴(kuò)展行為

粘結(jié)膠加固cfrp板的疲勞裂紋擴(kuò)展行為

結(jié)合碳有機(jī)碳材料（cfrp）是一種新興的加固技術(shù)，不僅可以有效地提高結(jié)構(gòu)的承載能力和剛度，而且可以提高受損鋼結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度，避免局部破損，防止疲勞裂紋的擴(kuò)展。趙齊魯、鄧軍和t倫蒂安等國內(nèi)外研究人員對(duì)將埋式鋼筋加固螺釘?shù)撵o力行為進(jìn)行了理論研究。對(duì)于具有中心孔膨脹彈性牛的鋼固定粘接方案，進(jìn)行了疲勞試驗(yàn)，結(jié)果表明，支撐效應(yīng)cfp板加固板的勞動(dòng)率已提高了16倍以上。在這項(xiàng)工作中，我們研究了支撐效應(yīng)cfp板加固板的疲勞性能：（1）根據(jù)一般和局部加固效應(yīng)，建立了支撐效應(yīng)cfp板加固鋼結(jié)構(gòu)的疲勞裂紋延伸理論，并推導(dǎo)了加固前后疲勞的簡(jiǎn)化計(jì)算公式，以實(shí)現(xiàn)加固前后疲勞的延長。（2）基于bastti疲勞試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，研究了電壓比、預(yù)響應(yīng)波、針和耐酸性對(duì)加固效果的影響，并比較了勞動(dòng)期的理論計(jì)算值和試驗(yàn)結(jié)果。1疲勞裂紋擴(kuò)展理論粘貼預(yù)應(yīng)力CFRP板加固鋼構(gòu)件對(duì)疲勞性能的改善可以從整體加固效應(yīng)和局部加固效應(yīng)兩方面來分析.1.1cfrp板的加固整體加固效應(yīng)指粘貼預(yù)應(yīng)力CFRP板產(chǎn)生的預(yù)壓應(yīng)力σa使得構(gòu)件的最大、最小應(yīng)力變?yōu)棣襪ax-σa和σmin-σa,并改變應(yīng)力比(從R=σmin/σmax變?yōu)镽r=(σmin-σa)/(σmax-σa)).同時(shí),粘貼CFRP板提高了構(gòu)件的整體剛度,在一定程度上降低了應(yīng)力幅,從而提高疲勞壽命.整體加固效應(yīng)的大小可以通過計(jì)算和測(cè)量鋼板的應(yīng)力得到.1.2局部加固效果局部加固效應(yīng)指鋼板疲勞裂紋裂尖附近區(qū)域塑性形變導(dǎo)致的閉合效應(yīng)及CFRP板對(duì)裂紋的橋接效應(yīng).(1)elhen系數(shù)u的表征Elber和Newman等研究者通過試驗(yàn)和有限元方法,對(duì)疲勞裂紋裂尖附近區(qū)域因塑性形變引起的裂紋閉合效應(yīng)進(jìn)行了研究.Elber發(fā)現(xiàn),只有在使裂紋面完全分離的疲勞荷載循環(huán)部分(裂紋張開應(yīng)力σop)裂紋才可能擴(kuò)展.從而,對(duì)裂紋擴(kuò)展有貢獻(xiàn)的有效應(yīng)力幅Δσeff和有效應(yīng)力強(qiáng)度因子幅ΔKeff分別為: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為Elber系數(shù);Y為幾何修正系數(shù);Δσ為應(yīng)力幅;a為裂紋長度.現(xiàn)有研究成果表明:應(yīng)力比、試件幾何條件、裂紋長度、應(yīng)力狀態(tài)、應(yīng)力強(qiáng)度因子幅和環(huán)境等因素對(duì)Elber系數(shù)U都有影響,其中影響最為顯著的是應(yīng)力比.Schijve根據(jù)一系列試驗(yàn)研究得到了常用低碳鋼的Elber系數(shù)U與應(yīng)力比R之間的關(guān)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)這種相對(duì)簡(jiǎn)單的關(guān)系雖然來自于試驗(yàn)數(shù)據(jù)的擬合,存在很大的誤差,但使得閉合效應(yīng)的定量分析成為可能.