试验和数值分析与预应力碳纤维布加固梁钢板受损

文摘

介绍了实验和数值分析的损坏与预应力碳纤维布加固梁钢板与碳纤维布加固或表。测试结果表明,受损的水平刚度有显著影响,屈服荷载和极限承载力。和使用的预应力CFRP板加强受损钢梁可以提高极限承载力。数值分析结果表明,受损的水平有一个明显的刚度和极限承载力的影响。加强钢铁梁受损的水平可能超过钢梁无破损极限承载力的10%。极限承载力会增加约8%时,法兰或web每1毫米厚度增加。极限承载力会增加大约3%当碳纤维增强塑料板材的厚度、宽度增加每0.05毫米或10毫米。承载力将增加约1.5%,当预应力度增加约7%。

1。介绍

钢结构可能会被侵蚀破坏自然环境,自然灾害,操作不当,装入和人为因素结构一直服务在很长一段时间1]。和损失将减少结构承载能力和耐久性,甚至导致失败。为了延长使用寿命,确保损坏的钢结构的安全,有必要更换或加固受损结构(2]。但更换损坏的成员会浪费大量的财力、物力。同时,更换的方式可能会影响结构的其他部分的使用。目前,工程结构的修复工作已经成为一个必要的和常规工作,每年需要大量的投资。因此,它是一个紧迫的任务找到一种经济高效的方法修复钢结构。

