常幅循环荷载下CFL增强RC梁弯曲疲劳性能研究
锈蚀钢筋混凝土梁弯曲疲劳性能的材料——结构协同数值模拟研究
锈蚀钢筋混凝土梁弯曲疲劳性能的材料——结构协同数值模
拟研究
陈长久;黄文腾;弓扶元;金伟良
【期刊名称】《混凝土》
【年(卷),期】2022()8
【摘要】以路径依赖的率型混凝土本构模型为基础,采用多尺度有限元模拟方法DUCOM-COM3,并结合试验对钢筋混凝土梁的静载、疲劳以及锈蚀疲劳耦合性能进行了分析研究。
结果表明,路径依赖的混凝土本构模型能够更好地模拟复杂的往复荷载工况,同时通过多尺度建模可将锈蚀引起的材料损伤与疲劳荷载引起的结构损伤协同分析。
针对无锈蚀适筋钢混梁的疲劳分析表明,其S-N曲线大致呈双线性模式。
对于锈蚀钢混梁,其疲劳寿命随着锈蚀率增大而线性减小,且锈胀裂缝对于锈蚀构件疲劳寿命减小有着显著影响。
若以锈蚀损伤后梁的承载力重新定义荷载等级,则锈蚀钢混梁的S-N曲线与无锈蚀S-N曲线接近。
最后,结合数值分析和理论模型,对中低荷载水平下适筋钢混梁的疲劳破坏模式进行了机理性分析。
【总页数】7页(P29-35)
【作者】陈长久;黄文腾;弓扶元;金伟良
【作者单位】中国电建集团环境工程有限公司;浙江大学建筑工程学院
【正文语种】中文
【中图分类】TU528.01
【相关文献】
1.钢纤维钢筋混凝土梁弯曲性能与疲劳寿命试验研究
2.锈蚀钢筋混凝土梁疲劳性能数值模拟分析
3.锈蚀钢筋混凝土梁抗弯性能数值模拟
4.锈蚀钢筋混凝土梁疲劳性能的分析与研究
5.锈蚀钢筋混凝土梁抗冲击荷载数值模拟研究
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钢筋混凝土结构的疲劳性能研究综述
图 １ 冻 融 损伤 环 境 下 的疲 劳 性 能 曲线
劳性能 的研究可分为两个阶段 ： 第一阶段主要是着眼 于混凝土结 ３ 混凝土 结构的疲 劳寿命分 析 混凝土结构 的疲劳寿命 ， 是研究混凝土结构疲劳性能 的一个 构疲劳破坏 的极限状态； 第二阶段是疲劳损伤全过程衰减规律。
ＪＥ ｇｇ Ｍｅｈ ， Ｓ Ｅ，９ ９ １５ １）２ —４ ． ｎｒ． ｃ ．Ａ Ｃ １８ ，１ （２ ：３２ ．
应用［］ 国外桥 梁，０ ０ ８ ：６７ ． Ｊ． ２ ０ （ ）６ —０ 斌， 欧丽萍 ， 张纪刚 ， 结构动 力可靠度 的重要抽样 法 等． ［］计算力学学报 ，０ １ １ （ ）４ ８４２ Ｊ． ２０ ，８ ４ ：７ —８ ． ［ ］ 佟晓利 ， 国藩． ６ 赵 一种与结构 可靠度分析几何 法相 结合 的响 应面法［］ 土木工程 学报 ，９ ７ ３ （ ）５ —７ Ｊ． １９ ，０ ４ ：１５ ．
２ ２ 腐蚀 环境下结 构的疲 劳 ．
面的研究也在不断 的进步 中。孔宪途 等【 ］ 出了 Ｐ Ｓ Ｎ 曲 ｌ提 ｏ — — 腐 蚀环境下结 构 的疲 劳称为腐蚀疲 劳【 。腐 蚀疲 劳现象早 线的概念 ， ４ Ｊ 或称 为根据应 力与寿命关 系作 出的失效 概率 曲线族 。 在 １１ ９ ７年就 已 由 Ｈ ｉ ａ ｈ首 先 提 出 ， 来 Ｅ ｖｎ Ｒ． 为 它 足 工 同时进行 ＿载荷 与寿 命关 系 的试 验 ， 验数 据见表 １ ｇ 后 —ａｓＶ． 认 ＝ 厂 试 。李士彬 程实践 的一个很重 要的 问题 。所 以对 于承受反 复荷载作用 的钢 等【 ］ １ 通过混凝土粱 的低周疲 劳破坏试 验 ， 立 了疲 劳寿命 与动 １ 建 筋混凝土构件 ， 存在着疲劳和腐蚀的双重累积损伤 Ｌ 。 ５ Ｊ 态模量之问关系的数学模型， 提出了通过较少循环 的试验结果来 ［］ 陈铁 冰， ４ 孙 ［］ 吴 ５ 策． 响应面法以及 其在桁 架桥 可靠度 分析 中的 桥 可靠度分析 ［］ 同济大学学报 ，０ ０ ２ （ ）４ ７４ ２ Ｊ． ２０ ，８ ４ ：０ —１ ． ［ ］ Ｌ Ｆ ｒｖｌ． ｒｓｏｓ ｒ ｃ ｐｏｃ ｒｅａｉｔ ａ ｓ ， ８ ．ａａｅｉ ｅｐｎｅ ｕｆ ｅ ｐ ｒ ｈｆ ｌｂ ｉ ａ ｌ ｉ ｌＡ ｓ ａ ａ ａ ｏ ｒ ｉ ｌｙ ｎ ｙ ｓ
CFL增强RC梁挠度分析
中图法分类号 ０４ ． ； ３６２
文献标志码 Ａ
Ｓｎ ｅｃｒｏ ｂｒ ａ ｉａｅ Ｃ Ｌ ａｅｔｅａｖ ｎ － ｉｃ ａｂｎｆ ｅ ｍ ｎ ｔ ｉ ｌ ｓ（ Ｆ ）ｈ ｖ ｄ ａ ｔ ｈ ａ
ｇ ｓ ｏ ｉ ｈ ｓｒ ｎ ｔ ｔ — ｉ ｈ ａ ｉ ｎ ｉｈ ｃ ｒｏ ｉ ｎ ｅ ｆｈ ｇ ｔｅ ｇｈ—ｏ ｗｅｇ ｔｒ ｔ ａ ｄ ｈ ｇ ｏ ｒ ｓｏ ｏ ｒ ｓｓａ ｃ ｅ ｉｔ ｎ ｅ，ｔ ｅ ｗａ ｆｂ ｎ ｉ ｇ ＣＦＬ ｔ ｈ ｅ ｓｏ ｓｄ ｈ ｙｏ ｏ ｄｎ ｏ ｔ ｅ ｔ ｎ ｉｎ—ｉ ｅ
变形规律。结合一系列疲劳试验 ， 出了挠度 的发展规 律 ， 出界 面疲 劳裂 缝扩展 寿命 的预 测方法。分 析结果表 明： 给 提 构件 挠
度扩展 主要分 为三个 阶段： 快速增加 、 稳定扩展 、 失稳扩展 ， 中第 二阶段是 构件 疲劳寿命 的 主要 阶段 ， 其 在此 阶段 挠度缓慢增 加， 增加量 与加载次数成线性关 系。采用理论 与实验相结合 的方法给 出 了疲 劳荷载 下挠度 的计算公式 和疲 劳寿命 的预测公 式， 以较好地符合试 验结果。 可 关键词 碳纤维薄板 钢筋混凝土梁 加固 挠度 疲 劳寿命
ｆｔ ｕ ｅ ｔ ｈｓ ｓｕｄ ｎｖ ｓｉ ａｅ ｈｅ ａ ｅ ｔｏ ｔ ｅ ａ ｉ ｅ ｔ ｓｓ，ｔ ｉ ｔ ｙ ｉ ｅ ｔｇ ｔ ｓｔ ｆ ｃ ｆｆ ｉ ｇ ａｇ ｕ ｌ ａ ｉｇ ｏ ｆｅ ｔ ｎ ｏ ｂ ａ ｓｒｎ ｔ ｅ ｅ ｔ ｏ ｄｎ ｎ ｄｅ ｃ ｉ ｆ ＲＣ ｅ ｍｓ ｔｅ ｇ ｈ ｎ ｄ ｗｉ ｌ ｏ ｈ
Ｍｉ—ｐ ｎｄｆ ｃ ｏ ｄｆ ｃ ｏ ｒ ｈｒ）ｉ ａｋｙ ｄｓａ ｅ ｅｔ ｎ（ ｅ ｅｔ ｎｆ ｏ ｓ ｅ ｌ ｉ ｌ ｉ ｏｓ ｔ
高速铁路用钢轨的弯曲疲劳分析与寿命预测
高速铁路用钢轨的弯曲疲劳分析与寿命预测摘要：高速铁路是现代交通运输中重要的组成部分，因其安全性和效率而受到广泛关注。
作为铁路轨道的主要组成部分，钢轨的弯曲疲劳分析和寿命预测对于确保铁路运行的安全和可靠至关重要。
本文将介绍高速铁路用钢轨的弯曲疲劳分析方法以及寿命预测模型，探讨相关影响因素并提出有效的寿命延长措施。
1. 弯曲疲劳分析方法弯曲疲劳是钢轨在列车经过时由于反复受到弯曲载荷而引起的疲劳破坏。
为了准确分析钢轨的弯曲疲劳，需要进行以下工作：1.1 动力学分析：通过数值模拟或实际测试，获取列车在不同速度和载荷下对钢轨的作用力，并确定钢轨的应力和应变分布。
1.2 应力分析：根据钢轨的几何形状和载荷情况，通过有限元方法计算钢轨的应力分布情况，进而确定钢轨的最大应力。
1.3 疲劳寿命分析：根据应力的分布和设计寿命的要求，利用疲劳寿命理论和试验数据，计算钢轨的疲劳寿命。
2. 寿命预测模型为了准确预测钢轨的寿命，在疲劳寿命分析的基础上，可以建立寿命预测模型。
常用的寿命预测模型包括线性模型、判据模型和统计模型等。
以下是其中两个常用的模型：2.1 梯度模型：在梯度模型中，使用梯度检测技术对钢轨进行监测，通过检测到的应力梯度和应变梯度数据，建立应力梯度-寿命曲线，从而预测钢轨的寿命。
该模型具有较高的准确性和可靠性。
2.2 聚类模型：聚类模型通过将相似的应力历程和损伤数据聚类在一起，建立不同类别的短期寿命模型。
根据实际应力历程，选择相应的寿命模型进行预测。
该模型考虑了不同条件下的钢轨疲劳特性，能够更加准确地预测钢轨的寿命。
3. 影响因素与寿命延长措施除了进行弯曲疲劳分析和寿命预测外，还需要考虑钢轨寿命的影响因素，并采取相应的措施延长钢轨的使用寿命。
3.1 材料选择：选择高强度、耐疲劳性能良好的材料，能够有效降低钢轨的应力水平和延长使用寿命。
3.2 轨面维护：定期进行轨面磨削、质量检测和轨面修复，保持轨面的光滑度和平整度，降低钢轨受力和疲劳损伤。
混凝土的抗疲劳性能分析
混凝土的抗疲劳性能分析混凝土是一种常见的建筑材料，具有较强的抗压性能。
然而，在长期使用过程中，混凝土常常遇到疲劳加载，这对其结构稳定性和使用寿命会带来一定影响。
因此，深入研究混凝土的抗疲劳性能是非常重要的。
一、抗疲劳性能的定义和意义混凝土的抗疲劳性能是指其在受到交替或周期性加载后经过多次加载循环后不会发生严重破坏或失去正常使用功能的能力。
混凝土结构在使用过程中，常常受到交通荷载、震荡加载或气候变化等因素的影响，长期以来这些外力对混凝土结构产生的疲劳效应逐渐受到重视。
疲劳加载是指结构在外力作用下，不断经历周期性的应力过程，使得结构内部的微观缺陷逐渐扩展，并且会随着循环次数的增加而加速导致裂缝的产生。
因此，研究混凝土的抗疲劳性能可以有效提高结构的安全性和使用寿命。
二、混凝土的疲劳破坏类型在进行混凝土的抗疲劳性能分析前，首先需要了解混凝土在疲劳加载下可能出现的破坏类型。
通常情况下，混凝土的疲劳破坏可分为表面破坏、体积破坏和裂缝扩展等几种类型。
1. 表面破坏：表面破坏是指在疲劳循环加载下，混凝土表面发生剥落、剥皮或鳞片状破坏。
这种破坏形式在循环次数较少或应力幅值较小的情况下较为常见。
2. 体积破坏：体积破坏是指在较高的循环次数和应力幅值下，混凝土开始出现明显的损伤和破坏，甚至可能发生结构失效。
3. 裂缝扩展：裂缝扩展是混凝土抗疲劳性能研究中最为关键的问题之一。
在疲劳加载下，混凝土结构中的微裂缝会随着加载循环次数的增加而扩展，并导致结构的破坏。
三、影响混凝土疲劳性能的因素混凝土的抗疲劳性能受到多个因素的影响，了解这些因素对疲劳性能的影响，可以提供指导混凝土结构设计和材料选用的依据。