(2)補(bǔ)片損傷閉合效應(yīng)當(dāng)裂紋擴(kuò)展至CFRP板粘貼位置后,裂紋張開使得一部分應(yīng)力通過粘結(jié)膠層傳給CFRP板,產(chǎn)生一種橋接作用和橋接應(yīng)力.CFRP板的橋接作用在裂紋面上的壓力可使裂紋頂端附近的應(yīng)力因子幅(ΔK)下降,使得疲勞裂紋擴(kuò)展阻力提高.橋接應(yīng)力的分布與裂紋張開位移、裂紋長度、裂紋附近表面粘結(jié)膠與鋼板脫膠的形狀等因素有關(guān),并不是均勻分布的,且難以測(cè)量.一般是采用有限元方法,在考慮前面3個(gè)因素的基礎(chǔ)上進(jìn)行模擬分析(這對(duì)復(fù)雜的工程結(jié)構(gòu)是很困難的).Bassti利用三板模型分別計(jì)算了考慮和不考慮橋接效應(yīng)的裂紋閉合效應(yīng)對(duì)Elber系數(shù)U的影響,發(fā)現(xiàn)在粘貼CFRP板處的U減小,但在其他位置影響很小.Wang通過有限元和試驗(yàn)分析得出結(jié)論:被加固板的應(yīng)力在其屈服應(yīng)力的40%以下時(shí),有補(bǔ)片的裂紋閉合應(yīng)力與相同條件小屈服情況下沒有補(bǔ)片的裂紋閉合應(yīng)力大體相等.所以,考慮到橋接效應(yīng)計(jì)算分析的復(fù)雜性及有關(guān)試驗(yàn)資料的不足,忽略其有利作用是偏于安全的.在不考慮橋接效應(yīng)的情況下,裂紋閉合效應(yīng)的計(jì)算是偏于保守和安全的,計(jì)算也得到很大簡(jiǎn)化.綜合考慮加固對(duì)疲勞性能產(chǎn)生的整體和局部效應(yīng),采用有效應(yīng)力強(qiáng)度因子幅,裂紋擴(kuò)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為裂紋擴(kuò)展內(nèi)在門檻值(為計(jì)算方便,一般可保守地取ΔKeff,th=0);C和n為材料常數(shù),根據(jù)資料和鋼橋規(guī)范,取n=3;N為循環(huán)次數(shù).由式(2)和(3),可以得到裂紋擴(kuò)展速率的計(jì)算式:dadΝ=CΔΚ3eff=C(YUΔσ√a)3.(4)dadN=CΔK3eff=C(YUΔσa√)3.(4)設(shè)初始裂紋尺寸為a0,臨界裂紋尺寸為acr,恒幅遠(yuǎn)場(chǎng)應(yīng)力為Δσ,且裂紋擴(kuò)展過程中Y近似為常量,對(duì)式(4)進(jìn)行積分,可以得到疲勞壽命或致斷疲勞循環(huán)次數(shù)Ν=2CY3(UΔσ)3(1√a0-1√acr).(5)N=2CY3(UΔσ)3(1a0√?1acr√).(5)對(duì)于一般結(jié)構(gòu)鋼,有a0?acr,所以,疲勞壽命對(duì)初始缺陷尺寸非常敏感,而對(duì)臨界裂紋尺寸不很敏感,因此,式(5)可以進(jìn)一步簡(jiǎn)化為Ν=2CY3(UΔσ)3√a0.(6)設(shè)加固前、后的疲勞壽命分別為Nu和Nr,材料參數(shù)C不變,在初始裂紋(預(yù)制裂紋)尺寸相同的情況下,加固前后的相對(duì)疲勞壽命由有效應(yīng)力強(qiáng)度因子決定:ΝrΝu=(UuΔσuUrΔσr).(7)預(yù)應(yīng)力CFRP板加固后,鋼板中的拉應(yīng)力有可能消減成為壓應(yīng)力.