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1、CFRP加固含疲劳裂纹钢板的有限元参数分析郑 云 叶列平岳清瑞 董嘉林(清华大学土木工程系 北京 100084)(中冶集团建筑研究总院 北京 100088) 摘 要:CFRP加固含疲劳裂纹钢板可显著提高其疲劳寿命。采用有限元分析方法,详细研究了CFRP长度、宽度、厚度、弹性模量,胶层的剪切模量和厚度等各种参数对加固效果的影响。结果表明:提高CFRP的弹性模量、厚度,采用适当的胶层剪切模量、厚度,对提高加固效果显著。根据有限元计算结果,归纳得出应力强度因子幅的计算经验公式,该经验公式与有限元计算结果和试验结果符合较好,可用于计算CFRP加固含疲劳裂纹钢板
2、疲劳寿命的计算。 关键词:碳纤维板 加固 钢结构 疲劳裂纹 疲劳寿命 应力强度因子 有限元分析PARAMETERSTUDYONSTEELPLATESREINFORCEDBYCFRPPLATESWITHFINITEELEMENTMETHODZhengYunYeLieping(DepartmentofCivilEngineering,TsinghuaUniversityBeijing100084)YueQingruiDongJialin(CentralResearchInstituteofBuildingandConstructionofMCCGroupB
3、eijing100088)Abstract:ThefatiguelifeofcrackedsteelplatecanbesignificantlyincreasedbyexternalbondedCFRPplates.Theinfluenceparameters,suchasthelength,width,thickness,elasticmodulusofCFRP,andthethickness,shearmodulusofadhesive,onstressintensityfactor(SIF)offatiguecrackfrontfaceweres
4、tudiedwithfiniteelementmethod(FEM).TheresultsshowedthatincreasingthethicknessandelasticmodulusofCFRP,usingmoderatethicknessandshearmodulusofadhesiveledtogoodstrengtheningeffect.BasedontheFEMresults,anempiricalformulaofSIFwassuggested.Thefatiguecrackpropagationpredictedbythesugges
5、tedempiricalformulaisfoundtohavegoodagreementwithexperimentalresult,andcanbeusdtoevaluatethefatiguelifeofcrackedsteelplatestrengthenedwithCFRPplates.Keywords:CFRPplatestrengtheningsteelstructurefatiguecrackfatiguelifestressintensityfactorfiniteelementmethod 碳纤维增强复合材料(CFRP)具有比强度和
6、比刚度高、疲劳性能好、耐腐蚀等特点,目前在混凝土结构加固中得到广1 有限元分析模型泛的研究和应用。近年来CFRP加固钢结构也逐渐成为新的图1为典型含中央裂纹钢板用CFRP板单面粘贴加固的研究热点,目前研究主要集中在CFRP加固钢结构静力性能受力分析示意(也可以看成是CFRP板双面粘贴加固的1P2),[1]研究方面,而对加固钢结构疲劳性能研究相对较少。含中其中tP为CFRP板的厚度,ta为胶层的厚度,ts为钢板的厚央疲劳裂纹的钢板采用CFRP板粘贴加固后的疲劳试验表度,a、WP、HP、Ws、Hs分别为裂纹长度、CFRP板宽度、CFRP明,采用CFRP板加固
7、后钢板的剩余疲劳寿命与未加固钢板板长度、钢板宽度和钢板长度的1P2。[2][3]相比,得到显著提高。采用CFRP板加固后钢板的剩余疲本文有限元分析模型采用本文作者文章中采用的“三劳寿命能够显著提高的根本原因是,加固钢板裂纹前端的应维块体-弹簧-板”模型,如图2所示,在此不再详述。力强度因子幅值ΔKI减小,使得疲劳裂纹的扩展速率降有限元模型中材料和几何参数均按表1采用。[3]低。本文通过有限元分析计算,详细研究了CFRP长度、宽度、厚度、弹性模量和胶层的剪切模量、厚度等参数对钢板裂3国家自然科学基金重点项目(编号:50238030)和国家863计划项目纹前
8、端的应力强度因子幅值ΔKI和加固效果的影响。根据(编号:2001AA336010
