（工程力学专业论文）CFRP加固工字钢梁非线性有限元数值模拟分析.pdf

c f r p 加固工字钢梁非线性有限元数值模拟分析 摘要 纤维复合材料( f r p ) 力h 固补强钢结构技术作为一种新兴的、技术含量高的建 筑物加固补强方法，具有很高的研究、推广价值，能够带来巨大的社会经济效 益。它是利用树脂类胶结材料将碳纤维材料粘贴于钢材表面，从而达到对结构 构件补强加固及改善结构受力性能的目的。碳纤维材料以其轻质、耐腐、高强 及施工便利的优点，在结构加固领域得到了广泛应用。同时有限元计算理论的 发展成熟，为结构加固补强提供了方便的计算工具，它能够较好模拟结构受力 发展的全过程，从而减少试验所需的大量人力、物力，为结构加固设计和施工 提供理论保证。 在总结国内外关于f r p 力n 固修复钢结构理论分析和试验研究的基础上，本文 对f r p 力h 固修复钢结构的特殊性及关键问题进行了系统的论述，包括f r p 与钢梁 之间的粘结机理、对加固材料的要求、f r p 与钢梁之间的荷载传递及构造措施 等。然后从钢材弹塑性本构关系入手，就钢结构在非线性分析中出现的各种单 元以及模拟碳纤维布的各种单元作了具体的分析讨论。 本文通过a n s y s 有限元的方法对碳纤维加固钢结构进行了验证，提出了 “三维实体一桁架一壳元有限元模型，分别对粘贴不同种类碳纤维加固工字 钢梁的受力性能进行了分析，得出了它们的荷载一挠度曲线、极限承载力和变 形，并把数值分析结果和实验结果作了对比，找出偏差原因。结果表明本文所 介绍的建模方法是切实可行的、所得到的结果是可靠的。 最后利用“三维实体一桁架一壳元 有限元模型对受弯完好钢梁和损伤钢 梁粘贴c r r p 力n 固前后的性能进行了分析，对加固效果的影响因素进行了讨论。 关健词：纤维增强复合材料，钢结构，粘结性能，有限元分析 n o n l i n e a rf i n i t ee l e m e n tn u m e r i c a ls i m u l a t i o na n a l y s i s r e s e a r c ho ni - s h a p e ds t e e lg i r d e rw i t hc f r p a b s t r a c t a san e wa n dh i g h t e c h n i q u ec o n s t r u c t i o nr e i n f o r c e m e n tm e t h o df o r r e i n f o r c e ds t e e ls t r u c t u r e f i b e r r e i n f o r e e dp l a s t i c ( f r p ) h a sm a n ya d v a n t a g e ss u c h a sh i g hr e s e a r c hv a l u ea n dp o p u l a r i z i n gv a l u e ，i tc a nb r i n gh u g es o c i a la n d e c o n o m yb e n e f i t t h ee x i s t i n gr e i n f o r c e ds t e e ls t r u c t u r e sc a nb es t r e n g t h e n e db y a d h e r i n gc a r b o nf i b e r r e i n f o r e e dp l a s t i c t ot h es t e e ls u r f a c et o i r e p r o v e t h e i r m e c h a n i c a lp e r f o r m a n c e s t h ea d v a n t a g e so fc f r ps u c ha s l i g h t w e i g h t ， n o n c o r r o s i v e h i g ht e n s i l es t r e n g t ha n de a s yc o n s t r u c t i o nm a k ei tw i d e l yu s e di n s t r e n g t h e n i n gf i e l d t h em a t u r a t i o no ff i n i t ee l e m e n tc a l c u l a t i o nt h e o r yp r o v i d e s ac o m p u t i n gt o o lt ot h er e i n f o r c e m e n tm e t h o d t h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o d ( f e m ) c a ns i m u l a t et h en o n l i n e a rf u l