CFRP加固含裂紋鋼板疲勞性能研究

吳婷，田常錄，錢文杰

(江南大學 機械工程學院，江蘇 無錫 214122)

0 引言

疲勞和斷裂是引起工程結構和構件失效的主要原因，用復合材料加固修復含損傷鋼結構以提高其疲勞壽命是一種新型加固方法，且有明顯的優(yōu)勢[1]。而預測復合材料加固后結構剩余疲勞壽命是工程應用中十分重要的問題。

常用的鋼結構疲勞壽命預測方法有S-N曲線法、斷裂力學法等[2]。S-N曲線法不能對其安全壽命作出完整的估計。而斷裂力學方法基本步驟是先得到一定疲勞載荷作用下的應力強度因子，再根據(jù)疲勞裂紋擴展速率的試驗結果進而預測結構的疲勞裂紋擴展壽命[3]。

本文總結了加固試件裂尖應力強度因子的計算方法，并結合Paris公式對試件剩余疲勞壽命進行計算。同時設計了3組疲勞試驗對計算結果進行驗證。試驗結果表明CFRP(carbon fibre reinforced plasticity)加固含裂紋鋼結構可有效減小裂紋尖端的應力強度因子，增加試件的剩余疲勞壽命。

1 疲勞壽命估算

對于已經產生損傷的構件，疲勞損傷過程的第一階段已經完成，甚至第二階段也已部分完成，而第三階段中結構趨近失穩(wěn)，結構很快斷裂。因此其剩余壽命主要取決于第二階段剩余未損傷區(qū)域疲勞裂紋的擴展速率。

圖1 雙對數(shù)坐標下曲線

第二階段疲勞擴展階段，其擴展速率可用Paris公式表示：

(1)

其中：a為裂紋半長度；c、n為材料參數(shù)；ΔKΙ=KΙmax-KΙmin。

因此試件的疲勞壽命為：

(3)

其中：a0為裂紋起始半長度，a1為結構失穩(wěn)時裂紋半長度。

對于未加固鋼板的I型裂紋，裂尖應力強度因子與板形狀尺寸、裂紋半長度和遠場應力有關，可表示為：KΙ=Fσ，因此ΔKΙ也只與上述幾個值有關；而對于CFRP加固后的鋼板，其應力強度因子還與被加固鋼板的厚度和拉伸模量、CFRP補片的厚度和拉伸模量、膠黏劑的厚度以及拉伸模量和剪切模量有關[3]，可以用函數(shù)表示為：

(4)

若要加固后試件獲得無限壽命(疲勞壽命N>107)，則：

(5)

若被加固鋼板各參數(shù)確定，加固用膠黏劑和CFRP補片參數(shù)確定，即可通過上式求解出需要的CFRP補片的厚度tp的取值范圍。

2 疲勞試驗設置

為探究CFRP加固后鋼板在疲勞性能方面的提升，本文列出了3組疲勞試驗。每個試驗組詳細設置如表1所示，被加固試件用CFRP板進行雙側或單側加固[4]。用以加固的CFRP板長70mm，寬50mm。雙側加固的CFRP板厚0.8mm，單側加固的CFRP板厚1.6mm。

表1 試驗試件分組匯總表

進行拉伸疲勞性能進行測試時，采用力加載控制，平均載荷取靜強度的50%，應力幅值為靜強度的20%，循環(huán)加載至結構破壞。因此設置豎裂紋試件疲勞試驗平均載荷為36 kN，載荷幅值為14.4 kN；斜裂紋試件疲勞試驗平均載荷為36.5 kN，載荷幅值為14.6 kN。試驗頻率為10 Hz，數(shù)據(jù)記錄循環(huán)次數(shù)以及每100次循環(huán)記錄1次循環(huán)的位移載荷數(shù)據(jù)。

3 疲勞試驗過程與破壞形態(tài)

試驗過程中未加固裂紋試件在經受一定的載荷循環(huán)后，在鋼板表面能觀察到裂紋逐漸擴展，但是裂尖并未明顯張開[5]。隨著循環(huán)次數(shù)的增加，裂紋繼續(xù)擴展，裂紋長度逐漸增大。擴展過程中，裂紋前進軌跡為非常整齊的直線，如圖2所示。最后裂紋擴展至試件靜強度不足時，試件被拉斷。試驗結束后觀察疲勞裂紋擴展部分斷口整齊，裂紋面與鋼板外表面垂直，如圖3所示。