近年来,一种新的方法修复受损的钢结构使用碳纤维增强塑料(碳纤维聚合物)表已被提出。加固效果的材料和机械性能,如低自重、高强度和耐久性。和碳纤维增强塑料表可以双组恢复受损的成员承载力和耐久性。在过去的几年中,有很多研究用玻璃钢材料修复钢构件。金和哈瑞斯3)的静态和疲劳性能测试6修复梁,关注当地的可塑性和CFRP-steel接口。三维有限元分析(FEA)被用来预测实验的行为。碳纤维增强塑料的静态承载能力恢复受损的梁的梁的水平。损伤区域的应力范围影响疲劳寿命,损害传播,修复梁的塑性应变发展。梁的疲劳裂纹传播在网络上并没有显著超过50%的疲劳寿命,而脆性web骨折超过了阈值。双线性疲劳反应是观察到碳纤维增强塑料和钢铁之间的接口,和强度取决于数量的疲劳周期和外加应力的范围。吴et al。4]人为切口钢梁的疲劳特性研究了4种不同的材料在抗拉刚度。试验结果表明,纤维增强复合材料板的应用不仅可以延迟裂纹萌生,降低裂纹扩展速率,延长疲劳寿命,但也减少刚度衰减和残余挠度。Yu et al。5]研究了碳纤维增强塑料盘子的有效性延长钢结构的疲劳寿命。实验结果表明,碳纤维增强塑料补丁可以有效地减缓裂纹扩展和延长疲劳寿命和后来的加强会延长剩余疲劳寿命水平更重要的是在更大的伤害。Bocciarelli和Colombi6]提出了一种简单的方法计算钢与碳纤维布加固梁的弹塑性响应。钢筋部分的主要结论是,必须实现一个大曲率为了发展其极限弯矩的阻力,因此有必要使用加强剂,以避免当地网和法兰不稳定问题。Hmidan et al。7)研究的有关性质W4×13钢梁与宽法兰钢筋加固效果。结果表明,层数和模量碳纤维增强塑料有关加强梁的塑性的影响。Colombi et al。8]对裂缝进行了疲劳试验钢板(单个边缘标本)加强条连着一个身边。结果表明,CFRP材料粘结针的尖端领域长期受损的钢铁元素的疲劳寿命约3倍。Ghafoori和Motavalli9)进行了实验和数值研究lateral-torsional屈曲(LTB)的碳纤维布加固钢梁分层与正常模量(NM)。它表明,增加预应力碳纤维增强塑料层压制品并不总是增加细长钢筋梁的抗弯强度。王等人。10)使用碳纤维增强塑料和预应力碳纤维增强塑料表修复-复合梁。结果表明,钢筋屈服载荷的复合梁加固效果没有明显影响,但极限载荷是影响加固效果。Colombi和蚕豆119日)进行疲劳载荷碳纤维增强塑料钢筋断裂的钢梁。实验结果显示,有脱胶面积钢筋和钢基体裂纹之间的位置。脱胶显然有不利影响强化效果。戈拉米et al。12)评估工形截面钢的性能与应用于碳纤维布加固梁板底部法兰后暴露在不同条件(包括自然热带气候,干/湿循环,平原水、盐水、和酸性溶液)。发现粘结层是系统的重要组成部分,直接关系到系统的性能,和所有加强梁的延性增加曝光。Aljabar et al。13]扩展现有的碳纤维增强塑料的知识加强钢拉伸疲劳载荷作用下元素的混合张力和剪切载荷。为了描述混合模式对裂纹扩展的影响,发现一个转移的现象。混合模式修改因素是发达的疲劳寿命估计CFRP-strengthened钢板与初始裂纹倾向。胡锦涛et al。(14)提出了CFRP-strengthened钢结构疲劳设计指南和程序。结果表明,碳纤维增强塑料是有效的在加强钢结构疲劳。碳纤维增强塑料可以延长在一定加载条件下的疲劳寿命或增加容许应力范围时需要一定的疲劳寿命。Yousefi et al。15]介绍了失效分析的实验和数值结果和结构行为取得工字梁钢筋的粘结碳纤维增强塑料盘子在静载荷。结果表明,碳纤维增强塑料失效模式在加强不足的工字梁包括end-debonding,下面点负载脱胶、分裂和分层。Jankowiak和Madaj16)使用被动方法计算复合与预应力碳纤维布加固梁条由有限元分析。结果表明,不同的初始应变值没有影响的改善复合梁的极限承载力和刚度。使用碳纤维增强塑料条加强复合梁可以减少裂缝的数量和宽度,可以显著提高结构的耐久性。奥马尔et al。17178)使用测试和有限元分析模型,包括6个变量代表常见问题参数:web的长细比,工字梁的两侧对称的比率,碳纤维增强塑料的面积,碳纤维增强塑料的弹性模量,碳纤维增强塑料的抗拉强度,碳纤维增强塑料板材的长度。参数研究表明加固效果非常有效地加强紧凑的两侧对称的部分,而增强与noncompact梁部分非常小。加固效果能够达到其极限强度足够的键长是保证。分析方法计算钢工字形的梁钢筋的弯曲强度与加固效果提出了张力法兰。Bocciarelli et al。18]提出的分析和数值模型elastobrittle粘合剂评估钢筋的应力和应变分布在给定裂纹长度。实验的结果被认为是来验证提出的数字和分析技术。计算结果与实验结果良好的协议,与该模型的准确性。Martinelli et al。19]研究了纤维增强聚合物(FRP)复合材料的粘结行为粘钢衬底通过实验和数值模拟。结果表明,合并的提议的粘结滑移关系数值模型对计算结果有很大影响。因此,它是重要的识别现实的粘结滑移关系不同胶粘剂类型和养护条件下(通过进行实验测试)。执行参数研究暗示使用玻璃钢复合材料弹性模量或应用程序较高的厚增加预应力FRP加固结果发布/ lap-shear FRP-to-steel保税关节的能力,只要有足够的键长。李等人。20.)测试8切口与碳纤维布加固钢梁板下遭受重载后四点弯曲疲劳和/或400润湿干燥周期(鲸鱼与海豚保护协会)与3.5 wt %氯化钠溶液。实验结果表明重载疲劳和/或鲸鱼与海豚保护协会的显著改进的钢梁的力学性能的影响。超载破坏梁的强度和刚度被鲸鱼与海豚保护协会的不断退化,而梁没有过载损坏只遭受了第一个90鲸鱼与海豚保护协会。应变分布的观察和剥离失效模式,鲸鱼与海豚保护协会发起沿钢梁脱胶/胶接口和退化的粘合剂粘结表面。同时,过载损伤主要发生在碳纤维增强塑料的缺口,导致债券退化板/粘合界面,这引起盐溶液渗透,从而进一步退化的粘合剂。

摘要张力法兰部分锯跨模拟钢梁的伤害。和加固效果或预应力加固效果是连着下侧的法兰钢梁恢复承载力和弹性刚度测试。因为测试不能考虑所有参数,有限元software-ABAQUS被用来分析负载的变化,挠度和应力在不同参数下钢梁的长度。