l r a n g ea n a l y s i s t h eb e h a v i o ro fb e a m sf r o m l i n e a rt on o n l i n e a rr e s p o n s e sa n du pt of a i l u r e i tc a ns a v el o t so fh u m a nr e s o u r c e a n dm a t e r i a l b a s e do nt h es u m m a r yo ft h e o r ya n a l y s i sa n dt e s tr e s e a r c ho ns t e e ls t r u c t u r e s s t r e n g t h e n e dw i t hf r pb o t hh o m ea n da b r o a d ，t h ek e yp r o b le m so fs t e e ls t r u c t u r e s r e p a i r e dw i t hf r ph a v ed i s c u s s e di nd e t a i l s ，s u c ha sb o n d i n gm e c h a n i s mb e t w e e n f r pa n ds t e e lb e a m t h es e l e c t i o nm e t h o d o l o g yo fr e p a i rm a t e r i a l s ，l o a dt r a n s f e r b e t w e e ns t e e lb e a ma n df r p t h e nf r o mt h es t a i n s t r e s sr e l a t i o n s h i po fs t e e l m a t e r i a l s a l le l e m e n tt y p e sn e e d e di nn o n 1 i n e rf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ( n e f a ) o fs t e e ls t r u c t u r ea n dc a r b o nc l o t hi na n s y sa r es t u d i e d t h i sp a p e rp u tf o r w a r dt h ee x p r e s s i o n so ft h ec a p a c i t yi nt h ec o m p o s i t e m e m b e rw i t hc f r pa n ds t e e l ，w h ic ha r eb ev a l i d a t e db yt h ea nsysm e t h o d s t h e “3 ds o l i d t r u s s s h e l l ”f i n i t ee l e m e n tm o d e lh a sp r o p o s e di nt h ep a p e r a n dt h e a n a l y s i sa n ds t u d yo fr e i n f o r e e di s h a p e ds t e e lg i r d e r ss t r e n g t h e n e dw i t hc f r p u n d e rt h ed i f f e r e n tt y p e sa r ed o n e 。t h el o a d d i s p l a c e m e n tc u r v e s ，t h eu l t i m a t e l o a d i n go fi s h a p e ds t e e lg i r d e ra n dt h ed e f c i r m a t i o na r ep r e s e n t e da n dc o m p a r e dt o t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s d e v i a t i o nr e a s o n sa r ea n a l y z e dd a t a ，w h i c hs h o w st h e m o d e l i n gm e t h o di sa v a i l a b l ea n dt h eo u t c o m ei sr e l i a b l e a tl a s t b a s e do nt h e 3 ds o l i d t r u s s s h e l l f i n i t ee l e m e n tm o d e l t h ea n a l y s i s a n ds t u d yo fs i n g l es t e e lg i r