圖2 豎裂紋試件裂紋疲勞擴展

圖3 加固前后豎裂紋試件疲勞裂紋表面

CFRP加固后的試件在疲勞試驗過程前期，鋼板板端無明顯位移變化，可推測裂紋裂尖處無明顯張開位移。CFRP板表面無損傷[6]。隨著載荷循環(huán)次數(shù)的增加，在接近破壞時，鋼板受拉端位移增加，最外包層GFRP層沿CFRP板端整齊的斷裂，CFRP板剝離。在CFRP剝離后很短時間內鋼板即被拉斷。觀察疲勞斷口可知，CFRP加固試件疲勞裂紋擴展范圍大于未加固試件，如圖3所示。

疲勞試驗中，CFRP剝離后很短時間內鋼板被拉斷，未出現(xiàn)靜態(tài)拉伸試驗中CFRP很早剝離的現(xiàn)象。可推測是因為疲勞試驗過程中載荷水平較低，與靜拉試驗相比膠層受力較小，且鋼板無明顯塑性變形，因此膠層不易破壞，能更好地傳遞鋼板上的載荷，發(fā)揮CFRP板的作用。

4 疲勞壽命

用Paris公式計算疲勞壽命時，c、n為材料參數(shù)，與鋼材性能有關。n值由文獻[5]取n=2.25，c值可通過未加固豎裂紋鋼板疲勞壽命計算，再用此組c、n的值對豎裂紋加固試件的疲勞壽命進行估算。

通過組1試驗數(shù)據(jù)確定的Paris常數(shù)c=3.80×10-11(計算時單位MPa，mm)。計算得到的疲勞壽命和試驗結果見表2。

表2 疲勞試驗結果匯總表

表2中的理論值和計算過程見文獻[7]。經試驗測定，未加固豎裂紋試件平均壽命為5.5萬次；單側加固后平均壽命為13.1萬次，疲勞壽命增加了138.2%；雙側加固后平均壽命為31.0萬次，疲勞壽命增加了463.6%。

5 結語

用Paris公式估算鋼構件剩余疲勞壽命是一種行之有效又方便可用的方法。通過對試件裂紋尖端應力強度因子的計算和裂紋擴展長度的估計，便可通過積分計算其剩余壽命。因此在這種計算方法中，對應力強度因子的計算是關鍵。

復合材料單側加固和雙側加固含裂紋鋼板的試驗證明CFRP加固對提高含裂紋鋼板的疲勞壽命作用十分明顯。單側加固后鋼板疲勞壽命可提高1.1倍以上，而等加固量雙側加固的豎裂紋鋼板疲勞壽命提高了4.9倍。加固的鋼板受疲勞載荷的過程中CFRP板能有效發(fā)揮作用且不易剝離。因此用CFRP加固修復疲勞載荷下的損傷構件是一種行之有效的方法。

[1] 張術寬. FRP加固含缺陷鋼結構的破壞力學分析[D]. 廣州：華南理工大學，2013.

[2] 程璐. CFRP加固鋼結構抗疲勞技術研究綜述[J]. 玻璃鋼/復合材料，2013(4)：58-62.

[3] Jun Deng, Marcus M K Lee.Fatigue performance of metallic beam strengthened with a bonded CFRP plate [J]. Composite Structures, 2007, 78: 222-231.

[4] 蘇維國，穆志韜，朱做濤，等. 金屬裂紋板復合材料單面膠接修補結構應力分析[J]. 復合材料學報，2014，3(31)：772-780.

[5] 鄭云，葉列平，岳清瑞. CFRP加固疲勞損傷鋼結構的斷裂力學分析[J]. 工業(yè)建筑，2005，35(10)：79-82.

[6] 鄭學祥. 船舶及海洋工程結構的斷裂與疲勞分析[M]. 北京：海洋出版社，1988.

[7] 錢文杰，田常錄. CFRP加固典型T型接頭的疲勞強度分析[M]. 無錫：江南大學，2008.