2。实验程序

总共有四个受损的钢梁编造的。的钢梁是典型的中国标准钢I14A的深度是140毫米,凸缘的宽度是80毫米,凸缘的厚度和web 9.1毫米和5.5毫米,分别和截面面积是2150毫米²。钢铁部分切成1.6米长横梁和两个不同的受损程度的失去张力法兰被削减50%和100%的中跨钢梁,如图1 (b)。拉伸试验的工字形的钢。工字形的钢的屈服强度、抗拉强度256 MPa和423 MPa,分别。外部保税加强系统本研究选择高强度碳纤维增强塑料表。碳纤维增强塑料薄片的厚度是0.167毫米,宽50毫米,长度是1300毫米。加固效果进行了拉伸试验,平均抗拉强度3456 MPa;弹性模量是258 GPa。用于粘贴碳纤维增强塑料的树脂胶板是用碳纤维增强塑料表匹配,及其抗剪强度为19.4 MPa。两个不同的依恋模式,即碳纤维增强塑料表和预应力碳纤维增强塑料表。预应力是应用于加固效果通过白手起家的拉伸床。 Implementation method: fixed CFRP sheets by two steel slabs with four bolts at the end of stretching bed and four screws which could move up and down; applied prestress to the CFRP sheets by raising the supports horizontally, as shown in Figure2。预应力加固效果或碳纤维增强塑料表贴在紧张的底部法兰,然后粘贴u形箍加固效果,确保年底可以固定在钢梁加固效果。钢梁的详细参数表1。钢铁梁在四点弯曲加载与500毫米间距两个集中加载点和两个相同剪跨的500毫米。使用橡胶轴承支持。加载应用的全宽的钢梁上翼缘分布梁之间放置橡胶轴承在钢梁的顶部。四点弯曲试验用液压千斤顶进行,如图3。单调采用分级加载试验。和每个阶段的负载是2 kN。标本接近失败时,缓慢而连续加载,直到样品被毁。

3所示。测试结果

3.1。失效模式

修钢梁与胶着地粘结预应力碳纤维增强塑料表或碳纤维增强塑料表可以显示四个不同失效模式包括上翼缘屈曲;碳纤维增强塑料表的部分脱胶;碳纤维增强塑料板材破裂与上翼缘屈曲;碳纤维增强塑料板材破裂。

因为没有碳纤维增强塑料薄板保税,SB0的失败上翼缘屈曲。碳纤维增强塑料表与上翼缘屈曲发生破裂CFSB2因为预应力碳纤维增强塑料表保税,CFSB1的失效模式是部分碳纤维增强塑料表脱胶和部分破裂。CFSB3的失效模式是碳纤维增强塑料表脱胶和底部法兰的部分严重的受损程度CFSB3比其他人更大。失效模式如图4。

3.2。预应力碳纤维增强塑料表的影响

图5(一个)显示了加载和跨中挠度的钢梁SB0 CFSB1。CFSB1加强预应力碳纤维增强塑料板材和SB0没有加强。的屈服载荷CFSB1 SB0大于18.1%,和SB0的刚度大于28.8%。的极限载荷CFSB1 SB0大于17.1%。结果表明,环氧树脂粘合预应力碳纤维增强塑料薄板显著增加屈服载荷,极限承载力和刚度的受损的钢梁。

3.3。受损程度的影响

图5 (b)显示了加载和跨中挠度的钢梁CFSB1 CFSB3。CFSB1加强钢梁与50%受损水平和CFSB3是加强钢梁受损的水平为100%。的屈服载荷和极限载荷CFSB1,分别CFSB3高于57.6%和58.7%,CFSB3的刚度大于55.6%。它表明,刚度、屈服载荷和极限载荷时可以减少约50%受损水平增加一倍。

3.4。预加应力的影响

图5 (c)显示了加载和跨中挠度的钢梁CFSB1 CFSB2。CFSB1加强梁预应力碳纤维增强塑料钢板和CFSB2加强碳纤维增强塑料梁钢板。的刚度CFSB1 CFSB2大于16.1%。分别屈服载荷和极限载荷大于CFSB2的7%和1%。它表明,预应力刚度有显著影响,但屈服载荷和极限载荷的影响不大。