d e ra n dr e i n f o r e e ds t e e lg i r d e rs t r e n g t h e n e dw i t hc f r p u n d e rt h ed i f f e r e n tg l u i n gn u m b e r sa n dt y p e sa r ed o n e t h ei n f l u e n c i n gf a c t o r so f r e p a i re f f e c t i v e n e s sw e r ed i s c u s s e d k e yw o r d s ：f i b e rr e i n f o r c e dp o l y m e r s ( f r p ) ，s t e e ls t r u c t u r e s ，b o n d i n gp r o p e r t i e s ， f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s 插图清单 图2 1f r p 加固示意图1 1 图3 1弹塑性应力应变曲线2 7 图3 2m i s e s 屈服面图形2 9 图3 3等向强化时的屈服面变化图2 9 图3 4随动强化时的屈服面变化图3 0 图3 5 混合强化时的屈服面变化图3 0 图3 6材料的应力应变曲线3 1 图3 7纯粹增量近似与牛顿一拉普森近似的关系一3 2 图3 8传统n r 方法与弧长法比较3 2 图4 1工字钢梁加固及截面尺寸示意图3 4 图4 2c f r p 片材加固钢梁试验3 5 图4 3钢梁模型图3 6 图4 4s o l i d 4 5 单元几何模型3 6 图4 5s h e l l 6 3 单元几何模型3 7 图4 6微元体等效关系图3 8 图4 7原结构与等效结构等效关系图3 8 图4 8l i n k 8 单元几何模型一3 8 图4 9建立好的胶层等效铰接空间桁架单元一3 8 图4 1 0 单元类型的选择3 9 图4 1 1 钢梁网格划分示意图4 0 图4 1 2 碳布网格划分示意图4 0 图4 1 3 施加荷载和约束示意图4 1 图4 1 4 试件的各试验测量值与a n s y s 解对比4 3 图4 1 5c f r p 布加固钢梁各材料应变关系曲线4 4 图4 1 6c f r p 板加固钢梁各材料应变关系曲线4 5 图4 1 7c f r p 布加固钢梁v o nm i s e s 应力分布图4 5 图4 18c f r p 布z 向应力分布图4 6 图4 1 9c f r p 布加固钢梁v o nm i s e s 应力分布图4 6 图4 2 0c f r p 板z 向应力分布图4 7 图5 1钢梁试件模型尺寸图5 0 图5 2钢梁加固有限元模型5 0 图5 3c f r p 加固钢梁荷载位移曲线51 图5 - 4未加固完好钢梁的v o nm i s e s 应力图5 3 图5 5碳布加固完好钢梁的v o nm i s e s 应力图5 4 图 图 图 图 碳板加固完好钢梁的v o nm i s e s 应力图一5 5 未加固损伤钢梁的v o nm i s e s 应力图5 6 碳布加固损伤钢梁的v o nm i s e s 应力图5 7 碳板加固损伤钢梁的v o nm i s e s 应力图一5 8 表格清单 表2 1 g f r p 、c f r p 和a f r p 的力学性能1 2 表2 2玻璃纤维、高强型碳纤维、芳纶纤维性能的比较1 3 表4 1t g j 型粘结树脂性能表3 3 表4 2碳纤维片材性能表一3 4 表4 3试验梁加固方式3 4 表4 4屈服荷载及挠度的试验值与a n s y s 计算值对比4 2 表5 1c f r p 加固钢梁屈服和极限荷载有限元计算结果一5 1 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所 知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得金日曼工些太堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签字：签字日期扣p 0 7 年十月77 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金胆王些态堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人授权金壁王些太 堂可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 工作单位： 通讯地址： 导师签名： 签字日期：b 口1 年t 月| 日 电话：豳钐12 ，z p 邮编：甲。够 也日弘 1，f ， 玑 阳 剖 u 后饪广业 ：， 毕 沙 者 - ： 作 期 文 副 泛 字 位 签 学 致谢 本文是在完海鹰教授悉心指导下完成的，在此向完老师表示深深的感谢! 