CFRP加固含裂纹钢板疲劳性能研究

吴婷，田常录，钱文杰

(江南大学 机械工程学院，江苏 无锡 214122)

0 引言

疲劳和断裂是引起工程结构和构件失效的主要原因，用复合材料加固修复含损伤钢结构以提高其疲劳寿命是一种新型加固方法，且有明显的优势[1]。而预测复合材料加固后结构剩余疲劳寿命是工程应用中十分重要的问题。

常用的钢结构疲劳寿命预测方法有S-N曲线法、断裂力学法等[2]。S-N曲线法不能对其安全寿命作出完整的估计。而断裂力学方法基本步骤是先得到一定疲劳载荷作用下的应力强度因子，再根据疲劳裂纹扩展速率的试验结果进而预测结构的疲劳裂纹扩展寿命[3]。

本文总结了加固试件裂尖应力强度因子的计算方法，并结合Paris公式对试件剩余疲劳寿命进行计算。同时设计了3组疲劳试验对计算结果进行验证。试验结果表明CFRP(carbon fibre reinforced plasticity)加固含裂纹钢结构可有效减小裂纹尖端的应力强度因子，增加试件的剩余疲劳寿命。

1 疲劳寿命估算

对于已经产生损伤的构件，疲劳损伤过程的第一阶段已经完成，甚至第二阶段也已部分完成，而第三阶段中结构趋近失稳，结构很快断裂。因此其剩余寿命主要取决于第二阶段剩余未损伤区域疲劳裂纹的扩展速率。

图1 双对数坐标下曲线

第二阶段疲劳扩展阶段，其扩展速率可用Paris公式表示：

(1)

其中：a为裂纹半长度；c、n为材料参数；ΔKΙ=KΙmax-KΙmin。

因此试件的疲劳寿命为：

(3)

其中：a0为裂纹起始半长度，a1为结构失稳时裂纹半长度。

对于未加固钢板的I型裂纹，裂尖应力强度因子与板形状尺寸、裂纹半长度和远场应力有关，可表示为：KΙ=Fσ，因此ΔKΙ也只与上述几个值有关；……