1. 应力幅值：应力幅值是指混凝土在循环加载过程中所承受的最大应力与最小应力之间的差值。
一般来说，应力幅值的增加会导致混凝土的疲劳寿命减小，增加破坏风险。
2. 循环次数：混凝土的抗疲劳性能随着循环次数的增加而逐渐下降。
其中，初始阶段会出现较高的疲劳寿命，但随着循环次数的增加，裂缝扩展速度将增加，导致疲劳寿命逐渐降低。
钢筋混凝土梁的疲劳性能计算方法
钢筋混凝土梁的疲劳性能计算方法一、前言钢筋混凝土梁是结构工程中常用的结构构件，其在承载力和使用寿命方面的性能要求非常高。
在长期的使用过程中，其承载能力会逐渐下降，甚至发生疲劳破坏。
因此，研究钢筋混凝土梁的疲劳性能，对保障结构的安全性和延长使用寿命具有重要意义。
二、疲劳载荷作用下的钢筋混凝土梁疲劳载荷作用下的钢筋混凝土梁是指在长期重复荷载作用下，材料会逐渐疲劳损伤，导致梁的性能逐渐下降，最终发生疲劳破坏。
其荷载作用方式分为单向反复荷载和多向反复荷载。
钢筋混凝土梁的疲劳破坏主要表现为裂纹的产生和扩展，最终导致梁的破坏。
因此，研究钢筋混凝土梁的疲劳性能，需要关注裂纹的发生和扩展过程。
三、疲劳性能计算方法1. 疲劳极限荷载计算疲劳极限荷载是指在给定的疲劳寿命下，能够承受的最大荷载。
其计算方法如下：Wf = W0 × Kf × Kfs其中，W0为静载荷，Kf为荷载系数，Kfs为应力系数。
荷载系数Kf的计算公式如下：Kf = 1 + (Nf / N0) ^ b其中，Nf为疲劳寿命，N0为静载荷下的寿命，b为材料参数。
应力系数Kfs的计算公式如下：Kfs = 1 / (1 - R)其中，R为应力幅值与极限应力的比值。
2. 疲劳裂纹扩展速率计算疲劳裂纹扩展速率是指裂纹在疲劳荷载作用下每个循环内扩展的长度。
其计算方法如下：da / dN = C × ΔK ^ m其中，C和m为材料参数，ΔK为应力强度因子范围。
3. 疲劳寿命计算疲劳寿命是指在给定的荷载下，材料能够承受的循环次数。
其计算方法如下：Nf = (W / Wf) ^ (1 / b)其中，W为荷载，Wf为疲劳极限荷载，b为材料参数。
四、疲劳性能试验方法疲劳性能试验是评价钢筋混凝土梁疲劳性能的重要手段。
常用的试验方法包括疲劳试验和裂纹扩展试验。
1. 疲劳试验疲劳试验是通过在钢筋混凝土梁上施加重复荷载，模拟实际使用条件下的荷载作用，评估梁的疲劳性能。
混凝土结构的疲劳试验研究
混凝土结构的疲劳试验研究一、引言混凝土结构在使用过程中，受到了多种外力的作用，如自重、荷载、风力等。
这些外力会导致混凝土结构产生变形、裂缝等破坏，使其失去原有的承载能力。
其中，疲劳破坏是混凝土结构最常见的一种破坏形式之一。
为了确保混凝土结构的安全性能，在结构设计和施工过程中，需要对混凝土结构进行疲劳试验，以便评估其疲劳寿命和破坏机理，为混凝土结构的设计和使用提供依据。
二、混凝土结构的疲劳试验1. 疲劳试验的基本原理疲劳试验是通过对混凝土结构在反复荷载下的疲劳寿命进行评估，来研究混凝土结构的疲劳性能和破坏机理的试验方法。
疲劳试验的基本原理是在一定的荷载范围内，对混凝土结构进行反复荷载，记录下混凝土结构的应力和应变随时间的变化规律，以及结构的变形和破坏情况，通过分析试验数据，评估混凝土结构的疲劳寿命和破坏机理。
2. 疲劳试验的分类疲劳试验可以分为恒振幅试验和变振幅试验两种类型。
恒振幅试验是指在相同的荷载幅值下进行试验，以评估混凝土结构的疲劳寿命和破坏机理。
变振幅试验是指在不同的荷载幅值下进行试验，以评估混凝土结构的抗疲劳能力和破坏机理。
常见的变振幅试验有正弦波试验、方波试验、三角波试验等。
3. 疲劳试验的参数疲劳试验的主要参数包括荷载幅值、频率、次数和试验温度等。
荷载幅值是指混凝土结构在疲劳试验中承受的最大荷载和最小荷载之间的差值。
频率是指混凝土结构在疲劳试验中反复荷载的次数。
次数是指混凝土结构在疲劳试验中承受的荷载循环次数。
试验温度是指混凝土结构在疲劳试验中的环境温度。
这些参数会影响疲劳试验的结果和结论。
三、混凝土结构疲劳试验的研究方法1. 试件制备试件制备是进行混凝土结构疲劳试验的前提条件。
一般情况下，疲劳试验的试件采用混凝土圆柱、混凝土梁或混凝土板等。
试件的尺寸和形状要符合国家标准或相关规范的要求。
试件的制备过程中要注意混凝土的配合比、拌合时间、养护时间等因素，以确保试件的质量和性能符合要求。
《建筑结构试验》网上形考作业四4
网上形考作业四1. 试件设计时为什么要注意试件形状？当从整体结构中取出部分构件单独进行试验时，试件设计应注意什么？答; 试件设计之所以要注意它的形状，主要是要在试验时形成和实际工作相一致的应力状态。
在从整体结构中取出部分构件单独进行试验时，必须注意其边界条件的模拟，使其能如实反映该部分结构构件的实际工作状况。
2. 什么是结构试验的加载制度？它包括哪些内容？为什么对于不同性质的试验要求制订不同的加载制度？答：结构试验加载制度是指结构试验进行期间控制荷载与加载时间的关系。
它包括加载速度的快慢、加载时间间歇的长短、分级荷载的大小和加载、卸载循环的次数等。
由于结构构件的承载能力和变形性质与其所受荷载作用的时间特征有关，因此，对于不同性质的试验，必须根据试验的要求制订不同的加载制度。
3. 结构试验过程中的各个环节可能产生的试验误差主要有哪些？答：结构试验过程中的各个环节可能产生的试验误差主要有：试件制作误差、材料性能误差、试件安装误差、荷载和量测设备误差、结构试验方法非标准误差。
4. 钢筋混凝土梁的试验观测的主要内容有哪些？答：钢筋混凝土梁的试验观测的主要内容有：挠度观测，转角测量，应变测量，裂缝测量和承载力极限的观测。
5. 钢筋混凝土梁受拉主筋的应力可用哪两种方法测量？答：钢筋混凝土梁受拉主筋的应力可用两种方法测量：一种是预埋电阻应变片法，另一种是在混凝土的表面预留孔洞（或称窗口）。
6. 简述钢筋混凝土梁弯曲破坏的承载力检验标志有哪些？答：钢筋混凝土梁弯曲破坏的承载力检验标志有：1）受拉主筋处的最大裂缝宽度达到1.5mm，或挠度达到跨度的1/50，将此作为钢筋屈服的标志。
一般配筋适中的梁，多数出现这种标志。
2）受压区混凝土破坏。
这是一种脆性破坏，此时受拉主筋处的最大裂缝宽度未达到1.5mm，且挠度小于跨度的1/50。
配筋过多或混凝土强度太低的梁，出现此种标志。
3）受拉主筋拉断。
这是另一种更为危险的脆性破坏，它发生于配筋过少或预应力过高的梁。
水平常幅荷载作用下塑性铰滞回衰变特征对RC框架结构屈服力的影响
ｌ９ ２
簧
泰
● Ｌ
从 图 ３中 的几 何 关 系 可 以看 出 ：
（ ’
““ ｜ ，ｎ ’ “｜ ’ ’
．
ｈ ． ２ ２ ｍ —ｕ ） ２＝ Ｆ （
即：
Ｅ ｈ
．
（ ５）
２ ｕ 一“ ） Ｆ （
（பைடு நூலகம் ６）
又 由 比例 关 系有 ：
构 构 件 的屈 服 力 的退 化 。
１ 基 于能量 的恢 复力模 型
利用 １ 钢筋 混凝 土梁 进行 了 ｌ ７根 ７组 不 同 的 实 验 Ｊ 。
该试验还通过归一化处理试验数据后 ， 到一条在常 幅荷 载 得 作用下的名义耗散周期 曲线 ， 并用一个 能代表这条平均 曲线 的指数函数来分 析构件能量耗散的形式 ， 图 １ 如 。
【 文献标识码】 Ａ
当ｎ 时：
结构性 能没有损伤之 前 ， 构 的强度 、 结 刚度 和稳 定性受 最大 响应位移控制 。在结构开始损 伤后 ， 反复 的非 弹性 位移循环
Ｅｈ ｎ＝ｙ ＿
（） ３
表示构件不会在随荷载 的低周往复作用而耗散能量 。
Ｅｈ 的函数式包括 ｎ ｙ卢三个参数 。由图 １ 以看 出随 ｎ ｌ ，， 可 着循环次数 ｎ的增加 ， 的值都是 随循环周期数 ｎ的增加 雷 而减小的 。图 １ ｙ， 对 卢的限制情况 进行 了说 明。Ｔ＝ ０表示 耗散所有的能量 ， ｎ趋于无穷 大时 ， ：１表示不耗 散任何 当 能量 。因此 ， ＝０表 示一个 在 刚度 和强度 中 的严 重 的耗散 系统 ， ＝１ 表示 理想 弹塑性 非耗 散的滞 回系统 。第 二个参
＼ ： ＼
＼
．
Ｌ
循环荷载作用下结构钢材本构关系试验研究
循环荷载作用下结构钢材本构关系试验研究一、概述随着现代工程结构的日益复杂和多样化，结构钢材在各类建筑、桥梁、海洋工程等领域中的应用越来越广泛。
在这些工程结构中，结构钢材经常受到循环荷载的作用，如地震、风载、机械振动等。
循环荷载作用下，结构钢材的力学性能和本构关系会发生变化，这直接关系到结构的安全性和耐久性。
对循环荷载作用下结构钢材的本构关系进行深入研究，具有重要的理论和实践意义。
本文旨在通过试验研究，揭示循环荷载作用下结构钢材的本构关系及其演变规律。
介绍了结构钢材的基本力学性能，包括弹性模量、屈服强度、延伸率等。
综述了国内外关于循环荷载作用下结构钢材本构关系的研究现状和发展趋势，指出了现有研究的不足和需要进一步探索的问题。
在此基础上，本文提出了循环荷载作用下结构钢材本构关系试验研究的方案和方法，包括试验材料的选择、试验设备的搭建、试验过程的控制等。
强调了本研究的意义和预期成果，为后续的试验研究和理论分析奠定了基础。
1. 研究背景与意义随着现代社会对基础设施建设需求的不断增长，工程结构的安全性和耐久性越来越受到关注。
循环荷载作为工程中常见的荷载形式，如桥梁、建筑、海洋平台等结构在运营过程中经常受到循环荷载的作用。
在这种环境下，结构钢材的本构关系，即应力与应变之间的关系，会发生变化，进而影响到结构的整体性能。
深入研究循环荷载作用下结构钢材的本构关系，对于提高工程结构的安全性和耐久性具有重要的理论和实践意义。