感谢您对我学术及科研能力的培养，感谢您在生活中对学生无微不至的关怀。 近三年的研究生学习中，耳濡目染您严谨、创新的学术作风，将对我今后的学 习工作受益无穷! 由衷感谢父亲、母亲一直以来给予我最无私的关爱，长期以来对我的关怀 和鼓励! 儿子将努力实现您们对我的期望，祝您们身体健康! 再一次深深感谢 所有疼爱我的长辈! 三年来，缘分让毛羽亮、马登堂、陆国、马仲、陈武龙和我一同生活，我 们一起经历了种种快乐、互相帮助、互相勉励，共同走过了这一程。我要郑重 的感谢你们，因为你们使我的研究生生活更加丰富! 感谢关心、支持和帮助过我的老师、师兄师姐、同门和师弟师妹们，和你 们一起度过的学习时光令我终身难忘! 最后感谢参与评审论文和出席学位论文答辩会的各位专家，感谢你们在百 忙之中给予我有益的指导! 作者：王伟佳 2 0 0 9 年0 3 月2 0 日 第一章绪论 1 1 研究背景 钢材具有高强，质轻，力学性能好等良好的优点，是制造结构物的一种极 好的建筑材料，钢结构与在建筑结构中应用广泛的钢筋混凝土结构相比，对于 充任相同受力构件，具有截面轮廓尺寸小，构件细长和板件柔薄的特点i l 2 】。 在役钢结构，如桥梁、建筑物、构筑物、海岸和近海工程、石油化工用压 力容器、管道、塔桅等，因在设计、制造、施工过程中可能产生各种缺陷，在使 用中因超载、锈蚀、疲劳等原因会引起结构的损伤累积，从而影响结构的安全 1 3 】。有些结构长期处于腐蚀环境中，有些结构则经受交变荷载的作用有些结构 处于高温、高湿或高压的服役环境中，而有些结构内部则充满易燃、易爆、有 毒、腐蚀等介质。这些结构在运行过程中会受到自然环境的侵蚀、外部荷载的 作用或人为因素的破坏，因此不可避免地会存在各种缺陷和损伤。当损伤累积 到一定程度时，就会导致结构失效，例如输送管道在周围环境和内部介质的作 用下经常会发生化学或电化学腐蚀，严重时导致腐蚀穿孔和泄漏，一旦发生泄 漏或爆炸，往往会发生火灾或中毒、爆炸等灾难性事故同时，有毒有害物料进 入大气、土壤和水源，既污染了环境，又造成了生产物料的浪费【4 7 1 。 总之，钢结构在长期的自然环境和使用环境的双重作用下，其功能将逐渐减 弱，这是一个不可逆转的客观规律，尤其在我国地震多发区域，对这些地区的钢 结构进行抗震加固以及对震损钢结构的修复，也常常是结构工程师的主要内容。 因此，在现代社会中对钢结构加固技术进行开发研究是非常必要的，具有重要 的社会效益和经济效益。 传统的钢结构加固的主要方法有：减轻荷载、改变计算图形、加大原结构 构件截面和连接强度、阻止裂纹扩展等。当有成熟经验时，也可采用其他的加固 方法【8 _ 10 1 。 1 改变结构计算图形 ( 1 ) 对结构可采用增加结构或构件刚度的方法进行加固； ( 2 ) 对受弯杆件可采用改变其截面内力的方法进行加固； ( 3 ) 对桁架可采取改变其杆件内力的方法进行加固。 2 加大构件截面的加固 采用加大截面加固钢构件时，所选截面形式应有利于加固技术要求并考虑 已有缺陷和损伤的状况。 但是在上述普遍采用的钢结构加固修复方法中主要采用现场焊接，因而会 带来一系列问题。 ( 1 ) 焊接时高温作用使焊接部位组织及性能劣化、材质变脆，断裂韧性降 低，抵抗脆性断裂的能力变差，影响结构运行的安全性； ( 2 ) 焊缝经常会或多或少存在一些缺陷，会萌生新的裂纹，引入了新的断 裂源： ( 3 ) 焊接过程中易产生氢脆、焊接后结构内部存在残余应力，和其它作用 结合在一起可能导致开裂； ( 4 ) 焊接使结构形成连续的整体，裂缝一旦失稳扩展，就有可能一断到底， 结构内存在大量易燃易爆介质时，修补期间有时需要停止运行，将会带来很大 的经济损失否则动用明火维修则存在爆炸的潜在危险，如对于壁厚严重减薄的 结构，焊接电流会穿透管壁造成介质泄漏，甚至发生爆炸； ( 5 ) 对焊接操作人员要求高，焊后需进行必要的现场探伤； ( 6 ) 焊接时，由于焊缝高温熔化和冷却过程中成分和组织的变化，如果焊 条选择不当，很容易造成焊缝的耐蚀性低于母材，使焊缝发生优先腐蚀。如果 焊缝的电位比母材低得多，那么焊缝与母材组成电偶腐蚀电池，将大大加速焊 缝的电偶腐蚀速度； ( 7 ) 由于需要焊接盖板，使结构重量增加较多，同时对于复杂的几何形状 不易成形，运输和安装也不方便，耗时、费力，质量不易保证； ( 8 ) 焊接盖板容易锈蚀，维护费用高1 1 1 以3 1 。 随着纤维增强复合材料( 简称f r p ) 的开发应用和粘结剂性能的不断改进， 高性能复合材料依靠其优异的性能在航空、航天、体育、卫生、电子、兵器等 领域得到了广泛的应用。人们相应研究发展了粘贴加固损伤结构的技术【1 4 d 。 其中碳纤维增强聚合材料，简称为c f r p 被广泛地应用于建筑工程方面至今只 有十多年的历史，美国和日本对c f r p 应用于混凝土结构的修复和加固研究， 始于世纪年代。