CFRP加固焊接钢结构疲劳试验研究

摘要

疲劳破坏是焊接钢结构最主要的失效方式。据资料统计，70％～90％的焊接钢结构失效是由于焊接接头的疲劳断裂引起的，疲劳破坏在一定程度上限制了焊接钢结构的应用范围。本文通过试验研究碳纤维增强复合材料(CFRP)对焊接钢结构疲劳性能的加固效果。 本文回顾了疲劳问题的基本理论，介绍了焊接钢结构的主要特点和常见的改善疲劳性能的措施，并通过试验研究了42CrMo钢的疲劳性能。试验结果表明：42CrMo钢拉.拉疲劳极限(R=σmin/σmax=0.1)在0.33σb～0.35σb之间，拉-压疲劳极限(R=σmin/σmax=-1)在0.4σb～0.5σb之间；拉-拉疲劳极限(R=0.1)与拉-压疲劳极限(R=-1)较好地吻合Gerber关系式；在高频(110Hz以上)疲劳试验机上做低周拉.压疲劳试验需要考虑温度影响。 采用MTS液压伺服加载系统研究CFRP加固焊接钢梁的疲劳性能。对H型钢梁采用对接焊接连接工艺中，焊缝是其薄弱部位。试验制作了4根对接焊接的H型钢梁(HM244×175×7×11)，针对钢梁受纯弯曲荷载，本文在其对接的焊缝段对钢梁下翼缘粘贴CFRP材料进行结构加固。分别研究了未加固、单层CFRP加固、双层CFRP加固以及CFRP板加固焊接钢梁在纯弯曲状态下的疲劳寿命。试验结果表明：CFRP布能分担焊接钢结构的载荷，降低焊接接头处应力，延缓疲劳裂纹的产生，有效地延长焊接钢结构的疲劳寿命；单层CFRP布加固焊接钢梁疲劳寿命提高了45％，双层CFRP布加固焊接钢梁疲劳寿命提高93.7％；CFRP板因为胶层较厚对焊接钢结构疲劳加固效果不明显。本文试验研究结果可用于指导CFRP加固焊接钢结构工艺及其加固效果的评价。

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致谢

第一章绪论

1.1问题的提出

1.2疲劳问题的研究历史

1.3焊接钢结构疲劳强度的主要影响因素

1.3.1应力集中的影响

1.3.2焊接残余应力的影响

1.4改善焊接接头疲劳性能的常用方法

1.5本文主要内容

第二章疲劳问题基本理论与疲劳试验研究

2.1概述

2.2疲劳裂纹的萌生与扩展

2.3 S-N曲线

2.4平均应力对疲劳寿命的影响

2.5疲劳累积理论

2.6 42CrMo钢疲劳试验研究

2.6.1拉伸试验

2.6.2疲劳试验试件及加载设备

2.6.3疲劳试验过程

2.6.4试验结果及分析

2.7本章小结

第三章CFRP加固钢结构技术

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加固钢结构的研究

3.2.1 CFRP加固受弯构件研究

3.2.2 CFRP加固受拉(压)构件研究

3.2.3疲劳构件加固研究

3.2.4粘结剂及受力性能分析

3.3 CFRP加固钢结构设计方法

3.3.1轴心拉伸构件

3.3.2受弯构件

3.3.3承受内压的钢结构管线

3.4 CFRP加固钢结构施工方法

3.5本章小结

第四章CFRP片材加固焊接钢梁静载试验研究

4.1试验准备

4.1.1试件加工

4.1.2加固材料及粘贴工艺简介

4.1.3静载拉伸试验

4.1.4理论计算和测点布置

4.2试验过程

4.3试验结果

4.3本章小结

第五章CFRP片材加固焊接钢梁疲劳试验研究

5.1钢结构规范对疲劳计算的规定

5.2 CFRP加固焊接钢梁疲劳试验研究

5.2.1试验加载方式

5.2.2疲劳试验过程

5.2.4疲劳试验结果

5.3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