在疲勞荷載作用下,當(dāng)最小應(yīng)力為壓應(yīng)力時(shí),應(yīng)力幅有一定的折算,根據(jù)歐洲鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范,按式(8)計(jì)算應(yīng)力幅:Δσ=|σmax|+0.6|σmin|.(8)2模量及屈服應(yīng)力Bassetti疲勞試驗(yàn)試件為中心孔預(yù)制裂紋鋼板(1000mm×300mm×10mm),中心孔兩側(cè)用電蝕法預(yù)制長5mm,寬0.1mm的裂紋.鋼板雙面粘貼長500mm,寬50mm的CFRP板,粘結(jié)膠厚度為0.3mm.粘貼預(yù)應(yīng)力CFRP板的試件設(shè)置高強(qiáng)螺栓連接的鋼板壓條錨固裝置.鋼板力學(xué)性能:彈性模量Es=210GPa,泊松比υs=0.3,屈服應(yīng)力σy=355MPa;粘結(jié)膠的力學(xué)性能:彈性模量Ea=714MPa,泊松比υa=0.32.粘結(jié)膠的類型為SWDP490和SWAF163.為分析應(yīng)力比、預(yù)應(yīng)力、CFRP板彈性模量和厚度以及粘結(jié)劑對(duì)粘貼CFRP板加固鋼板效果的影響,根據(jù)參數(shù)分析的要求,把試件分為A,B,C,D,E,F和G7個(gè)系列,每個(gè)系列2~3個(gè)試件,試驗(yàn)參數(shù)及相關(guān)材料性能見表1(表1中RF=Fmin/Fmax).預(yù)應(yīng)力施加程序:為保證每個(gè)系列試件施加的預(yù)應(yīng)力相同,同時(shí)張拉4個(gè)3.6m長的CFRP板,粘貼于呈一條直線擺置的3個(gè)試件表面,然后各自錨固.利用千斤頂?shù)膬x表和CFRP板上的應(yīng)變儀控制預(yù)應(yīng)力的大小.張拉荷載均為71kN,1.2mm厚的CFRP板中相應(yīng)產(chǎn)生拉應(yīng)力1200MPa,產(chǎn)生的預(yù)壓應(yīng)力設(shè)計(jì)值為-47MPa.采用電位測(cè)量法測(cè)量疲勞裂紋的長度.在有裂紋的試件上,電流場(chǎng)是試件幾何形狀,尤其是裂紋尺寸的函數(shù).通恒電流時(shí),電勢(shì)隨裂紋長度的增大而升高,因此可通過裂紋尺寸與電位的關(guān)系得到裂紋長度.3疲勞裂紋擴(kuò)展分析3.1預(yù)應(yīng)力cfrp板剛度的改進(jìn)CFRP板的剛度對(duì)加固效果的影響很大,因?yàn)镃FRP板的剛度越大,分擔(dān)的荷載越大,也就能更大限度地改善加固件的應(yīng)力分布,減小應(yīng)力幅,從而延長疲勞壽命.從圖1試件系列A和C的裂紋擴(kuò)展曲線可以看出:粘貼CFRP板后,疲勞壽命延長了約3倍,加固效果很明顯.CFRP板剛度(Ectc)的改變表現(xiàn)在材料特性(Ec)和幾何特性(tc)兩方面.只改變幾何特性(tc)時(shí),如D和E試件系列,在產(chǎn)生相同預(yù)壓應(yīng)力的條件下,E系列粘貼的CFRP板的厚度(1.4mm)比D系列(1.2mm)的大,其剛度相應(yīng)增大16.7%.試驗(yàn)結(jié)果是:E系列試件的壽命均值是D系列的2倍.當(dāng)只改變材料特性(Ec)時(shí),G系列粘貼CFRP板的彈性模量(216GPa)比E系列(174GPa)的大,其剛度相應(yīng)增大24%,而壽命約為E系列的2倍.由此看來,CFRP板的剛度對(duì)裂紋擴(kuò)展和疲勞壽命的影響很大,相關(guān)試驗(yàn)研究也證明了這一點(diǎn).而且,不管是通過改變材料特性還是幾何特性來改變剛度,結(jié)果基本上是一致的.