结构钢材在循环荷载作用下的本构关系是一个复杂的问题，涉及到材料非线性、弹塑性、损伤累积等多个方面。
随着材料科学的发展和计算机技术的进步，人们逐渐认识到研究循环荷载下结构钢材本构关系的重要性。
通过对循环荷载下结构钢材本构关系的深入研究，可以更加准确地预测结构的受力性能和疲劳寿命，为工程设计和施工提供更加科学的依据。
循环荷载作用下结构钢材的本构关系研究也是材料科学领域的一个重要课题。
通过对循环荷载下结构钢材的应力应变关系、损伤演化、能量耗散等问题的研究，可以揭示材料在循环荷载作用下的微观机制和宏观性能变化规律，为新型结构材料的研发和工程应用提供理论基础和技术支持。
铁路桥钢箱梁正交异性桥面板的静力行为与疲劳性能研究
优化流程
初步设计→有限元分析→根据分析结果进行优化→细节 设计→再次进行有限元分析验证→最终设计确定。
制造工艺研究及参数优化
制造工艺流程
研究桥面板的制造工艺流程，包括钢材切割、焊接、组装、涂装 等环节，制定合理的工艺流程图。
和疲劳性能，为工程应用提供依据。
02
试验方法
采用电测法进行疲劳试验，通过应变片测量试件的应变，结合应力-应
变关系计算应力，得到试件的疲劳性能参数。
03
加载条件
采用等幅循环应力进行加载，应力范围根据工程实际需求和试件强度
等级确定，加载频率根据试件的材料类型和实际工程情况确定。
疲劳性能表征与评估方法
疲劳性能表征
桥面板性能的影响。同时，可以深入研究不同类型和参数的钢箱梁结构对桥面板性能的影响规律，为优化 设计提供更多理论依据。 • 另外，可以针对实际工程中可能出现的损伤和缺陷，开展更为细致的损伤检测和健康监测研究，为保障铁 路桥梁的安全运营提供技术支持。
THANK YOU.
正交异性板由纵向肋和横向肋焊接而成，具有 较好的整体性和稳定性。
钢箱梁采用高强度钢材制造，具有较高的承载 能力和抗疲劳性能。
静力行为分析
静力行为包括桥面板的应力分布、变形和承载能力 等。
采用有限元分析方法对桥面板进行静力分析，得到 桥面板的应力分布、变形和承载能力等结果。
分析结果表明，在静力荷载作用下，桥面板的应 力分布较为均匀，变形较小，具有较好的静力性
07
研究结论与展望
研究结论与展望 研究结论
• 钢箱梁正交异性桥面板的静力行为研究结论 • 桥面板的应力分布和变形特征受到钢箱梁结构的影响，钢箱梁的壁厚、材质、横隔板间距等因素对桥面板
CFL增强RC梁正截面抗弯疲劳设计
ｆｅ ｒ ｌｆ ｔｇｕ ｅ ｉ ｔ ｄ ｆ ｒ ＣＦＩ ｔ ｅ ｇｔ ｎ ｄ ｂ ａ ｄ ｒ ｃ ｃ ｉ ｏ ｄ ｗａ ｏｐ ｓ ｄ．Ｔｈｉ ｔ ｏ ｌ ｘｕ ａ ａ ｉ ｅ ｄ ｓｇｎ ｍｅ ｈｏ ｏ ｓ ｒ ｎ ｈｅ ｅ ｅ ｍｓ ｕｎ ｅ ｙ ｌ ｌ ａ ｓ ｐｒ ｏ ｅ ｃ ｓ ｍｅ ｈ ｄ
状 态设计方 法 ， 没有 考虑疲 劳荷 载作 用对结构性 能 的影 响 ， 结构 的使 用 中偏 于不安全 。通过对 等幅循 环荷 在
验 ， 到 Ｃ Ｌ 增 强 梁 的 刚 度 、 度 、 凝 土 裂 纹 扩 展 以及 Ｃ Ｉ） 得 Ｆ 挠 混 Ｃ Ｉ与 混 凝 土 的 界 面 的 疲 劳 损 伤 演 化 规 律 ， 示 了在 等 幅 循 环 荷 载 下 增 强 梁 的 疲 劳 破 坏 机 理 ； 过 对 Ｃ Ｉ Ｆ 揭 通 Ｆ
解放 军理工大学学报（ 自然科学版） 第 ｌ卷 第 ６ ｌ 期 ２１ ００年 １ ２月 Ｖ １ ｌ ｏ ６ ｅ． １ ｏ． Ｎ ． Ｄ ｃ ０ ０ １ ２
Ｊ ｕ ｌ ｆ Ｌ ｉｅｓ ｙｏ ｃｅ ｃ ｎ ｅ ｈ ｏｏ ｙ（ ｔｒｌ ｃｅ ｃ ｉｏ ） ｏ ｍａ Ａ Ｕｎｖ ｒｉ ｆ ｉｎ ｅ ｄＴ ｃ ｎ ｌｇ Ｎａ ａ ｉｎ ｅ ｔ ｎ ｏＰ ｔ Ｓ ａ ｕ Ｓ Ｅｄ ｉ
ｃ ｐａ ｉｙ，ｗｈｉｈ ｉ ｉ ｓ ｃ ｒ ｉ ｕ ｅ Ａｎ ｘｐ ｒｍ ｅ ａ ｔ ｄ ｓ ｏｎ ｆ ｔｇｕ ｂｅ ｖ ｏ ａ ｃｔ ｃ ｓ ｎ ｅ ｕ ｅ ｎ ｓ ． ｅ ｅ ｉ ｎｔ ｌ ｓ ｕ ｙ ｗａ ｄ ｅ ｏｎ ａ ｉ ｅ ｈａ ｉ ｒ ｏｆ ＲＣ ｅ ｍｓ ｂａ ｓ ｒ ｎ ｈｅ ｅ ｔ ａ ｂ ｎ ｆｂｅ ａ ｎａ ｅ （ ｔｅ ｇｔ ｎ ｄ ｗｉｈ ｃ ｒ ｏ ｉ ｒ ｌ ｍｉ ｔ ＣＦＩ ） ｕ ｄｅ ｈｅ ｔ ｒ ｅ ｐ ｉ ｎ ｎｇ ｔ ｓ ｓ Ｔｈ ｅ ｒ ｄ ｔｏｎ ｏｆ ｎ ｒ ｔ ｈ ｅ — ｏ ｎｔｂｅ ｄｉ ｅ ｔ ． ｅｄ ｇａ ａｉ
混凝土梁疲劳损伤计算技术规程
混凝土梁疲劳损伤计算技术规程一、前言混凝土梁是建筑工程中常见的结构元件，其承载能力和使用寿命是关键性能指标。
在长期使用过程中，混凝土梁会受到交通荷载、自重荷载、温度变化以及环境影响等多种因素的作用，这些因素会导致混凝土梁产生疲劳损伤，进而影响其使用寿命和安全性。
因此，准确计算混凝土梁的疲劳损伤是非常重要的。
本文将从混凝土梁的构造和疲劳机理入手，详细介绍混凝土梁疲劳损伤的计算技术规程。
二、混凝土梁的构造和疲劳机理1. 混凝土梁的构造混凝土梁通常由混凝土和钢筋构成。
混凝土作为梁的主要承载材料，具有压缩强度高、抗拉强度低的特点。
钢筋则主要用于增加梁的抗拉强度。
混凝土梁的断面通常分为上、下两部分。
上部为受拉区，下部为受压区。
混凝土梁在受到荷载作用时，受拉区会出现裂缝，而受压区则会受到压缩应力。
如果荷载作用过大，混凝土梁就会发生破坏。
2. 混凝土梁的疲劳机理混凝土梁在长期使用过程中，会受到多次循环荷载的作用，从而产生疲劳损伤。
疲劳损伤的机理主要包括以下几个方面：(1) 微观损伤：循环荷载会使混凝土内部的微观裂纹逐渐扩展，最终形成宏观裂缝。
(2) 材料疲劳：混凝土的应力应变关系是非线性的，循环荷载会使混凝土内部的应力应变关系发生变化，从而导致材料的疲劳损伤。
(3) 构件变形：循环荷载会使混凝土梁产生变形，进而影响其受力性能。
三、混凝土梁疲劳损伤的计算方法1. 疲劳寿命计算方法疲劳寿命是指混凝土梁在循环荷载作用下能够承受的荷载次数。
疲劳寿命的计算方法主要有以下两种：(1) 应力幅值法：该方法是根据混凝土梁在循环荷载作用下产生的应力幅值来计算其疲劳寿命。
具体计算方法如下：N = (S_max / Δσ)^b其中，N为疲劳寿命，S_max为混凝土梁在循环荷载作用下的最大应力幅值，Δσ为应力幅值范围，b为材料参数。
(2) 应变幅值法：该方法是根据混凝土梁在循环荷载作用下产生的应变幅值来计算其疲劳寿命。
具体计算方法如下：N = (ε_max / Δε)^b其中，N为疲劳寿命，ε_max为混凝土梁在循环荷载作用下的最大应变幅值，Δε为应变幅值范围，b为材料参数。
CFL增强RC梁的疲劳累积损伤模型
所用混凝 土为ｃ ｏ ￣ ４ 砂碎石混凝 土 ， ｑ 级配 为ｍ水 ： 泥 ｍ水
述 包括 混凝 土开 裂 、Ｆ Ｃ Ｌ与混凝 土 剥 离、 筋屈服等 破坏 模 式在 内的 Ｃ Ｌ增 强 Ｒ 钢 Ｆ Ｃ梁 的疲
劳损伤 、 坏过程 ． 破
关键词 ： 纤维薄板 （ Ｆ ） 钢筋混凝土（ Ｃ 梁； 碳 ＣＬ ； Ｒ ） 疲劳寿命；累积损伤模型 ； 抗弯刚度 中图分类号 ： ３６ ２ ０ ４ ． 文献标识码 ： Ａ
牛鹏志 黄培 彦 姚 国文 杨 怡 赵 琛
（． １ 华南理工大学 交通学院 ， 广东 广州 ５ １４ ２ 重庆交通大学 土木建筑学院 ， 庆 ４０ ７ ） ０ ６０； ． 重 ００ ４
摘 要： 通过碳纤维薄板 （ Ｆ ） Ｃ Ｌ 增强钢筋混凝土（ Ｃ 梁的三点弯曲疲劳试验 ， Ｒ） 得到 了构 件 疲 劳寿命 曲线及其跨 中挠度 、 弯 刚度 的 演化规 律 ； 抗 采用增 强 梁的剩 余抗 弯刚度 来定 义 损伤 变量 ， 立 了描 述其 损伤 、 裂过程 的 疲 劳 累积损 伤 模 型 ， 对 Ｃ Ｌ增 强 Ｒ 建 断 并 Ｆ Ｃ梁的 疲 劳损伤演化历程进行 了数值分析 结果表 明， 中 出的疲劳累积损伤模型能够准确地描 文 提
梁 抗弯 刚度 的演 化过 程 进 行 分 析 ， 立描 述 增 强构 建
件损伤 、 断裂过程 的疲劳累积损伤模型， 并对增强梁 包括混凝土开裂 、Ｆ Ｃ Ｌ与混凝土剥离、 钢筋屈服等破 坏模 式在 内的损 伤 、 破坏 过程 进行计 算分析 ．
40Cr、50车轴钢疲劳性能研究及疲劳断裂机理探讨
40Cr、50车轴钢疲劳性能研究及疲劳断裂机理探讨一、概述随着现代工业技术的飞速发展，机械设备的疲劳失效问题日益凸显，成为制约设备性能提升和服役寿命延长的关键因素。
车轴作为高速运转的机械设备中的重要部件，其疲劳性能直接关系到整个设备的安全性和稳定性。
深入研究车轴钢的疲劳性能及疲劳断裂机理，对于提高车轴的使用寿命、预防疲劳失效以及优化机械设计具有重要的理论和现实意义。
本文选择40Cr和50两种典型的车轴钢作为研究对象，通过系统的实验和理论分析，旨在探究这两种材料的疲劳性能特点以及疲劳断裂的内在机理。
40Cr和50钢作为常用的车轴材料，在铁路、汽车、船舶等工业领域有着广泛的应用。
由于服役环境和使用条件的复杂性，车轴钢在实际应用中往往面临着交变应力、温度变化、腐蚀等多种因素的共同作用，这些因素都可能对车轴钢的疲劳性能产生显著影响。
本文首先通过文献综述，对国内外关于40Cr和50车轴钢疲劳性能的研究现状进行了梳理和评价，指出了当前研究中存在的问题和不足。
在此基础上，结合实验研究和理论分析，深入探讨了40Cr和50车轴钢的疲劳性能特点，包括疲劳强度、疲劳寿命、疲劳裂纹萌生与扩展规律等。
同时，通过断口分析、微观组织观察等手段，揭示了疲劳断裂的微观机理和影响因素，为进一步优化车轴钢的设计和使用提供了理论支撑和实践指导。
