【摘 要】
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预应力碳纤维增强复合材料（Carbon Fiber Reinforced Polymer,简称CFRP）加固作为一种主动加固技术,能有效抑制钢结构疲劳裂纹的扩展,提高结构承载力和疲劳性能,改善CFRP板应力滞后现象并增加其利用率。预应力CFRP板加固钢结构中,粘结界面的完好是维持正常预应力、抑制裂纹扩展的先决条件。而南方沿海地区湿度和温度的交替变化将导致粘结胶的性能退化和界面结合力减弱,同时,超载
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预应力碳纤维增强复合材料（Carbon Fiber Reinforced Polymer,简称CFRP）加固作为一种主动加固技术,能有效抑制钢结构疲劳裂纹的扩展,提高结构承载力和疲劳性能,改善CFRP板应力滞后现象并增加其利用率。预应力CFRP板加固钢结构中,粘结界面的完好是维持正常预应力、抑制裂纹扩展的先决条件。而南方沿海地区湿度和温度的交替变化将导致粘结胶的性能退化和界面结合力减弱,同时,超载车辆疲劳作用将加剧粘结界面的损伤,从而影响加固构件的粘结行为和疲劳性能。本文以预应力CFRP板加固缺陷钢梁为研究对象,考虑湿热环境和疲劳损伤的影响,对粘结界面剥离破坏机理、CFRP板的预应力损失规律、加固钢梁的抗弯性能、界面疲劳裂纹扩展规律和疲劳寿命等开展理论和试验研究,具体的研究内容及结果包括:首先,考虑预应力作用的影响,对界面应力分布、钢梁缺陷尖端的应力强度因子及粘结界面的能量释放率等进行研究,推导了界面剥离和裂纹扩展破坏的理论计算公式。计算结果显示,预应力CFRP加固能显著降低裂纹处界面主应力、缺陷尖端应力强度因子和界面能量释放率。此外,参数分析表明初始裂纹长度和粘结层厚度对界面应力分布有明显影响,且裂纹应力强度因子和界面能量释放率均随着初始裂纹长度增加而增加。对加固构件的预应力损失规律进行研究,用光纤光栅传感器对湿热环境下CFRP板的中长期预应力损失进行了监测。结果显示:CFRP板的预应力损失主要发生在放张后的7天内,主要原因为胶层未完全固化导致CFRP板产生微量滑移,随后预应力水平基本保持稳定;78天后,实验室环境和湿热环境下CFRP的预应力仅分别下降了 1.64%和2.65%,表明本文研制的预应力锚具能有效约束CFRP板,而湿热环境导致粘结性能下降,增加了 CFRP板预应力损失。对湿热环境下的加固钢梁的抗弯性能进行实验研究,探讨预应力、湿热加速老化对承载能力、破坏模式、CFRP利用率等的影响,并用基于湿热环境下混合内聚力模型的有限元分析进行了验证。试验结果表明:预应力能提高加固钢梁的界面开裂荷载和极限荷载,但对刚度提升不明显;湿热环境降低了加固试件的开裂荷载,但对极限荷载影响不大;预应力加固试件的破坏模式为CFRP板从锚具中抽出和CFRP板断裂的混合破坏;预应力加固大幅提高了 CFRP板的利用率。有限元模拟得到的开裂荷载及相应位移和试验结果偏差在12%以内,验证了环境影响下基于牵引分离法则的混合内聚力模型的可靠性和有效性。进一步对超载疲劳损伤后加固钢梁界面性能及抗弯承载力进行研究。试验结果表明:预应力加固能明显降低钢梁裂纹尖端的疲劳损伤;超载疲劳损伤对缺陷处粘结性能有显著影响,从而大幅降低了界面开裂荷载;超载疲劳损伤和湿热环境共同作用能进一步降低界面开裂荷载,但对极限荷载影响不明显,说明超载疲劳损伤对粘结层的影响主要作用在缺陷处。最后,对湿热环境老化后加固钢梁的疲劳性能进行研究。结果显示,疲劳荷载作用下,钢梁既有裂纹尖端先扩展,随后粘结界面才从缺陷处开始剥离;预应力加固大幅提高了钢梁裂纹及界面裂纹萌生的疲劳次数,减缓了钢梁裂纹和界面裂纹扩展的速率,提高了加固钢梁的疲劳寿命;但湿热环境作用显著降低了界面无裂纹寿命及裂纹扩展寿命。由试验结果得到基于缺陷处粘结界面最大主应力和界面无裂纹寿命的S-N曲线,能对同类加固结构疲劳寿命进行预测。同时,基于能量释放率的Paris Law,提出了实验室环境和湿热环境下界面裂纹扩展寿命预测公式。综上,本文推导了预应力CFRP加固缺陷钢梁的界面剥离理论公式,并构建了湿热环境下的有限元模型,揭示了超载疲劳损伤和湿热环境下界面粘接性能退化规律,提出了湿热环境下加固钢梁的疲劳寿命预测方法。将为制定预应力CFRP加固钢结构的设计和施工规范提供理论依据和实验数据,为加固钢桥和吊车梁等工程应用提供重要参考。
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