1、Jun.20232023年6 月Structural EngineersVol.39,No.3第39 卷第3期师程构结CFRP补强含表面裂纹钢板受拉疲劳试验研究李筑轩1，2陈涛1，2，*（1.同济大学工程结构性能演化与控制教育部重点实验室，上海2 0 0 0 9 2；2.同济大学建筑工程系，上海2 0 0 0 9 2）摘要对碳纤维增强复合材料（CFRP)补强含表面裂纹钢板进行系列试验，主要研究了表面裂纹深度、长度和CFRP单双面补强对疲劳寿命和裂纹扩展的影响，分析补强前后裂纹深度方向扩展速率的规律以及相关应变变化规律。试验研究结果表明，裂纹深度增加会显著降低疲劳寿命,CFRP补强可在一定程度上
2、提高疲劳寿命并减缓裂纹扩展，最高可提升疲劳寿命至未补强试件的两倍。对于含表面裂纹钢板试件而言，双面CFRP补强效果与单面补强效果近似，两者相差不大关键词表面裂纹，CFRP，疲劳试验，疲劳寿命Fatigue Tension Tests on CFRP Reinforced Steel Plateswith Surface CracksLI Zhuxuanl:2CHEN Taol.2.*(1.Key Laboratory of Performance Evolution and Control for Engineering Structures(Ministry of Education),To
3、ngjiUniversity,Shanghai 200092,China;2.Department of Structural Engineering,Tongji University,Shanghai 200092,China)Abstract A series of tests were carried out on carbon fiber reinforced plastics(CFRP)reinforced steel plateswith surface cracks.Then some factors affecting the fatigue life and crack p
4、ropagation were studied.Thesefactors included the dimensions of surface cracks and the CFRP reinforcement.In addition,the strain historyand the crack propagation rates in depth direction before and after reinforcement were analyzed.The researchresults show that the increase of the crack depth will s
5、ignificantly reduce the fatigue life.Furthermore,theCFRP reinforcement can improve the fatigue life and slow down the crack propagation to a certain extent.It canincrease fatigue life up to twice that of unreinforced specimens.For the steel plates with surface cracks,thedouble-sided CFRP reinforceme
6、nt is similar to that of single-sided reinforcement.Keywordssurface crack,CFRP,fatigue experiment,fatigue life0引言钢材在国家经济繁荣，社会福补和生活质量方面发挥着关键作用。而疲劳荷载是造成钢结构失效的一个常见原因 2 。即使钢材所受应力远低于屈服强度，由于多次循环荷载作用，也可能会发生结构疲劳损伤。由于疲劳破坏是脆性破坏，没有明显的宏观塑性变形，且破坏时荷载水平未必很高，因此破坏极易造成严重的安全事故与经济损失 3。而结构材料本身和焊接等施工过程中不可避免地会有初始缺陷存在，在一定工
7、况下，疲劳荷载会引起这些缺陷扩展成裂纹，若不及时修复，可能致使结构发生脆性破坏，具有很大的危害。金属的疲劳裂纹萌发通常从构件的表面缺陷开始，这可等效为椭圆形表面裂纹，此即本文研究收稿日期：2 0 2 2-12-0 2基金项目：国家自然科学基金项目（519 7 8 50 9）作者简介：李筑轩，男，博士研究生，研究方向为钢结构疲劳。E-mail：18 10 0 2 0 t o n g j i.e d u.c n“联系作者：陈涛，男，教授，研究方向为结构疲劳。E-mail：t.c h e n t o n g j i.e d u.c n127结构工程师第39 卷第3期试验研究的重点。应力强度因子(SI
8、F)作为表征裂纹尖端附近区域应力场强度的物理量，是疲劳性能里重要的参数。而Newmanl4提出的含表面裂纹板SIF计算公式是最著名且被广泛使用的。他提出了在远场受拉或受弯下具有不同尺寸和形状的含表面裂纹板的SIF计算公式，与参数角、裂纹深度、裂纹长度、板厚和板宽有关。基于断裂力学的穿透裂纹扩展模型在19 6 3年由Erdogan和Paris5首次提出，其中疲劳裂纹扩展速率与应力强度因子有关。该模型对于表面裂纹同样适用，Newman4提出表面裂纹深度方向与长度方向扩展速率模型的常数C存在一定比例关系，因此可预测表面裂纹深度方向与长度方向不同的扩展速率。之后，王兴路等 6 进行拉伸和弯曲疲劳载荷作