通过本文的研究，不仅能够加深对40Cr和50车轴钢疲劳性能的认识，而且可以为相关领域的工程实践和学术研究提供有益的参考和借鉴。
1. 简述车轴钢在交通运输领域的重要性车轴钢作为交通运输领域的关键材料，承担着至关重要的角色。
车轴是连接车轮和车架的核心部件，直接承受着车辆的重量和载重，同时还需应对行驶过程中的各种复杂力。
车轴钢的力学性能，特别是疲劳性能，直接关系到车辆的安全性和可靠性。
在高速列车、重型货车等交通运输工具中，车轴钢的疲劳性能更是至关重要，因为这些车辆在运行过程中会受到反复的应力作用，若车轴钢的疲劳性能不佳，极易引发疲劳断裂，从而导致严重的安全事故。
桥梁用混凝土梁的疲劳性能探析
桥梁用混凝土梁的疲劳眭能探析王珂伟(江苏省交通工程集团有限公司，江苏镇江212003)I {j‰?￡}膏要]钢筋混疑土结构和预应力混凝±．结构通常主要承受静栽作用，但在实际工程中还有许多结构，如桥梁、吊车粱、铁路轨枕疆海洋…，，平台等结构，除了承受静戴作用外，还要经常承受重复循环荷栽作用。
这类结构在重复荷栽作用下，将会发生低于静载强度的晓挂破坏，即j ÷疲劳破坏。
本文主要探讨了桥梁用钢筋混凝土空心粱的疲劳雎能。
，，‘，I D 猢]桥梁；钢筋混凝士；空心粱；疲劳性能。
，Zq “f ，…k ～…l …Ⅵ…／??}|～j …㈠jI i。
叫|j i 瞄‰坩讯m|“．j l ""Ⅲt 。
{#l 加ja 岫-{i ¨|h?Ⅲ{‰、i “i 曲j1钢筋混凝±空心粱疲劳性能12裂缝分析t ．1应变性能分析裂缝数目及裂缝宽度在初始循环阶段发展较快，此后逐渐趋于稳”．1混凝土应变定，到疲劳寿命后期发展会再次加快。
其分布形态与静载试验基本相．钢筋混凝土梁受压区混凝土应变随疲劳荷载循环次数的增多而增同，所不同的是在普通静载试验时，在使用荷载范围内裂缝的数量和间大，其发展变化规律和混凝土在轴心受压疲劳荷载作用下的应变变化规距基本稳定，但疲劳试验中，随疲劳循环次数的增加，裂缝之间的混凝律基本相同。
在初始的2-5万次内，受压区混凝土应变发展变化显著：土疲劳损伤逐渐累积以及钢筋与混凝土之间的粘结力在疲劳荷载作用下随着疲劳荷载循环次数的增加，增长速率逐渐减缓而进入相对稳定的发发生退化而产生了较多的新生裂缝，这些裂缝的特点是比较细小，在荷展阶段。
反复荷载作用下钢筋混疑土梁的混疑土受压边缘的峰值应变值载循环—定次数后这些裂缝的出现也基本稳定，而且这些裂缝在荷载卸的变化规律呈三个阶段：即初始阶段、平稳发展阶段和加速发展阶段，为零时大部分都能够闭合。
这说明以往国内外学者普遍认同的混凝土疲劳损伤累积的三阶段发展规在疲劳振动过程中，试验梁不仅有新生裂缝的出现，原有裂缝的律在钢筋混凝土构件中仍然成立。
桥梁结构的疲劳性能与寿命
桥梁结构的疲劳性能与寿命桥梁作为基础的交通设施，承担着连接两岸的重要功能。
然而，长期以来，桥梁的安全问题一直备受关注。
疲劳性能和寿命是桥梁结构中最重要的考虑因素之一，它们直接关系到桥梁的稳定性和使用寿命。
本文将探讨桥梁结构的疲劳性能与寿命，并介绍一些提高桥梁寿命的方法。
一、疲劳性能的意义及影响因素疲劳性能是指结构在循环荷载作用下的抗疲劳能力。
桥梁长期以来承受车辆荷载、风荷载等外力的作用，这些荷载会产生很高的应力集中和应力循环。
长期以来的研究发现，这些循环应力会导致钢材或混凝土材料中的微裂纹逐渐扩展，进而形成裂缝，最终导致桥梁的疲劳破坏。
因此，疲劳性能是评估桥梁安全性能的一个重要指标。
影响桥梁疲劳性能的因素主要包括荷载、结构材料和设计合理性。
荷载是由车辆行驶引起的动荷载和气候条件引起的静荷载。
荷载的大小和频率都对桥梁的疲劳性能有一定的影响。
此外，结构材料的强度、延伸性和韧性等性能也直接关系到桥梁的疲劳寿命。
设计合理性是指桥梁结构的布局、支座位置、横断面形状等方面的设计是否合理。
合理的设计可以减少应力集中，提高桥梁的疲劳寿命。
二、寿命评估方法为了评估桥梁的寿命，研究人员通常使用疲劳寿命估算方法。
最常见的方法是应力幅-寿命曲线法。
这种方法通过测量不同应力幅下的疲劳寿命，绘制应力幅与寿命之间的关系曲线。
然后，在实际应力幅下，通过外推曲线，计算出桥梁的预计寿命。
此外，还有一些基于损伤累积的可靠性方法，如线性累积损伤法（Palmgren-Miner准则）。
根据这种方法，将疲劳循环分解为若干应力幅较小的循环，并将其分别作为最小寿命循环。
通过计算所有循环的寿命，累积到平均寿命，从而评估桥梁的寿命。
三、提高桥梁寿命的方法为了提高桥梁的寿命，需要从设计、施工和养护等方面进行综合考虑。
1.合理设计：在桥梁的初步设计阶段，应考虑荷载特点、材料性能和结构形式等因素，合理确定桥梁的结构参数，减少应力集中和循环应力。
2.材料选择：在桥梁的材料选择上，应选用高强度、高韧性和耐腐蚀性能好的材料，以提高桥梁的疲劳性能和寿命。
混凝土的疲劳性能原理与评估
混凝土的疲劳性能原理与评估一、前言混凝土作为一种常见的建筑材料，在工程中扮演着重要的角色。
在使用过程中，混凝土会受到多种荷载的作用，这些荷载会对混凝土的疲劳性能产生影响。
因此，了解混凝土的疲劳性能原理和评估方法，对于确保工程结构的安全性和可靠性具有重要意义。
二、混凝土的疲劳性能原理1. 疲劳现象的定义疲劳现象是指物体在受到交替或周期性荷载作用下，由于材料的内部结构发生微小的变化，最终导致物体失效的现象。
2. 混凝土的疲劳破坏模式混凝土的疲劳破坏模式可以分为两种类型：表面疲劳破坏和内部疲劳破坏。
表面疲劳破坏是指混凝土表面出现龟裂、剥落等现象，造成表面损伤和破坏。
内部疲劳破坏是指混凝土内部出现微裂缝和裂纹，最终导致混凝土失效。
3. 影响混凝土疲劳性能的因素混凝土疲劳性能受到多种因素的影响，主要包括以下几个方面：（1）荷载类型和荷载幅值不同类型的荷载对混凝土的疲劳性能影响不同，荷载幅值越大，混凝土的疲劳破坏速度越快。
（2）混凝土本身的性质混凝土的强度、韧性、抗裂性等性质会影响混凝土的疲劳性能。
（3）混凝土的配合比和制备工艺混凝土配合比的不同会导致混凝土的疲劳性能差异，同时制备工艺对混凝土的疲劳性能也有一定影响。
（4）环境因素温度、湿度等环境因素对混凝土的疲劳性能也具有一定的影响。
4. 混凝土的疲劳寿命预测模型混凝土的疲劳寿命预测模型是评估混凝土疲劳性能的重要方法之一。
目前，常用的预测模型主要包括线性模型和非线性模型两种。
线性模型是指根据混凝土的疲劳试验数据，通过线性回归分析建立混凝土疲劳寿命与荷载循环次数之间的关系模型。
非线性模型是指采用复杂的数学模型，考虑多种因素对混凝土疲劳寿命的影响，建立混凝土疲劳寿命的非线性预测模型。
三、混凝土疲劳性能的评估方法1. 疲劳试验疲劳试验是评估混凝土疲劳性能的主要方法之一。
常用的疲劳试验包括拉压疲劳试验和弯曲疲劳试验。
拉压疲劳试验是指将混凝土试件在荷载循环作用下进行拉压应力加载，检测混凝土的疲劳性能。
混凝土梁的疲劳性能标准
混凝土梁的疲劳性能标准混凝土梁是在建筑工程中广泛使用的结构构件，其承载能力和耐久性是工程安全和可靠性的重要标志。
然而，由于长期受到复杂的荷载作用和外界环境的影响，混凝土梁容易出现疲劳损伤，从而影响其结构强度和使用寿命。
因此，疲劳性能是评价混凝土梁质量和安全性的重要指标之一。
本文将从混凝土梁的疲劳性能指标、测试方法、评估标准等方面探讨混凝土梁的疲劳性能标准。
一、混凝土梁的疲劳性能指标1.疲劳寿命疲劳寿命是指混凝土梁在一定荷载下能够承受多少次循环载荷后出现裂缝或断裂的次数，是评价混凝土梁抵抗疲劳损伤能力的重要指标。
疲劳寿命的长短取决于混凝土强度、荷载水平、荷载频率、试验温度等多种因素。
2.疲劳极限疲劳极限是指混凝土梁在一定荷载下能够承受的最大循环次数，是混凝土梁疲劳性能的极限指标。
疲劳极限的大小与混凝土强度、荷载水平、荷载频率等因素有关。
3.疲劳裂缝扩展速率疲劳裂缝扩展速率是指混凝土梁在疲劳荷载下裂缝扩展的速率，是衡量混凝土梁抵抗疲劳损伤的重要指标。
疲劳裂缝扩展速率的大小与混凝土强度、荷载水平、裂缝长度等因素有关。
二、混凝土梁的疲劳性能测试方法1.疲劳试验疲劳试验是评价混凝土梁疲劳性能的常用方法，其基本原理是在一定的荷载下对混凝土梁进行多次循环载荷，观察梁体的疲劳寿命、疲劳极限和裂缝扩展速率等指标。
疲劳试验的荷载形式可以是单向循环荷载、双向循环荷载或多向循环荷载，同时还需要控制试验温度和湿度等因素。
2.非破坏性测试非破坏性测试是一种无损检测方法，可以通过超声波、磁场、微波等技术对混凝土梁的内部结构和性能进行分析和评估。
非破坏性测试可以测量混凝土梁的弹性模量、泊松比、损伤程度等参数，进而推断其疲劳性能，具有无损、快速、准确的优点。
三、混凝土梁的疲劳性能评估标准1.国际标准国际标准化组织（ISO）发布了《混凝土结构疲劳试验方法》（ISO 15630）标准，该标准规定了混凝土结构的疲劳试验方法和评估指标，包括疲劳寿命、疲劳强度、疲劳极限、裂缝扩展速率等参数的测试方法和评估标准。
无粘结预应力CFRP板加固受损钢梁疲劳试验研究