到年代末年代初，日本的很多大学、科研机构和材料生产厂家 等相继进行了大量的碳纤维材料用于工程结构修复加固的研究，c f r p 材料具 有优异力学性能，施工工艺简便且加固效果可靠，得到了普遍的赞同和认可， 特别是在美国旧金山、洛杉机、日本阪神淡路大地震，中国台湾桃园县地震及 韩国三丰百货大搂倒塌事件造成重大人员伤亡和经济损失之后。生产实践的需 要推动着碳纤维材料在工程结构加固中应用的迅速发展，也在不断验证着该材 料的优越性。 c f r p 伴随着生产技术的日益成熟、产品性能的逐步提高、生产规模的扩 大和生产成本的下降，应用领域越来越广泛、应用层次越来越深入。c f r p 开 始应用于桥梁、轮船、发动机和集装箱等，并深入航空领域【l2 1 。 1 2f r p 加固钢结构的特点 碳纤维补强钢结构技术是用粘接剂将碳纤维片材( 包括布材、板材) 粘贴 2 到钢结构高应力区或损伤区的表面，使一部分荷载通过胶层传递到补强的片材 上，以缓解钢结构的材质破坏和疲劳破坏，从而延长结构的使用寿命。因此， 粘贴f r p 加固钢结构技术是一种很有发展前途的新型结构加固技术，具有广阔 的应用前景，它可以应用到飞机机身的裂纹修复、钢结构桥梁和建筑物的加固 修复以及船体结构、压力容器、输送管道和钢储罐等钢结构的缺陷加固及修复。 与传统的方法相比，碳纤维补强钢结构技术具有明显的优势 1 3 - 1 4 ： 1 f r p 比强度和比模量要高，要达到同样的加固效果，f r p 的尺寸明显小 于钢板的尺寸，同时f r p 本身密度小，而粘贴加固又省去了紧固件，加固后基 本不增加原结构的自重和原构件的尺寸； 2 由于f r p 的可设计性，即可以根据结构缺陷的严重程度和受力情况，在 单向f r p 中，通过改变组分和组分含量以改变其纵向和横向性能以及它们的比 值；对于f r p 板采用改变f r p 铺层的取向与顺序而改变复合材料的弹性特性 和刚度特性来设计复合材料的性能，从而适应特殊应用的要求，最大限度提高 钢结构的加固效果； 3 该方法不需要对原结构钻孔，对基体材料( 待加固的钢结构) 承载横截 面基本无削弱，不破坏原结构的整体性，不会形成新的应力集中源和纤维切断， 从而消除了产生新的孔边裂纹的可能，改善了应力集中和承载情况，提高结构 的抗疲劳性能，同时也避免了因钻孔而可能导致的对液压管道的破坏，以及因 钻孔产生的金属细屑进入结构内部； 4 柔性的f r p 对于任意封闭结构和形状复杂的被加固结构表面，基本上可 以保证近1 0 0 的有效粘贴率，与钢结构表面有良好的界面粘结性能、密封性， 减少了渗漏甚至腐蚀的隐患，很少出现二次腐蚀破坏现象，这一点对石油化工 行业的压力容器、输送管道等结构尤为重要； 5 粘贴f r p 加固修复钢结构是连续的面连接( 即两者相邻表面结合起来) ， 整个粘结面都承受荷载，克服了焊接仅依靠边缘结合而内部不能结合的缺陷。 钢结构与f r p 构成整体，荷载从原金属结构传递到f r p 更加均匀有效，应力 分布更为均匀，大大缓解了应力集中，这些都显著地提高了其强度和刚度，抗 疲劳性能好，延长了结构的使用寿命； 6 该方法特别适合于结构局部损伤和腐蚀等的加固，加固后能有效地阻止 裂纹的继续扩展，大大延长结构的使用寿命，提高维修间隔，降低维修成本， 满足可靠性和耐久性的要求； 7 该方法简便易行，成本低，效率高，特别适合于现场加固。可节省人工 与机器设备搬运，减少维护次数，避免道路因施工而造成阻塞。加固所用的时 间短，大约是常规加固方法所用工时的1 3 1 5 ，狭小空间亦可施工； 8 施工过程中无明火，安全可靠，对生产过程影响小，适用于特种环境， 3 如燃气罐、贮油箱、井下设备( 具有爆炸危险的情况) 、电缆密集处或化工车间、 炼油厂等环境； 9 有利于实现c f r p 自感知的智能特性，用碳纤维增强复合材料作为补强 材料，可以利用碳纤维自身的导电性能，根据补强片电阻的变化规律获得加固 修复部位的应变及应力信息，实现对结构的健康监视和诊断。 1 3 国内外对f r p 加固钢结构的研究 1 3 1 受弯构件加固 现阶段国内外f r p 加固钢结构的试验研究主要集中在受弯加固上，具体分 为无损伤缺陷钢梁的加固和损伤钢梁的加固。 1 3 1 1 无损伤缺陷钢梁的加固 f r p 加固钢梁的试验研究最早始于2 0 世纪9 0 年代中期，美国d e l a w a r e 大 学对无损伤缺陷的工字型钢梁进行研究【2 3 1 。近十多年来，国内外陆续对各种形 式的钢梁加固进行研究，主要包括工字型截面钢梁、矩形截面钢梁、钢板梁、钢 一混凝土组合梁。 m e r t z 等人l l5 j 采用g f r p 对跨度为1 3 7 2 m m ，型号为w 8 x 1 0 的工字型截面 钢梁进行加固试验研究。试验结果表明，这些钢梁的失效模式是g f r p 板发生断 裂或者g f r p 层间发生分层，没有观察到g f r p 和胶层之间的剥离破坏，加固后 钢梁的刚度、屈服荷载和极限荷载分别提高1 5 、2 3 和7 8 。 a k p a m a i k 和c l b a u e r 1 6 】将厚1 4 0 0 m mc f r p 板粘贴到薄壁工字型钢梁 腹板两侧，钢梁的破坏形式是腹板屈曲的剪切破坏，试验结果表明，加固后钢梁 的抗剪承载能力提高2 6 。