9、用下金属板材试验研究，得到表面裂纹扩展形状演变规律，并且基于裂纹扩展过程中的能量释放率理论提出一种表面裂纹疲劳扩展形状的计算方法。肖顺等 7 给出采用试验与数值结合方法对焊接H形钢梁的疲劳裂纹扩展过程进行模拟，取得较好的效果。夏齐炜等 8 利用数值软件，建立考虑闭合效应的模型，预测耐热钢含表面裂纹试件的疲劳裂纹扩展，与试验结果相符。同时还有学者发现，粘贴碳纤维复合材料(CFRP)可以显著改善含裂纹钢结构的疲劳性能，用于结构加固与修复时效率很高。Zhao等19 对FRP补强钢结构性能进行大量研究，并归纳了FRP补强钢结构的六种破坏模式，包括界面脱胶，FRP层离和钢材失效等。Liu等 10 对应变
10、分布和应力分布在复合材料界面进行了一定的研究。Ghafoori等通过试验和数值研究不同弹性模量的CFRP补强对工字形钢梁受力性能的影响，发现CFRP弹性模量越高，得CFRP板承受的应力越高，因此降低钢梁底部翼缘处的拉应力，有利于改善疲劳性能。Chen等 12-14 对于CFRP补强含裂纹钢结构的研究集中在穿透裂纹，包括中心裂纹和边裂纹。Aljabar等 15 通过试验研究CFRP补强中心斜裂纹钢板的疲劳性能，全补强后的疲劳寿命可达未补强试件的2 倍。Colombi等 16 通过试验和数值研究CFRP补强含边裂纹钢板的疲劳性能，结果表明CFRP延长疲劳寿命效果较显著余倩倩等 17-18 用边界元
11、方法研究CFRP补强钢板的疲劳扩展寿命规律，并综述了疲劳荷载作用下CFRP-钢粘结性能和Fe-SMA材料补强钢结构的疲劳性能。而对于CFRP补强椭圆形表面裂纹疲劳性能研究很少。Li等 19-2 1 对FRP补强表面裂纹钢板的疲劳性能进行了系列试验和数值研究，包括应力强度因子和裂纹扩展规律等。孟兮 2 2 应用有限元软件编制计算程序对承受常幅I型疲劳荷载的CFRP加固中心表面裂纹钢板进行研究，发现CFRP能有效降低裂纹扩展速率，同时CFRP约束作用使裂纹深度方向扩展速率大于长度方向。吕志林等 2 3-2 4 则用高弹模CFRP针对钢桥中钢板疲劳裂纹进行系列修复试验，确定不同修复方法对损伤钢板疲劳
12、寿命的增强效果。陈卓异等 2 5 研究CFRP加固含裂纹钢板疲劳性能发现，单面加固钢板由于偏心荷载产生附加弯矩，在未加固面的纵向应变幅波动较大，而随着裂纹长度增加，CFRP加固对钢板应力强度因子幅值减少更显著。含表面裂纹钢板的数值研究较充分，而CFRP补强含表面裂纹钢板的疲劳试验需要进一步研究。本文以含表面裂纹钢板作为研究对象，考虑未补强和CFRP补强试件两种形态，不同裂纹深厚比和裂纹形参比等因素，研究在受拉疲劳作用下的试验性能，包括裂纹扩展和疲劳寿命等。1含表面裂纹钢板试验设计1.1含表面裂纹钢板试件设计1.1.1钢板尺寸与初始缺陷本次试件采用Q355矩形钢板，几何尺寸为700mmx90mm
13、x10mm，即钢板长度L为7 0 0 mm，宽度W为9 0 mm，厚度t为10 mm。在试件长边方向中部通过切割的方式引人初始椭圆形表面裂纹，表面裂纹方向与试件长边垂直，初始裂纹深度为，初始裂纹半长为co，见图1。试件中心断面示意图见图2。椭圆形表面裂纹的深厚比t和形状比ao/co是表征表面裂纹的重要参数。将初始椭圆裂纹面积S.与试件横截面积A.的比值SJA定义为钢板初始损伤度。本次试验考虑了四种初始损伤度，包括5.2 4%(ag/t=0.3,ao/c=0.6),7.85%(a/t=0.3,128Experiment StudyStructural Engineers Vol.39,No.3人
14、CFRP表面裂纹2Co00W图1试件尺寸与CFRP加固形式Fig.1Geometric dimensions of the specimen and CFRPconfigurations+CFRPBCA表面裂纹2co钢板(a）单面补强试件CFRPBCA.S表面裂纹2c0钢板+CFRP(b)双面补强试件图2试件中心断面示意图Fig.2Diagram of the central section of the specimenao/c.=0.4),12.57%(a./t=0.6,a/c=1)和2 0.9 4%(ao/t=0.6，a g/c.=0.6），不同CFRP加固形式，共设计9个试件，其中未补
15、强试件4个，补强试件5个，CFRP补强层数均为3层。试验试件编号见表1。表1试件主要参数与疲劳寿命Table 1Specimen parameters and fatigue lives试件编号a/a/coag/mmCo/mm加固方式CFRP疲劳寿命破坏模式A1B10.30.437.588808A1B20.30.635203 163未加固1A2B20.60.661039975A2B30.616669 432A1B1-R30.30.437.5210.965A1B2-R30.30.635264.901单面3层FTS-C8-30A2B2-R30.60.661059519IIA2B3-R30.6166
16、122.494A1B1-R3D0.30.437.5双面3层FTS-C8-30224514注：a为初始表面裂纹深度，c为裂纹半长，t为钢板厚度，单位为mm。A 1和A2分别表示a/=0.3、0.6;B1,B2 和B3分别表示adc=0.4、0.6、1;R3表示补强CFRP层数为3。破坏模式I指未加固钢板疲劳断裂；II指CFRP断裂伴随层间剥离，钢板疲劳断裂并伴随端部局部界面脱胶。1.1.2CFRP加固形式本次试验采用的CFRP布型号为FTS-C8-30。加固形式见图1。CFRP粘贴形式为单面3层以及双面各3层，粘贴范围在钢板中心，尺寸均为300mmx90mm，每层CFRP布厚0.143mm。单面补强试件仅沿试件表面粘贴含表面裂纹的一面，双面补强试件则粘贴含表面裂纹的一面与对称的背面。CFRP材料与钢板间采用Araldite2014结构胶进行粘贴。CFRP布与钢板之间的胶水厚度控制为1mm。对于CFRP补强试件,将其用结构胶粘贴CFRP后，在常温2 3 2 8 环境下养护一周，再进行疲劳加载。将CFRP纤维向弹性模量E.与横向截面积A。的乘积和钢材弹性模量E.与横向截面积A.乘积的比值定义