无粘结预应力CFRP板加固受损钢梁疲劳试验研究叶华文;李新舜;帅淳;曲浩博;徐勋;卫星【摘要】老旧钢桥在长期运营过程中容易疲劳开裂,严重影响桥梁结构安全,为改善受损钢梁构件的疲劳性能,采用大比例疲劳模型试验对无粘结预应力碳纤维增强复合材料(CFRP)板加固受损钢梁进行研究,基于Paris公式提出疲劳强度-寿命(S-N)曲线的确定方法,并分析不同预应力水平对受损钢梁寿命影响.对不同预应力水平CFRP板加固的双缺口受损钢梁在循环荷载下进行疲劳试验,结果表明:施加预应力可降低裂纹扩展速率和受损钢梁残余挠度超过40％,最少可延长受损钢梁的疲劳寿命3倍;最高预应力水平所加固的受损钢梁,其疲劳寿命最少提高了8倍,且预应力CFRP板加固后缺口钢梁疲劳强度等级由51 MPa提高到75 MPa.理论预测结果与试验结果符合较好,可作为推荐方法.【期刊名称】《西南交通大学学报》【年(卷),期】2019(054)001【总页数】8页(P129-136)【关键词】钢结构;加固;无粘结CFRP板;疲劳强度;预应力水平;S-N曲线【作者】叶华文;李新舜;帅淳;曲浩博;徐勋;卫星【作者单位】西南交通大学土木工程学院,四川成都610031;西南交通大学土木工程学院,四川成都610031;西南交通大学土木工程学院,四川成都610031;西南交通大学土木工程学院,四川成都610031;西南交通大学土木工程学院,四川成都610031;西南交通大学土木工程学院,四川成都610031【正文语种】中文【中图分类】U447截止到2013年，中国的桥梁总量已经超过86万座，有93 000座老旧桥梁需要修复加固，其中钢桥所占比例相当大，世界其他地区也面临同样的问题[1]. 钢桥传统的加固方式是采用焊接、栓接钢板或粘贴纤维增强复合材料（fiber reinforced polymer，FRP）等方式，一定程度上改善了钢结构的受力状态，但也容易引入新问题，如应力滞后、自重增加、腐蚀、施工不便等. 针对传统加固方法的不足，预应力碳纤维增强复合材料（carbon fiber-reinforced polymer，CFRP）板加固技术将体外预应力与新型高强材料CFRP板结合，展现了广泛的应用前景.国内外学者对预应力CFRP板加固钢结构方面，尤其在提高受损钢梁疲劳性能方面进行了较多研究[2-6]：Täljsten等[7]通过对比研究发现，较非预应力CFRP板加固，预应力CFRP板在改善受损钢梁疲劳性能、延长疲劳寿命方面，效果非常明显；Bassetti[8]用预应力CFRP板加固钢板和老旧钢梁并进行疲劳试验，结果发现，预应力CFRP板加固的结构其疲劳寿命延长了16倍；Colombi等[9]通过数值模拟进行参数分析发现，提高预应力水平可最大限度地提高疲劳寿命；Ye等[10-11]的试验结果也表明预应力度的增加显著地提高了受损钢板的疲劳寿命；其他研究成果[8-18]表明，预应力CFRP板应用于钢结构加固的关键问题在于预应力效应的确定. 非粘结预应力CFRP板加固可不考虑粘结界面的老化和施工要求，但相关研究很少，少量研究结果[19]显示，有无粘结对加固结构承载能力影响不大，只是失效模式不同.根据现有研究成果可见：（1）已有研究基本上都关注有粘结CFRP板，而实际工程中无粘结型在取得与有粘结型相同的加固效果情况下，能适应不同表面情况，施工也更快；（2）已有疲劳试验梁尺寸都较小，长度不超过1 m，与实桥杆件尺寸差异较大.疲劳性能与尺寸效应有紧密联系，因而试验结果可能与实桥加固情况差异较大；（3）预应力水平对疲劳加固效果有决定性影响，但已有研究对于疲劳寿命与预应力水平间的关系研究甚少.针对无粘结CFRP板加固钢结构疲劳行为，基于自主研发的预应力CFRP板锚固及张拉系统，设计大比例受损钢梁，采用多预应力水平CFRP板进行加固，通过疲劳试验和理论分析，评估无粘结CFRP板加固受损钢梁疲劳性能，提出简便实用的疲劳寿命计算理论和分析方法.1 疲劳试验设计1.1 试验设置试验选用3 m长的标准热轧Q235钢梁HN350 ×175 ×11× 7，几何和力学特性如表1所示，其中：Es和Ec为钢和CFRP的弹性模量; Sy为钢材屈服强度；Sut为CFRP板抗拉强度. 为模拟实际钢梁的初始疲劳损伤，考虑试验时间和成本参考文献[5]，在跨中受拉底板的两侧切开两个宽度为8 mm的U型缺口，U形孔内半径r =4mm，如图1所示. 试验共设计了6根带缺口的受损钢梁，其中一个未加固钢梁作为对比梁，其它5根受损钢梁分别施加不同的有效预应力水平CFRP板，试件S0即未加固的对比梁，CFRP板距离梁底25 mm.表1 试件的几何和力学性能Tab.1 Properties of specimensEs = 200 Gpa Sy = 235 MPa CFRP 1650 100 2 Ec = 180 GPa Sut =2000 MPa材料长度/mm 宽度/mm 厚度/mm 力学性能钢梁 3000 175 11（底板）& 7（腹板）图1 疲劳试验设计Fig.1 Fatigue test setup采用MTS试验机进行疲劳加载，量程为500 kN，通过分配梁实现4点弯曲加载，梁净跨为287 cm，加载点间距为500 mm. 施加的常幅正弦疲劳最小荷载Pmin= 20 kN，最大荷载Pmax = 160 kN，加载频率为2 Hz，试件底板最大、最小名义应力如表2，以受拉为正. σmax和σmin考虑钢梁毛截面和增加的CFRP板刚度，不考虑缺口尺寸. 通过MTS测量疲劳荷载，通过位移计测量梁跨中及加载点处位移，为避免疲劳加载过程中构件位置变化，梁两端和加载点位置螺栓固定，试验装置如图1. 每个试件在预设的疲劳荷载范围内进行静力预载试验，实测应力和变形情况，然后根据实测应力值调整疲劳荷载P. 当疲劳加载进行到预定次数时停止，通过逐级加载卸载模拟一次疲劳循环荷载，实测钢梁的应力、裂纹长度和挠度后继续进行疲劳试验，如此反复直至构件破坏，取钢梁完全断裂作为疲劳寿命极限点，且每根梁的疲劳作用次数不超过200.0万次.表2 试件细节Tab.2 Details of specimens试件有效预应力/MPa最大名义应力σmax/MPa最小名义应力σmin/MPa应力比R S0 114.6 14.3 0.13 S480 480 93.0 -7.3 - 0.10 S550 550 89.8 -10.5 - 0.10 S600 600 87.6 -12.7 - 0.15 S630 630 86.2 -14.1 - 0.15 S900 900 74.1 -26.2 - 0.351.2 CFRP板锚固与预应力张拉技术锚固系统是实现预应力CFRP板加固的前提，可靠的锚固系统必须具备足够的持力性能、良好的抗腐蚀性、耐久性，且锚固区传力合理、明确. 试验中采用自行设计的CFRP板锚具与张拉系统（专利号：ZL201620402274.8），该系统包括CFRP 板机械夹持型锚具和预应力施工固定装置，如图2所示，无需额外反力装置，通过小型千斤顶即可实现预应力张拉.预应力CFRP板锚固及张拉的流程如下：（1）将CFRP板夹持于设计的锚具中，采用电动扳手根据设计扭矩拧紧高强螺栓，施加预紧力，锚固CFRP板，如图 2（a）；（2）打磨并清洗钢梁锚固区，将锚固的CFRP板置于预应力张拉固定装置中，对中调整到设计位置；（3）使用千斤顶张拉精轧螺纹钢施加预应力，当加载到目标荷载后静置一段时间，待应变稳定后扭紧精轧螺纹钢筋的螺母，并将千斤顶缓慢卸载至0.锚固与张拉系统安装完毕后监测整个系统24～48 h，通过应变仪实测CFRP板应变，在整个疲劳试验期间CFRP板最大应力实测值如图3所示，水平轴为当量疲劳寿命.图2 预应力CFRP板锚固与张拉技术Fig.2 Anchorage and prestressing of CFRP plate图3 CFRP板最大应力实测值Fig.3 Measured maximum CFRP stress variations由图3可知：预应力损失为控制张拉预应力的5%～20%；试验过程中所有试件的预应力CFRP板锚具系统没有发生破坏；疲劳试验中CFRP板最大应力实测值基本稳定，表明了其锚固装置是有效和可靠的.2 试验结果及分析2.1 裂纹扩展与破坏模式受损钢梁缺口处有显著的应力集中效应，容易萌生疲劳裂纹. 试验观察发现：裂纹在两缺口位置均萌生疲劳裂纹，但只有其中一条裂纹会不断扩展形成主裂纹，另外的裂纹会萌生并扩展到很短一段距离（小于底板厚）后停止，形成次裂纹，故主裂纹是主导裂纹扩展的裂纹.图4为扩展到底板和腹板的疲劳裂纹，根据裂纹扩展速率不同，将其扩展分两阶段：第1阶段，主裂纹在底板缺口萌生并扩展至腹板处，此阶段扩展速率缓慢；第2阶段，主裂纹在底板和腹板同时扩展，此时扩展速率很快，钢梁很快就疲劳断裂. 除S900外，其余试件均发生疲劳断裂. 当疲劳荷载循环次数达到200.0万次停止试验，S900底板裂纹长度只有61 mm. 与未加固试件S0相比，预应力加固试件的疲劳寿命提高显著，其中试件S900的预应力水平最高，其加固效果也最好，与未加固梁S0（27.2万次）相比，其疲劳寿命最少提高了8倍（超过200.0万次），如表3所示.图4 钢梁疲劳裂纹Fig.4 Fatigue cracking表3 试件疲劳寿命Tab.3 Fatigue life of specimens试件有效预应力/MPa 疲劳寿命/万次破坏模式S0— 27.2 S480 480 32.4 S550 550 67.8 S600 600 109.4S630 630 87.3 S900 900 ＞200.0 停止试验完全断裂图5为不同预应力水平试件的疲劳荷载循环次数与裂纹长度a关系曲线（裂纹扩展曲线），裂纹长度为主裂纹和次裂纹长度之和（含两缺口长度）.图5（a）为底板裂纹扩展曲线，不同预应力水平下裂纹的扩展曲线明显不同，随着预应力水平的提高，疲劳寿命N得到显著延长，可见预应力水平是提高加固试件疲劳寿命的关键因素. 图5（b）为底板裂纹长度与当量疲劳寿命关系曲线，疲劳寿命主要消耗于裂纹扩展的第1阶段，超过总疲劳寿命的80%，而且随着预应力水平的提高（如S600、S630），第1阶段寿命甚至最少可占总寿命的95%. 而与第1阶段寿命相比，第2阶段的疲劳寿命可忽略不计，因此总疲劳寿命主要取决于第1阶段的疲劳裂纹扩展.