国内侯发亮l l7 j 等人对工字型截面梁、矩形截面梁和 钢板梁采用f r p 加固后进行一系列试验研究，结果表明，加固后抗弯承载能力都 有所提高，提高的程度与f r p 加固量有关。 钢结构桥梁中常采用钢一混凝土组合梁，对钢一混凝工组合梁的加固也是一 个研究和应用热点。s e n 等人【l8 】对钢材屈服强度分别为3 1 0 、3 7 0 m p a 的组合梁 进行了试验研究，跨度为6 1 0 0 m m 的w 8 x 2 4 的工字型钢梁，上面是厚度1 1 4 r a m ， 宽度7 1 0 m m 的混凝土板，分别用2 m m 和5 m m 厚的c f r p 板粘贴到受拉翼缘底 部进行加固，c f r p 板的长度为3 6 5 0 m m ，宽度为翼缘宽度，弹性模量为1 1 4 g p a 。 试验结果表明，钢材屈服强度为3 1 0 m p a 的组合梁分别采用2 m m 和5 m m 厚的 c f r p 加固后，承载能力分别提高2 1 和5 2 ：钢材屈服强度为3 7 0 m p a 的组 合梁承载能力分别提高9 和3 2 。t a v a k k o l i z a d e h 和s a a d a t m a n e s h t l 9 j 对3 根屈 服强度为3 3 5 m p a 的组合梁采用c f r p 薄板加固进行试验研究，试验采用净跨 为4 7 8 0 m m 的w 1 4 x 3 0 的工字型钢梁，钢梁上面是厚度为7 5 m m ，宽度为9 1 0 m m 的混凝土板。钢梁下翼缘底部沿梁全长粘贴两道宽度为7 6 m m ，厚度为1 2 7 m m 的c f r p 薄板。四点受弯试验结果表明，当钢梁底部分别粘贴1 、3 、5 层c f r p 4 薄板时，组合梁的极限承载能力与未加固构件相比，分别提高4 4 、5 1 、7 6 ， 而刚度提高不明显。a b d u l l a h 和a s a i d y 2 0 j 对组合梁进行的加固试验研究表明， 其极限承载能力与未加固构件相比，分别提高2 1 - - 4 5 。 从上面介绍的f r p 加固无初始损伤缺陷钢梁的试验结果可以看出，钢梁加 固后的承载能力有一定提高，但刚度大部分没有明显变化。已有的试验结果表 明，加固效果的离散性比较大，随着粘贴的纤维量、纤维的弹性模量、钢材的 弹性模量、钢材的屈服强度的不同，加固效果也不同。 1 3 1 2 损伤钢梁的加固 对存在损伤的钢结构进行加固试验研究，主要采用受拉翼缘切口、腹板钻 孔等方法模拟钢梁的损伤。或直接从现场旧桥梁中选取存在锈蚀损伤的钢梁。 对受拉翼缘存在损伤缺陷的工字型钢梁采用c f r p 加固后，主要破坏模式是在 切口损伤处c f r p 与钢梁间的剥离破坏【2 ，并随着剥离的发展，最后c f r p 发生 断裂。而c f r p 加固存在损伤的组合梁的破坏模式【2 厶2 3 】主要有5 种：混凝土被 压碎、c f r p 与钢梁剥离、c f r p 被拉断、钢梁的翼缘或腹板屈曲、混凝土与钢 梁间的剪力件破坏，通常是几种破坏模式的组合。试验结果表明，存在损伤缺 陷钢梁用高模量的c f r p 板加固后，刚度基本能恢复到未损伤情况下钢梁刚度 的9 0 以上；极限承载能力的提高随着加固量和损伤大小而不同，在损伤情况 相同的条件下，随着抗弯加固率指标6 增大而增大。 c f r p 在切口损伤处与钢梁的剥离破坏是一个非常普遍与重要的现象，切 口损伤越严重，剥离破坏越明显。虽然实际结构中很少出现试验中严重切口损 伤的情况，但c f r p 片材与钢梁的剥离问题应引起足够重视，并应采取有关措 施延缓或避免剥离破坏的出现，从而充分利用c f r p 的高强性质。 s h u l l e y 等人还对6 根腹板存在损伤的工字型钢梁进行了加固试验研究，钢 梁的跨度为7 1 l m m ，在距钢梁支座1 7 8 m m 的腹板中部用直径为1 0 0 m m 的圆孔 模拟腹板的损伤。采用不同种类的c f r p 片材进行加固。结果表明，所有的钢 梁在圆孔处的c f r p 片材都发生了与钢腹板的剥离，且承载能力都没有得到显 著提高。而a k p a t n a i k 和c l b a u e r 1 6 】对没有损伤的钢梁粘贴c f r p 板到腹板 两侧，却使钢梁的抗剪承载能力提高2 6 。两个试验结果差异很大，一方面是 由于后者加固量比前者大；更重要的原因是前者由于腹板圆孔的存在使得过早 发生c f r p 与钢腹板之间的剥离破坏。这也说明采取措施延缓或避免剥离破坏 的重要性。 1 3 2 受拉( 压) 构件加固 对受拉( 压) 构件的加固试验研究不如受弯构件多，但最近几年这方面的 研究逐渐增多。 s h a a ta 【2 4 】等人进行c f r p 片材加固不同长细比的空心方管柱的可行性研 究，并且已经完成了对空心方管短柱c f r p 加固后的受压性能研究。