CFRP加固焊接钢结构的疲劳性能试验与分析研究

摘要

由于焊缝自身的缺陷存在,导致大部分焊接钢结构失效是由于焊接接头的疲劳断裂引起的。碳纤维增强复合材料(CFRP)加固焊接钢结构应用研究较少,尤其是焊接构件加固之后的疲劳性能的试验和分析。本文通过试验和计算对比,定量分析对接焊Q345钢板在采用CFRP布加固前后的疲劳性能的改善,并基于BS7608标准,运用有限元软件ANSYS对CFRP布加固焊接Q345钢板进行受力分析,运用S-N曲线预估构件加固后的疲劳寿命。
　　 经过试验与计算分析,本文取得以下研究成果:
　　 (1)焊接接头是焊接构件的薄弱部位,本文研究发现,对接焊接钢板在三点弯曲的循环荷载作用下,疲劳裂纹在焊接部位的底部产生；当采用CFRP在底部加固后,疲劳裂纹仍在相同的部位产生,且构件发生相对较大变形后,粘结CFRP的胶层发生破坏,CFRP与钢板剥离。
　　 (2)CFRP的弹性模量与钢板以及焊料的弹性模量相差较小,当沿长度方向粘贴CFRP后,对接焊接钢板在三点弯曲的循环荷载作用下,针对单面焊和双面焊,焊缝部位的最大拉应力分别仅降低9.9％和8.8％,循环荷载应力值幅度降低9.7％(单面焊)和8.8％(双面焊)。
　　 (3)粘贴CFRP可以明显地提高对接焊钢构件的疲劳寿命。对于单面焊构件,粘贴CFRP后将构件的疲劳寿命由1.25E6提高到2.46E6,提高了97％,且基于标准BS7608,并采取合理的修正,可以较好地预估构件在粘贴CFRP之后的疲劳寿命。
　　 本文的研究分析可为CFRP加固焊接钢结构的疲劳性能分析提供借鉴。

目录

文摘

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致谢

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第一章 绪论

1.1 焊接技术的应用及焊接结构的特点

1.1.1 焊接技术的应用

1.1.2 焊接结构的特点

1.2 焊接结构的疲劳性能

1.3 采用FRP修复结构的研究状况

1.4 CFRP修复钢结构的优点

1.5 本文的研究内容和研究方法

第二章 结构疲劳问题基本理论

2.1 概述

2.1.1 疲劳定义

2.1.2 疲劳分类

2.1.3 疲劳破坏主要特点

2.2 影响疲劳寿命的主要因素

2.2.1 应力集中的影响

2.2.2 尺寸的影响

2.2.3 表面状态的影响

2.2.4 载荷的影响

2.3 确定疲劳寿命的方法

2.4 疲劳累积理论

2.5 S-N曲线

2.6 疲劳寿命分析方法

2.6.1 名义应力法

2.6.2 局部应力应变法

2.6.3 应力场强法

2.7 本章小结

第三章 CFRP加固技术

3.1 CFRP复合材料简介

3.1.1 碳纤维简介

3.1.2 碳纤维复合材料

3.2 CFRP加固受弯构件

3.2.1 概述

3.2.2 界面应力分析

3.3 CFRP修复钢结构的影响因素

3.4 本章小结

第四章 CFRP加固焊缝疲劳试验研究

4.1 试验材料与构件

4.1.1 试验材料

4.1.2 试验构件

4.2 试验方法

4.2.1 疲劳试验机

4.2.2 疲劳试验加载

4.3 试验结果

4.4 本章小结

第五章 计算CFRP加固焊缝疲劳寿命

5.1 有限元分析

5.1.1 有限元建模

5.1.2 有限元计算

5.2 疲劳寿命分析

5.2.1 概述

5.2.2 基于BS7608标准估算焊接接头寿命

5.2.3 利用有限元计算结果估算焊接构件寿命

5.2.4 理论计算与实验结果对比

5.3 结论

5.4 本章小结

第六章 全文总结与展望

6.1 全文总结

6.2 展望

参考文献