图5 疲劳裂纹扩展曲线Fig.5 Fatigue crack growth curves图6 为不同预应力水平试件的裂纹扩展速率分析，不同预应力水平下裂纹的扩展速率明显不同，随着预应力水平的提高，裂纹的扩展速率变小.图 6（a）表明：在裂纹扩展第1阶段，速率在1× 10-5～5 × 10-4 mm/次之间. 到第2阶段扩展速率急剧增加，达到25 × 10-4 mm/次，图6（b）表明了无论是在底板还是腹板，裂纹扩展速率极快且二者速率基本相同.2.2 刚度衰减裂纹扩展不但引起钢梁刚度的衰减，而且会产生次要变形和受力. 图7以S600试件为典型代表，研究预应力CFRP板加固钢梁的刚度变化情况.图7（a）表明：在裂纹扩展第1节点，刚度衰减较小，裂纹扩展穿过腹板时，刚度衰减约20%；到第2阶段后，刚度衰减很快超过40%. 图7（b）为不同预应力水平下钢梁挠度变化情况，预应力水平越高，钢梁残余挠度越小. 图7（c）比较了底板不同位置（主裂纹扩展侧与次裂纹侧）的挠度差异，发现底板次裂纹侧的挠度要比主裂纹侧大，扭转变形不容忽视. 图7（d）比较了不同裂纹长度下钢梁截面左右的挠度差，其随裂纹长度增加而增加.图6 疲劳裂纹扩展速率分析Fig.6 Fatigue crack growth rates图8 所示为因裂纹扩展导致截面对称轴偏转，从而使得钢梁在对称荷载作用下发生扭转变形. 在裂纹长度为a时，截面的竖向对称轴偏转角度为θ，跨中截面两侧的位移差为Δ，如图8（a）. 此时，在竖向荷载作用下，钢梁将受到扭矩作用，产生扭转变形，主裂纹侧底板挠度会比次裂纹侧小，如图8（b）.2.3 疲劳S-N曲线分析模型钢结构疲劳寿命预测方法主要分为名义应力法（强度-寿命曲线（S-N曲线））和损伤容限法，前者基于大量的试验数据和工程经验，后者基于断裂力学理论和Paris裂纹扩展律. 名义应力法是最简便实用的疲劳设计方法，根据不同的构造细节及其受力特点，各国钢结构设计规范均提出了相应的S-N曲线，常用的S-N曲线均以式（1）描述.式中：Δσ为名义应力幅；A和m为与构件和连接类别相关的参数.图7 刚度衰减行为分析Fig.7 Stiffness decay of beams图8 裂纹扩展引起钢梁扭转变形Fig.8 Fatigue-induced torsion of beam根据S-N曲线，各疲劳细节的疲劳强度是以200.0万次对应的疲劳应力幅来定义的. 对于带缺口钢梁，欧洲规范[20]给出了明确的S-N曲线形式和疲劳强度50 MPa. 我国钢结构设计规范[21]虽然没有明确给出相应的S-N曲线，但可保守取疲劳强度等级最低的第8条曲线（59 MPa）. 规范中一般都取m =3，只是A有差异，且名义应力幅计算方式不同. 对于非焊接细节，欧洲规范[20]中Δσ按式（2）计算.我国钢结构设计规范[21]中Δσ按式（3）计算.规范中的S-N曲线对预应力CFRP板加固钢梁具有一定的参考价值，但无法考虑很多因素，如裂纹闭合效应、初始缺陷的影响等，需要更有针对性的SN曲线分析方法.根据修正的Paris公式，可得到疲劳裂纹扩展速率为[7, 10]式中：ΔKeff为考虑裂纹闭合效应的有效应力强度因子幅；ΔKeff，th为裂纹扩展内在门槛值；C为材料常数；Y为几何修正系数；U为考虑裂纹闭合效应的Elber 系数，与应力比R有关.式中：Δσeff为考虑裂纹闭合效应的有效应力幅.由于当裂纹处于受压状态时，所得到的负应力强度因子不具备物理意义，因此可得式中：σp为因预应力产生的压应力.为计算方便可保守取ΔKeff，th = 0，并忽略临界裂纹长度的影响，可对式（4）积分得到疲劳寿命为[7, 10]式中：ai为初始裂纹（或缺口）的长度.按式（1）可得只要确定参数C、Y、U和a即可得到相应的SN曲线方程. 本文中缺口钢梁a =21 mm，Y根据计算取2；U由式（5）求得；参数C取值离散，且对疲劳强度影响显著，根据 ASTM[22]建议取6.86 × 10-12 MPa-1·m1/2，即2.17 × 10-13 MPa-1·mm1/2.按对应于200.0万次的疲劳应力幅来定义的疲劳强度Δσc可表示为若使得疲劳裂纹扩展完全停止，须满足∆Keあ≤∆Keあ,th.裂纹扩展门槛值ΔKeff，th离散度很高，已有资料[23]表明其在126.5～ 484.8N/mm3/2，可保守取100 N/mm3/2，合理估算疲劳极限寿命对应的疲劳应力幅为由式（6）、（9）和（10）可见：预应力的引入，不但可减小了疲劳应力幅，而且通过减小U以提高疲劳强度等级.图9为疲劳寿命预测值和实测值在双对数坐标系里的比较，预测值分别基于中欧两规范计算公式和本文所提方法. 由于相关试验数据很少，故增加了文献[5]中非预应力CFRP板加固钢梁的试验数据，如B1、B5和B6，其应力比均为0.2. 本文所提方法要比规范值更接近实测值，得到最合理的预测结果，如表4所示. 考虑到疲劳寿命离散性较大，本文方法得到的预测值与试验值吻合较好，且偏于保守. 要得到更精确的寿命预测方法，还需要更多的试验和理论研究以确定相应关键参数.图9 疲劳S-N曲线与试验结果对比分析Fig.9 Comparison between the experimental and S-N curve results图9 （a）为在预应力水平提高过程中钢梁疲劳应力幅的变化情况的示意图，对于非预应力CFRP加固的钢梁，如B1、B5、B6及S0，均为拉-拉循环应力作用，R ＞ 0时，钢梁疲劳应力幅在加固后减小是有限的. 当预应力使得应力进入拉压循环状态，即R＜ 0，疲劳应力幅将随预应力增加而显著减小，直至疲劳极限. 图9（b）和（c）可见规范预测值都很保守，而图9（d）可见对于未加固梁和非预应力CFRP加固梁，本文方法得到的疲劳强度为51 MPa，与欧洲规范50 MPa接近.由于预应力的引入，根据式（8）、（9）和不同的应力比值，可将试件大致分为3类疲劳强度等级：51、62 MPa和 75 MPa，与试验值基本吻合. 因此，预应力水平越高，对钢梁疲劳应力幅和S-N曲线的A值影响越显著，这一点由试验结果也可以看出：S900疲劳寿命提高达8倍以上. 预应力CFRP板加固，不但降低了疲劳应力幅，延长了疲劳寿命，而且也提高了钢梁的疲劳强度等级.表4 试件疲劳寿命计算值与实测值比较Tab.4 Comparison between the test and predicted results 万次试件试验值规范公式计算值本文方法中国规范欧洲规范B1 15.6 17.5 10.7 11.2 B5 82.0 39.2 24.0 25.2 B6 62.6 37.6 23.1 24.2 S0 27.2 40.7 24.9 26.1 S480 32.4 43.4 27.2 51.7 S550 67.8 44.5 28.1 53.5 S600 109.4 46.5 29.7 56.4 S630 87.3 46.6 29.8 56.6 S900 ＞200.0 52.1 34.8 116.63 结论通过理论和疲劳试验对无粘结预应力CFRP板加固受损钢梁的疲劳性能进行研究，得出以下结论：（1）预应力CFRP板加固的受损钢梁与未加固梁相比，裂纹扩展速率大幅度降低，疲劳寿命得到显著提高. 试验结果表明，预应力水平越高，加固效果越好，预应力水平最高的加固梁（S900）疲劳寿命至少提高了8倍.（2）裂纹扩展不但使钢梁刚度衰减，而且引起截面不对称而产生扭转变形. 当裂纹扩展到腹板时，钢梁刚度减少20%，当裂纹贯穿底板时，刚度减少超过40%，同时伴有明显的扭转变形. 引入预应力可显著降低残余挠度和次要变形.（3）预应力CFRP板加固，不但降低了疲劳应力幅，提高了钢梁的疲劳强度等级，延长了疲劳寿命. 与规范方法相比，所提方法计算值与试验结果符合得更好，且所得结果偏于保守，可作为推荐方法.【相关文献】[1]张喜刚，刘高，马军海，等. 中国桥梁技术的现状与展望[J]. 科学通报，2016，61(4)： 415-425.ZHANG Xigang， LIU Gao， MA Junhai， et al. Status and prospect of technical development for bridges in China[J]. China Science Bulletin， 2016， 61(4)： 415-425. [2]SEAN C J， SCOTTCIVJAN A. Application of fiber reinforced polymer overlays to extend steel fatigue life[J]. Journal of Composites for Construction， 2003，7(4)： 331-338. [3]TAVAKKOLIZADEH M， SAADATMANESH H.Fatigue strength of steel girders strengthened with carbon fiber reinforced polymer patch[J]. Journal of Structural Engineering， 2003， 129(2)： 186-196.[4]KIM Y J， HARRIES K A. Fatigue behavior of damaged steel beams repaired with CFRP strips[J].Engineering Structures， 2011， 33(5)： 1491-1502.