frp加固金属裂纹板的断裂力学分析

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1、万方数据第28卷第3期力学与实践2006年6月FRP加固金属裂纹板的断裂力学分析1’彭福明岳清瑞杨勇新张晓欣(中冶集团建筑研究总院，北京100088)摘要传统的金属结构加固方法会形成新的疲劳源，而粘贴FRP加固则具有明显的优势．提出了“三维实体一弹簧一壳元”有限元模型，金属板采用三维实体单元，FRP采用壳单元，用弹簧单元来模拟FRP与金属板之间的胶层，对金属裂纹板粘贴FRP加固后的性能进行了线弹性断裂力学分析，并对影响金属板裂纹前缘应力强度因子的参数进行了讨论．分析结果表明，采用高弹性模量的FR

2、P和增加FRP的厚度对改善加固效果非常明显．关键词纤维增强复合材料，金属裂纹板，线弹性断裂力学，应力强度因子，约束方程FRACTUREMECHANICSANAIⅣSISOFCRACKEDMETALLICPLATESREPAIREDWITHFRPPENGFumingYUEQingruiYANGYongxinZHANGXiaoxin(CentralResearchInstituteofBuildingandConstruction，MCCGroup，Beijing100088，China)Abstr

3、actThereareseveraladvantagesofadhesivelybondedfiberreinforcedpolymer(FRP)laminatesusedforthedeterioratedmetallicmembersoverthetraditionalretrofitmethodssusceptibletofatiguecrackinitiation．Thethreedimensional“solid—spring—shellelement”finiteelementmod

4、elispresentedinthepaper．IntheFEMmodel，themetalicplateismodeledasasolidelement，FRPismodelledasashellelementandthespringelementisusedtomodeltheadhesionbetweenthemetalicplateandFRP．LinearfracturemechanicsanalysisofcrackedmetallicplatesrepairedwithFRPisc

5、arriedout．Influencingfactorsonthestressintensityfactorsatcracktipsarediscussed．ItisshownthattheincreasesintheelasticmodulusorthethicknessofFRPimprovetheeffectivenessofstrengtheningsignificantly．Keywordsfiberreinforcedpolymers，crackedmetallicplates，li

6、nearfracturemechanics，stressintensityfactors，constraintequations金属结构在使用过程中受到交变荷载的作用，内部的初始缺陷不断发展形成宏观裂纹，裂纹失稳扩展导致结构失效．疲劳断裂是金属结构破坏的主要形式之一，一旦发生就会造成灾难性的后果．当金属结构存在裂纹时，其承载能力和刚度变弱．传统的加固方法是将金属盖板和型材通过焊接、栓接或铆接的方式连于原损伤结构．实践表明这些传统的加固方法是有效的，但存在以下缺点：焊接缺陷对疲劳敏感；焊缝附近可能

7、发生电偶腐蚀；栓接需要在损伤部位钻孔，恶化了损伤区域的受力情况；需要补强板，增加了结构的重量；加固工期长，影响结构的正常使用；金属容易锈蚀，维护费用高等．与传统的金属结构加固方法相比，由于纤维增强复合材料(FRP)具有优异的耐疲劳性能，而且粘结传力更加均匀可靠，不会带来疲劳敏感缺陷，因此粘贴FRP加固裂纹金属构件具有特别的优势．双面粘贴FRP加固金属裂纹板的典型构造如图1所示。断裂力学从材料中具有初始缺陷这一事实出发，研究裂纹尖端附近的应力应变情况．目前线弹性断裂力学已经比较成熟，在生产中已经得

8、到广泛2005-05—09收到第1稿，2005-12-09收到修改稿，1)国家863计划项目(2001AA336010)，国家自然科学基金项目(50238030)和2004年科研院所技术开发研究专项资金项目(2004EG213024)资助．万方数据第3期彭福明等：FRP加固金属裂纹板的断裂力学分析图1FRP加固金属裂纹板的应用．本文采用通用有限元程序ANSYS，利用其二次开发功能，主要是参数化设计语言(APDL)和宏命令，建立了“三维实体一弹簧一壳元”有限元模型，对金属裂纹板粘贴FRP加固后的性