他们先沿 方管环向缠绕一层c f r p 布，避免可能发生的电化学腐蚀，然后在沿环向或纵 向粘贴若干层c f r p 布。试验结果表明，沿方管环向粘贴c f r p 布的加固效果 远比纵向好，极限承载力提高18 。当沿纵向c f r p 加固时，破坏形式是c f r p 布与钢结构的剥离破坏。当采用环向c f r p 加固时则不会发生c f r p 布与钢结 构之间的剥离和c f r p 布断裂的现象，钢柱最后发生局部屈曲破坏。 m i s s o u r i r o l l a 大学研究了用f r p 管加固锈蚀损伤钢柱抗压承载能力的可 行性【2 5 1 。研究人员在钢柱存在锈蚀损伤的部位先套上f r p 管，然后在f r p 管内 浇筑膨胀轻质混凝土，使钢柱进行受压试验。试验结果表明，采用这种方法加固 后，承载能力普遍比未加固构件提高15 0 以上。 西安交通大学的马建勋等人对采用碳纤维布粘贴加固后的钢板进行了单轴 拉伸试验【2 6 1 ，研究了c f r p 布对试件屈服荷载、承载力和延性的影响，并对c f r p 布与钢板的共同工作问题进行了初步分析。试验结果表明，钢板采用c f r p 布 双面粘贴后，屈服荷载可提高1 6 1 8 ，极限荷载可提高1 6 - - 一2 5 ，破坏 模式是c f r p 布被拉断，主要是断面附近或c f r p 布端部发生脱胶，随着脱胶 程度和位置不同，极限承载能力不同，这也充分说明胶粘剂对钢构件加固中起 着非常重要的作用。 当钢板经碳布加固后，形成了一种新的组合构件，这种新的结构体系之所 以能较原结构有更高的承载力，一个重要的原因就是钢和碳纤维布能够较好的 共同工作。在拉伸试验后期碳纤维布和钢结构之所以不能很好的共同工作，是 因为粘结剂的剪切强度下降，导致构件局部脱胶所造成的。粘贴工艺和胶的强 度是碳纤维加固工作中极其重要的环节，做不好就难以达到预期的效果。有关 粘贴剂与钢结构的粘贴问题有待进一步研究。 1 3 3 疲劳加固 从国内外至今所有的疲劳性能试验结果看，采用f r p 加固后的钢结构构 件，疲劳损伤的剩余疲劳寿命均成倍增长，加固效果十分明显。因此，这是一 个有实际应用价值的研究方向。d e l a w a r e 大学的研究人员对从一座旧桥梁取出 时2 根存在锈蚀损伤钢梁，采用c f r p 板加固后进行了疲劳试验研究【27 。，在 3 4 m p a 的应力幅下，经过1 0 0 0 万次应力循环没有发生c f r p 板与钢梁的剥离 破坏，这说明加固后钢梁具有很好的抗疲劳性能。 b a s s e t t i 等人【2 8 】试验研究了采用预应力c f r p 板来延缓裂纹扩展速率从而 提高铆接钢结构的疲劳寿命试验第一阶段对中心带裂纹的小尺寸钢板采用 11 2 r a m 厚的预应力c f r p 板后进行加固处理，在8 0 m p a 的应力幅和o 4 的应力 比的循环荷载作用下，随着预应力的增大，裂纹扩展速度显著降低，疲劳寿命 提高最高达1 6 倍。 t a v a k k o l i z a d e h 和s a a d a t m a n e s h 2 9 j 对2 1 根1 3 m 长的w 1 2 7 x 4 5 的小尺寸 a 3 6 工字型钢梁进行四点受弯试验研究。梁跨中受拉翼缘两边各被切割一道长 6 1 2 7 r a m ，宽o 9 m m 的切口模拟损伤疲劳裂纹，c f r p 板长度为3 0 0 r a m ，宽度与 粱的下翼缘相同，厚度为1 2 7 m m ，纤维方向与切口方向垂直。试验结果表明， c f r p 加固过的钢梁试件与未加固相比，当应力幅为2 0 7 m p a 和3 4 5 m p a 时，疲 劳寿命分别提高3 4 倍和2 6 倍。 s e a n c j o n e s 等人 3 0 1 对2 1 个含边裂纹和8 个含中心裂纹的受拉构件进行疲 劳试验研究，考察了c f r p 类型、长度、宽度、单面或双面粘贴、裂纹扩展前 后粘贴等因素对加固效果的影响。对于含边裂纹命与未加固构件相比最大提高 1 15 。对于含中央裂纹钢板，当双面粘贴加固时，加固后构件的剩余疲劳寿命 与未加固构件相比最大提高5 4 。 国内张宁f 3 u 等人对两组十字形横肋小试件进行在拉拉循环荷载作用下的 疲劳试验研究。小试件采用3 块宽7 0m m 、厚度分别为2 0m m 和2 5m m 的钢 板焊接而成，制作了2 组试件，每组1 0 个，l 组未加固，为原状焊缝，另1 组为 碳纤维加固，碳纤维粘贴方向与焊缝垂直，粘贴宽度与钢板相同。试验采用等 幅疲劳试验加载程序，波形为正弦波，频率为5 0 0 次分，试验温度为2 0 2 6 。 试验结果表明，在等应力幅、等应力值、应力比相同等条件下，粘贴有碳纤维 布的试件较原来试件疲劳性能有大幅度改善，疲劳寿命可以提高3 1 8 。从上 面试验可以看出，c f r p 粘贴加固疲劳损伤的钢结构，可以有效提高其疲劳剩 余寿命。 郑云【3 2 】等人采用断裂力学的方法对c f r p 加固疲劳损伤的裂纹钢板来改 善其剩余疲劳寿命进行了理论分析。