[5]WU Gang， WANG Haitao， WU Zhishen， et al.Experimental study on the fatigue behavior of steel beams strengthened with different fiber-reinforced composite plates[J]. Journal of Composites for Construction，2012， 16(2)： 127-137.[6]COLOMBI P， FAVA G. Fatigue crack growth in steel beams strengthened by CFRP strips[J]. Theoretical &Applied Fracture Mechanics， 2016， 85： 173-182.[7]TÄLJSTEN B， HANSEN C S， SCHMIDT J W.Strengthening of old metallic structures in fatigue with prestressed and non-prestressed CFRP laminates[J].Construction and Building material， 2009， 23(4)：1665-1677.[8]BASSETTI A. Lamelles precontraintes en fibrescarbone pour le renforcement de pontsrivetesendommaees par fatigue （in French）[D]. Lausanne：EPFL， 2001.[9]COLOMBI P， BASSETTI A， NUSSBAUMER A.Delamination effects on cracked steel members reinforced by prestressed Composite Patch[J]. Theoretical and Applied Fracture Mechanics， 2003， 39(1)： 61-71.[10]YE H W，KöNIG C， UMMENHOFER T， et al.Fatigue performance of tension steel plates strengthened with prestressed CFRP laminates[J]. Journal of Composites for Construction， 2010， 14(5)： 609-615.[11]YE H W， UMMENHOFER T， QIANG S Z.Experimental study of flexural fatigue performance of steel girder reinforced by prestressed CFRP plate[J].Journal of Highway and Transportation Research and Development， 2009， 26(12)： 50-55.[12]GHAFOORI E， MOTAVALLI M， NUSSBAUMER A， et al. Determination of minimum CFRP pre-stress levels for fatigue crack prevention in retrofitted metallic beams[J]. Engineering Structures， 2015， 84(10)： 29-41.[13]何贤锋，彭晖，罗杰. 外部粘贴预应力碳纤维板技术加固桥梁结构的工程应用与评估[J]. 中国铁道科学，2007，28(2)： 139-144.HE Xianfeng， PENG Hui， LUO Jie. Engineering application and evaluation of the bridge structure strengthened with prestressed CFRP plate[J]. China Railway Science， 2007， 28(2)： 139-144.[14]TENG J G， YU T， FERNANDO D. Strengthening of steel structures with fiber reinforced polymer composites[J]. Journal of Constructional Steel Research，2012， 78(6)：131-143.[15]叶列平，冯鹏. FRP在工程结构中的应用与发展[J].土木工程学报，2006，39(3)： 24-36.YE Lieping， FENG Peng. Applications and development of fiber-reinforced polymer in engineering structures[J]. China Civil Engineering Journal， 2006，39(3)： 24-36.[16]GHAFOORI E， MOTAVALLI M， NUSSBAUMER A， et al. Design criterion for fatigue strengthening of riveted beams in a 120-year-old railway metallic bridge using pre-stressed CFRP plates[J]. Composites Part B，2015， 68： 1-13.[17]邓军，黄培彦. CFRP板加固钢梁界面应力的理论与试验研究[J]. 华南理工大学学报（自然科学版），2007，35(7)： 10-14.DENG Jun， HUANG Yanpei. Theoretical and experimental study on interfacial stresses of steel beam strengthened with CFRP plates[J]. Journal of South China University of Technology (Natural Science Edition)，2007， 35(7)： 10-14. [18]郑云，陈煊，李忠煜，等. 碳纤维加固钢结构的疲劳寿命分析[J]. 钢结构，2013，28(2)： 1-6.ZHENG Yun， CHEN Xuan， LI Zhongyu， et al. Fatigue life ansys of CFRP strengthened steel structure[J]. Steel Construction ， 2013， 28(2)： 1-6.[19]GHAFOORI E， MOTAVALLI M， BOTSIS J， et al.Fatigue strengthening of damaged metallic beams using prestressedunbonded and bonded CFRP plates[J].International Journal of Fatigue， 2012， 44(2)： 303-15.[20]European Committee Standardization. Eurocode 3：design of steel structures-part 1-9：fatigue BS EN 1993-1-9： 2005[S]. [S.l.]： The Authority of the Standards Policy and Strategy Committee， 2005.[21]中华人民共和国住房和城乡建设部. 钢结构设计规范: GB50017—2017[S]. 北京：中国建筑工业出版社，2017.[22]BARSOM J M， ROLFE S T. Fracture and fatigue control in structures：applications of fracture mechanics[M]. West Conshohocken：ASTM， 1999：5-9.[23]HOSSEINI A， GHAFOORI E， MOTAVALLI M， et al.Mode I fatigue crack arrest in tensile steel members using prestressed CFRP plates[J]. Composite Structures， 2017，178： 119-134.。
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收稿日期：2008-10-28基金项目：国家自然科学基金项目（10672060，10272047）和广东省自然科学基金项目（07006538）资助作者简介：韩强（1979－），男，广西桂林人，华南理工大学土木与交通学院，博士研究生，广州华南理大学土木与交通学院，510640，e-mail:hanqiang215@近年来，纤维增强复合材料（Fiber Reinforced Polymer/Plastic ，简称FRP ）以其高强、轻质、耐腐蚀、施工便捷等优点，在混凝土结构的加固工程中得到了广泛的应用。
2003年，我国颁布了《碳纤维片材加固混凝土结构技术规程》（CECS146:2003）[1]对FRP 加固混凝土结构承载力的计算方法做了明确的规定，但该计算方法是建立在构件强度的极限承载力基础上，对于疲劳相关的设计并未涉及。