預(yù)應(yīng)力使鋼板產(chǎn)生預(yù)壓應(yīng)力,改善了應(yīng)力場(chǎng).對(duì)比C系列試件(無預(yù)應(yīng)力)與D,E,G系列試件的試驗(yàn)結(jié)果表明:粘貼預(yù)應(yīng)力CFRP板比粘貼普通CFRP板的加固效果好得多,可以提高原受損構(gòu)件(A系列)的疲勞壽命5倍以上,大大提高了CFRP板的利用率.3.2應(yīng)力比的影響根據(jù)前面的理論分析可知:應(yīng)力比R對(duì)疲勞壽命的影響很大.一方面,在一定的應(yīng)力幅作用下,不同的應(yīng)力比會(huì)有不同的疲勞循環(huán)平均應(yīng)力,而平均應(yīng)力對(duì)疲勞壽命有很大影響.可以用恒壽命圖表示平均應(yīng)力在疲勞中的作用.根據(jù)恒壽命圖,應(yīng)力幅和平均應(yīng)力之間的不同組合可得出恒定的疲勞壽命,用得最多的是Goodman模型.在恒定的應(yīng)力幅條件下,應(yīng)力比越小,平均應(yīng)力越低,壽命越長.另一方面,應(yīng)力比R影響有效應(yīng)力強(qiáng)度因子,從而影響裂紋的擴(kuò)展速率.粘貼預(yù)應(yīng)力CFRP板后,鋼板受到預(yù)壓應(yīng)力,在應(yīng)力比較小的情況下(B系列),可能使最大、最小及平均應(yīng)力都大大降低.由于疲勞裂紋擴(kuò)展有裂紋張開應(yīng)力門檻值,應(yīng)力水平的降低將使有效應(yīng)力強(qiáng)度因子降低,使裂紋擴(kuò)展速率減小,從而延長疲勞壽命.從試驗(yàn)結(jié)果(圖2)也能看出:B系列(R=0.1)與D系列(R=0.4)只是應(yīng)力比不同,但疲勞裂紋擴(kuò)展速率和疲勞壽命的差距非常大(B系列在4×106次循環(huán)后裂紋擴(kuò)展25mm左右即終止試驗(yàn),沒有破壞),達(dá)10倍以上.由此可見,應(yīng)力比對(duì)加固效果的影響非常大,從降低應(yīng)力比的角度改善加固效果是非常有潛力的,而預(yù)應(yīng)力可以改變應(yīng)力比,因此效果很明顯.3.3預(yù)應(yīng)力cfrp板加固方式的改進(jìn)效果作為傳遞荷載的導(dǎo)體,粘結(jié)膠對(duì)CFRP板與鋼板之間的界面性能的影響很大,在很大程度決定了普通CFRP板加固構(gòu)件的靜力性能.但對(duì)于預(yù)應(yīng)力CFRP板加固構(gòu)件,傳力主要是由錨固裝置來完成的,因而降低了對(duì)粘結(jié)膠的依賴.從試驗(yàn)結(jié)果(圖3)也可以看出,粘結(jié)膠對(duì)裂紋擴(kuò)展的影響不大.兩端帶有機(jī)械錨固的預(yù)應(yīng)力CFRP板加固方式,粘結(jié)界面的應(yīng)力水平大幅降低,改善了非預(yù)應(yīng)力粘貼加固粘結(jié)界面的性能,很好地消除了粘結(jié)界面對(duì)加固后結(jié)構(gòu)構(gòu)件在循環(huán)荷載作用下疲勞破壞等方面存在的隱患,結(jié)構(gòu)的可靠性提高.由此可見,粘結(jié)膠對(duì)于預(yù)應(yīng)力CFRP板加固構(gòu)件的重要性大大降低,不再成為瓶頸.3.4裂紋模型的消除粘貼預(yù)應(yīng)力CFRP板加固的鋼板試件在疲勞荷載作用下的最大、最小應(yīng)力的測(cè)量值及按式(7)計(jì)算的加固前后相對(duì)疲勞壽命見表2.表3列出了各試件的疲勞壽命及臨界裂紋長度的試驗(yàn)值(B1和G1因預(yù)應(yīng)力度不足而沒有進(jìn)行試驗(yàn),D2,D3,F1和G2為研究預(yù)應(yīng)力損失在斷裂前就停止試驗(yàn)).