采用基于线弹性断裂力学理论，用有限元 模型对表征疲劳裂纹扩展速率的裂纹前端应力强度因子进行了计算分析，并与 相关文献的算例和试验结果进行了比对，有较好的准确性。通过引入 p a r i s 2 e r d o g a n 裂纹扩展模型，采用c f r p 双面粘贴加固后钢板的剩余疲劳寿命 得到显著提高，从理论上验证了用c f r p 加固疲劳损伤钢结构是非常有前途的 一种加固方法。 1 3 4 胶粘剂及其受力分析的研究 c f r p 加固钢结构的薄弱环节最主要是钢结构与c f r p 界面间的胶粘剂。 胶粘剂产生的粘贴力是一种复杂的相互作用，从机械角度看，包括化学吸附力、 物理静电力、界面咬合力等。从力学角度分析，则包括剪应力和正应力。现有 的试验研究资料表明，c f r p 加固钢结构的破坏大多在c f r p 端部或钢构件的 不连续区域，主要是这些胶层中存在很大的应力集中，从而发生c f r p 与钢结 构的脱胶破坏，然后随着荷载增大，脱胶区域不断扩大，最终导致剥离破坏。 c f r p 加固钢结构首先要选择合适钢结构加固的胶粘材料。目前研究采用的胶 粘剂大部分采用双组份环氧树脂，为高分子有机材料，其热稳定性、长期化学 稳定性不理想，特别是不耐高温，这成为c f r p 加固技术在工程用应用的最大 缺陷。国家工业建筑诊断与改造工程技术研究中心【3 3 】进行了c f r p 加固钢结构 7 粘结界面受力性能的试验研究。试件模拟钢结构损伤情况并研究粘贴长度对界 面应力的影响。试验结果表明粘结界面应力大小和分布与很多因素有关，包括 材料强度、厚度、弹性模量、荷载效应、粘贴方式、固化条件等。 1 3 5 预应力加固 预应力c f r p 加固钢结构是最近一段时间提出的加固新方法。现有的试验 研究很少，基本都处在理论研究阶段。c f r p 对钢结构的承载力有一定的提高， 为了进一步利用c f r p 良好的抗拉强度，江克斌与许特【3 4 j 等人将传统预应力技 术与c f r p 加固技术相结合介绍了一种预应力c f r p 加固方法。预应力c f r p 技术就是在应用c f r p 对钢结构进行加固时，首先对c f r p 拉伸，然后将拉伸状 态的c f r p 与钢结构进行粘接，待二者粘接可靠后将预应力设备撤收。在进行 了理论公式的推导后，对长5 0 0 0 m m ，高2 0 0 m m ，宽1 0 0 r a m 的矩形截面钢梁 进行了非线性分析。并证明了理论计算方法的适用性。赵启林1 3 5 】等人提出了 c f r p 加固钢结构的反拱预应力技术。其基本思路是：首先利用已经成熟的体外 预应力施加技术，在结构使用荷载的反方向施加荷载，消除已有变形并且使结构 产生一定的变形，在该变形状态下粘贴c f r p ，当c f r p 与钢结构梁等结构粘贴 可靠后撤收施加预应力的设备。推导了理论公式并用有限元分析了公式的适用 性。预应力加固现处在起步阶段，将是今后重点研究的一个方向。 1 3 6f r p 加固钢结构有限元模拟的研究 目前国内外已经有很多学者和科研机构对纤维复合材料加固钢结构作了大 量的研究，并且己发表了很多有关这方面的论文，其中绝大多数的研究成果是 通过试验数据得到的。然而由于受试验条件和经费的限制，试验所能提供的数 据通常是有限的。 有限元法为研究纤维复合材料增强钢结构受力性能提供了一种有效工具。 有限元分析大多采用a n s y s 、a b a q u s 、等大型有限元分析软件，这些软件对 各种结构的计算具有很好的适用性。 采用有限元模拟要处理的关键问题在于胶层单元的选择，由于在实际中， 胶层虽是均匀的实体，且厚度很小( 往往只有0 2 1 毫米) ，所以采用实体单元 模拟的方法是行不通的，这往往会造成单元畸变，在已有的有限元模型中，对 胶层单元的处理方式有以下几种 1 不单独建立胶层单元采用工节点或节点耦合的方式 即“三维实体壳元模型”，在建立模型时，分别对钢构件和碳纤维片材划 分单元，不建立胶层单元，被粘贴表面和粘贴片材共用同一节点，或者采用耦 合的方式使被粘贴面的节点和粘贴片材的的节点拥有相同的自由度。通过以上 方式达到模拟粘贴的目的，但这种模拟方式假定加固片材与被加固构件粘贴完 好且在受力过程中不产生粘结滑移，显然在实际中，这种假设是不存在的，所 8 以采用此类模型分析的结果往往与实际有较大的误差。 2 通过建立弹簧单元模拟胶层 即“三维实体弹簧壳元模型1 3 6 】 ，采用a n s y s 中的弹簧单元c o m b i n l 4 来模拟c f r p 与工字钢梁钢板之间的胶层，在c f r p 与胶层界面与工字钢梁钢 板表面之间相应的一对节点之间设置三个弹簧单元分别表示界面的法向( 钢板 的厚度方向) 、纵向切向和横向切向。 。 弹簧单元的长度为胶层的厚度，法向弹簧单元的性能由粘结剂拉伸试验得 到的应力一应变曲线确定，切向弹簧单元的性能由粘结剂剪切试验得到的应力 一应变曲线确定，分析中认为纵向切向弹簧和横向切向弹