国内外学者对FRP 加固RC 梁疲劳性能的研究结果表明[2-6]：（1）FRP 加固能有效提高RC 梁的疲劳寿命；（2）FRP 加固RC 梁的疲劳行为主要由主筋的应力水平所控制，粘贴FRP 能有效地降低主筋的应力水平；（3）采用FRP 加固RC 梁，其疲劳寿命与FRP 加固率有关，FRP 层数越多，厚度越大，其疲劳寿命提高越多；（4）粘贴FRP 可以有效地降低混凝土梁的裂缝宽度，提高构件的刚度。
但现有的研究对FRP 加固RC 梁的疲劳破坏机理、疲劳寿命的预测以及疲劳设计方法开展的工作还比较少。
本课题组研究开发了一种介于纤维布和纤维板之间、并同时兼具两者优点的新型FRP 片材———碳纤维薄板(Carbon Fiber Laminate ，简称CFL)。
本文在课题组前期工作的基础上，对常幅循环荷载下CFL 增强RC 梁的疲劳性能、疲劳破坏机理进行了研究。
1常幅疲劳试验制作的三点弯曲实验梁尺寸为185cm ×20cm ×10cm （图1）。
采用C40混凝土，其配合比为水泥∶水∶砂∶碎石＝1.0∶0.5∶2.06∶3.66；架立筋和箍筋采用8的I 级钢筋,主筋采用10的II 级光圆钢筋,配筋率为0.981%；CFL 采用日本东丽公司生产的碳纤维丝T300—3K 编制成10cm 宽、0.23mm 厚的预浸带，固化后CFL 的弹性模量为230GPa ，抗拉强度为3.08GPa ，其基体材料为环氧树脂,与混凝土之间的粘结剂采用神力铃牌环氧树脂胶。
常幅循环荷载下CFL 增强RC 梁弯曲疲劳性能研究韩强，黄培彦（华南理工大学土木与交通学院，510640广州）摘要：通过碳纤维薄板（CFL ）加固RC 梁三点弯曲疲劳实验，得到了常幅疲劳荷载作用下加固梁挠度、CFL与钢筋应变的演化规律；试验过程中加固梁刚度的疲劳损伤、CFL 与混凝土界面的疲劳剥离都呈现初始快速扩展、稳定扩展、失稳扩展的三阶段发展规律。
通过对CFL 加固梁的疲劳破坏机理的分析，指出钢筋的疲劳屈服导致CFL 的剥离是加固梁最主要的破坏模式，其疲劳寿命主要取决于控制截面受拉钢筋的应力幅值，提出采用疲劳损伤第二阶段的钢筋应力幅值的△S －N 曲线与国外试验结果吻合较好。
关键词：碳纤维薄板；常幅循环荷载；界面剥离中图分类号：U441.4；O036.2献标识码：A文章编号：1000-4726（2009）01-0030－04FATIGUE BEHAVIOR OF RC BEAMS STRENGTHENED WITH CFLUNDER CONSTANT AMPLITUDE LOADHAN Qiang ，HUANG Peiyan(School of Civil Engineering and Transportation,South China Univ.of Tech.,510640Guangzhou,China)Abstract ：Three-point bending experiments of RC beams strengthened with carbon fiber laminate (CFL)un -der constant amplitude loads were performed,the evolution of mid-span flexibility of strengthened beams and strain of CFL and tensile reinforcing steel on control section were recorded.The degradation of flexural stiffness shows three stages of primary quick damage,steady linear fatigue damage and unstable damage to failure at last,CFL-concrete interfacial debonding follows the same trend.By the analyses of fatigue failure mechanism,the most commonly fatigue failure mode of strengthened beams is the rupture of tensile reinforcing steel fol -lowed by FRP failure,the fatigue life is controlled by the stress amplitude of tensile reinforcing steel,the △S －N curve of tensile reinforcing steel exhibits good agreement with test datum.Key words ：Carbon fiber laminate;Constant amplitude load;interface debonding建筑技术Architecture Technology第40卷第1期2009年1月Vol．40No．1Jan．2009·30·2009年第1期加载设备为MTS－810材料试验机，加载频率为10Hz。
按常幅循环荷载幅值将试件分为4组，每组5根试验梁，应力比R=P max/P min＝0.2，最大荷载分别为25kN，27.5kN，30kN，32.5kN。
2疲劳损伤演化在循环荷载作用下，加固梁的原始缺陷会逐步发展演化成宏观裂纹，从而导致加固梁损伤程度的增加，刚度逐渐退化，当累计损伤值达到临界破坏值时会导致整个结构的破坏。
混凝土结构中通常采用构件的刚度退化程度来描述结构的疲劳损伤。
但在疲劳循环载荷作用下，混凝土、钢筋、CFL的弹性模量都在疲劳过程会有不同程度的衰减，混凝土中主裂纹和次裂纹对构件刚度也有不同程度的影响，因此很难对疲劳过程中加固梁刚度进行直接的计算，通常采用构件的挠度对刚度进行推算的方法。
已有研究表明，CFL增强梁的跨中挠度与循环数和疲劳寿命比值n/N f之间呈近似的线性关系[7]，在一定程度上可以较好反映CFL增强梁的疲劳损伤过程，但该方法没有考虑荷载水平的影响。
本文定义了一个更为简单的刚度系数K的概念来描述CFL增强梁的疲劳损伤过程：K=P max-P minf max（1）式中，P max，P min分别为循环荷载的最大值和最小值，f max为最大荷载作用下加固梁跨中的挠度。
图2所示为循环载荷下CFL增强RC梁跨中的挠度演化曲线。
图3为循环载荷下CFL增强RC梁在等幅疲劳荷载作用下刚度系数K的演化曲线。
由图可知，CFL加固梁的刚度的损伤演化与普通的RC梁相同，呈现三阶段的发展趋势：初始快速扩展、稳定扩展、失稳扩展直至破坏。
3界面的疲劳损伤CFL与混凝土、钢筋与混凝土的界面粘结是保证三种材料共同工作的基础。
在循环荷载作用下，粘结力作用的同时，CFL与混凝土的粘结层之间会产生变形差，从而引起二者的相对滑移。
随着混凝土裂缝的发展，会在混凝土裂缝附近出现沿CFL方向的局部界面剥离（图4）。
CFL与混凝土的界面剥离在一定程度上会韩强，等：常幅循环荷载下CFL增强RC梁弯曲疲劳性能研究·31·建筑技术第40卷对混凝土的横向开裂起到一定的延缓作用，但随着混凝土裂缝的继续扩展，CFL与混凝土的界面剥离会从加载端向支座端发展，最终CFL会连同界面下约2～5 mm厚度的混凝土一起剥离下来，从而导致整个结构的破坏。
为研究循环荷载作用下CFL与混凝土界面损伤过程，单独选取一根CFL加固梁，循环一定次数后停止加载，将梁放入温度箱内在60℃下，恒温20min后，重新置于空气中，在CFL与混凝土发生损伤剥离的区域由于空气的进入会形成一个较低的温度场。
用红外热成像仪对CFL进行观测，观测完毕后继续对试验梁加载，如此循环反复直至增强梁破坏。
从观测结果看，在疲劳损伤进程的第一阶段，CFL与混凝土之间的粘结滑移会导致主裂缝附近的粘结区域形成局部的损伤区（图5）；进入第二阶段后，该损伤区域未见明显的增长；进入第三阶段，由于钢筋屈服，混凝土裂缝的急剧增大，主裂缝附近的局部剥离区产生界面裂缝，损伤区域向增强梁端部失稳扩展，最终导致CFL的剥离，增强梁破坏。
在疲劳过程中，CFL的粘贴端部并未发现有明显的剥离损伤区。
4疲劳破坏模式静载下加固梁的破坏模式主要有4种：（1）受压区混凝土的压碎；（2）CFL的拉断；（3）端部界面的剥离；（4）中部弯曲或弯剪裂缝引起的界面剥离。
中部裂缝引起的界面剥离破坏会经历较长的剥离发展过程，其他破坏模式都属于脆性破坏，破坏前几乎没有任何预兆。
图6为循环载荷下控制截面受拉钢筋和CFL的应变演化曲线。
在进入加固梁疲劳损伤的第三阶段，钢筋在循环应力作用下已经疲劳屈服，使得CFL和钢筋的应变急剧增大，混凝土裂缝失稳扩展；当混凝土裂缝的宽度大于CFL与混凝土的极限粘结滑移量时，界面会产生较大的应力集中；当裂缝与CFL粘结处的剥离应力达到CFL与混凝土的表面剥离强度时，裂缝处将发生局部剥离，钢筋和CFL应力重分布，会出现一个很短暂的“稳定阶段”；当裂缝继续扩展，最终导致CFL的剥离，钢筋被拉断，CFL增强梁破坏。
因此，由于钢筋的屈服，导致CFL从混凝土主裂缝截面向端部的剥离是CFL 加固梁最主要的破坏模式。
CFL加固梁的破坏形态主要呈现为受压区混凝土的压碎，受拉区混凝土的开裂，受拉钢筋的拉断和CFL的剥离（图7）。
5疲劳寿命分析图8所示为CFL加固梁极限疲劳寿命的P max－N曲线。
对相同荷载水平下加固梁的疲劳寿命均值与峰值荷载进行线性回归，可得到的荷载的P max－N方程，相关系数R＝0.991。