比較表2和表3中相對(duì)疲勞壽命可見,由式(7)得到的結(jié)果相當(dāng)保守.原因在于:(1)式(7)是基于試驗(yàn)結(jié)果的擬合公式,存在較大離散性;(2)由于疲勞壽命對(duì)初始裂紋非常敏感,試驗(yàn)中預(yù)制裂紋形狀和尺寸不可能完全一致,在很大程度上影響了疲勞壽命;(3)沒有考慮CFRP板的橋接作用,加固后材料參數(shù)C和n會(huì)發(fā)生一定變化以及疲勞問題本身有很大的離散度.就疲勞壽命而言,B系列試件疲勞壽命最長,說明了外荷載對(duì)加固效果的影響:在應(yīng)力幅一定的情況下,應(yīng)力比越小,加固效果越好.因此,對(duì)外荷載的研究和預(yù)測(cè)是非常重要的.G系列試件的疲勞壽命在相同外荷載條件下最長,說明加固后的剛度對(duì)疲勞壽命是有利的.從整體上看,預(yù)應(yīng)力的引入使得普通CFRP加固技術(shù)完全改觀,首先是通過控制預(yù)應(yīng)力水平實(shí)現(xiàn)主動(dòng)控制,其次是擺脫對(duì)粘結(jié)膠的依賴,提高CFRP板的利用率.臨界裂紋長度對(duì)疲勞壽命的影響有限,加固前后試件的裂紋臨界長度相差10~20mm,但疲勞壽命差距很大.通過各因素對(duì)裂紋擴(kuò)展的影響的上述分析,可以得出以下認(rèn)識(shí):應(yīng)力比和預(yù)應(yīng)力對(duì)鋼板疲勞壽命的影響很大,而CFRP板的剛度和粘結(jié)劑對(duì)鋼板壽命的影響有限.從經(jīng)濟(jì)和實(shí)用的角度出發(fā),通過調(diào)整CFRP板的預(yù)應(yīng)力改善構(gòu)件的疲勞壽命是最有潛力的方法.4預(yù)應(yīng)力cfrp板加固鋼梁的承載力通過理論分析和疲勞試驗(yàn),可以得到以下結(jié)論:(1)采用考慮有效應(yīng)力強(qiáng)度因子幅的修正Pairs公式,從整體加固效應(yīng)和局部加固效應(yīng)兩方面分析粘貼預(yù)應(yīng)力CFRP板加固鋼板的疲勞裂紋擴(kuò)展行為,簡(jiǎn)單方便,但結(jié)果偏于保守,顯示出疲勞壽命對(duì)初始裂紋非常敏感.(2)通過對(duì)應(yīng)力比、預(yù)應(yīng)力、CFRP板剛度和粘結(jié)膠性質(zhì)的試驗(yàn)結(jié)果的分析發(fā)現(xiàn):預(yù)應(yīng)力是影響加固件疲勞壽命的主要因素,CFRP板和粘結(jié)膠力學(xué)性質(zhì)的影響有限.應(yīng)力比對(duì)疲勞壽命也有很大影響,因此,對(duì)交通荷載的正確預(yù)估是加固能否取得成功的基礎(chǔ).參考文獻(xiàn):趙啟林,王景全,金廣謙.碳纖維加固的反拱預(yù)應(yīng)力技術(shù)及其提高鋼結(jié)構(gòu)承載能力的分析[J].鋼結(jié)構(gòu),2002,17(3):51-53.ZHAOQilin,WANGJingquan,JINGuangqian.Analysisofthe“reverse-archprestressedtechnique”andtheimprovedbearingcapacityforsteelstructurestrengthenedbycarbon-fiber[J].SteelStructure,2002,17(3):51-53.鄧軍,黃培彥.預(yù)應(yīng)力CFRP板加固鋼梁的承載力及預(yù)應(yīng)力損失分析[J].鐵道建筑,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