4所示。数值分析

4.1。材料特性

以下4.4.1。钢梁

钢梁被认为是一种弹塑性材料相同的张力和压缩,如图6和应力应变的关系 在哪里 , , , , , , , 钢的弹性模量,是钢的屈服强度,是钢的强度极限。

4.1.2。碳纤维增强塑料表

被认为是一种正交各向异性材料的碳纤维增强塑料表如图7和应力应变的关系 在哪里碳纤维增强塑料薄板的应变,碳纤维增强塑料薄板的压力,碳纤维增强塑料的容许极限应变片,是碳纤维增强塑料薄板的弹性模量。

4.2。模型开发

使用有限元分析软件进行数值分析。模型的几何和装货安排采用梁按照实验测试。创建一个三维的元素(C3D8R)钢梁和贝壳元素(SR4)碳纤维增强塑料表如图8。

4.3。预加应力

温度下降方法用于有限元分析预应力碳纤维增强塑料表和温度和载荷之间的关系 在哪里是温度,是碳纤维增强塑料的线膨胀系数表,碳纤维增强塑料薄板的弹性模量,碳纤维增强塑料薄板的截面积,是负载温度下降。

4.4。应力分析

图9显示的载荷和挠度曲线与碳纤维布加固梁钢板受损。载荷挠度曲线是非线性的,它包括三个阶段:弹性阶段、弹塑性阶段,和塑料的阶段。加强钢铁梁在弹性阶段,挠度增加慢慢随着负载的增加。当加强钢梁在弹塑性阶段,挠度增加很快随着负载的增加。当加强钢梁在塑性阶段,挠度增加很快,但负载增加。

图10显示了钢梁的应力图像和碳纤维增强塑料薄板。当负载达到约33% Pu(聚氨酯是极限荷载),钢梁的下翼缘了。但由于碳纤维增强塑料板材,产生区域受到限制。当负载达到约66% pu,钢梁上翼缘的产生。产生了区域发展迅速。负载达到极限荷载时,加强钢梁是失败了。

图11显示压力沿钢梁长度的关系,压力沿钢梁宽度,沿着碳纤维增强塑料板材的长度和压力。钢梁的方向长度,最大应力出现在中跨和加载点。在A点,最大拉应力出现在中跨和压力的压力几乎是相同的在中跨和加载点的。B点,压力加载达到最大,压力在中跨几乎相同的点B和c的方向钢梁宽度,最大拉应力出现在中跨的中心和压力的压力几乎是相同的在a点压应力最大装载点和中心的强度几乎是相同的在a点B点,切口几乎一样的拉应力在中跨中心。在C点,最大拉应力出现在中跨的切口和最大拉伸和压应力出现在装载点的中心。压力压力几乎是相同的点在中心B和c .碳纤维增强塑料板材的最大压力总是出现在中跨。在A点,碳纤维增强塑料薄板的应力是几乎一样的其他地方。但在B点,装载点的压力比其他地方大得多。在C点,装载点的压力达到最大,但它仍然是较小的中跨的压力。

4.5。挠度分析

图12显示了加强钢梁的挠度形象。当钢梁的下翼缘屈服,偏转约3毫米和钢梁上翼缘成为产生时,偏转约7毫米。当加强钢梁失败(钢梁的下翼缘断了),最后偏转是42.8毫米。

4.6。数值分析结果和试验结果之间的比较

图13展示了简比较计算结果和测试结果。计算结果和测试结果相比,协议也实现了无论裸钢梁,加强碳纤维增强塑料,与预应力碳纤维布加固或表。

4.7。参数分析

4.7.1。受损程度的钢梁

图14显示了加强钢铁梁的载荷挠度关系不同的受损程度。加强钢铁梁的刚度10% - -90%受损的水平,分别为49.1%,47.1%,44.5%,41.7%,37%,34.3%,36.5%,23.7%,和16.2%比加强钢梁受损的水平为100%。和加固钢梁的极限荷载与10% - -90%受损的水平,分别为82.8%,75.8%,68.4%,60.3%,48.1%,42.1%,32.9%,22.2%,和11.5%大于加固钢梁的受损程度为100%。当钢梁与10%受损水平加强50毫米宽度碳纤维增强塑料板材,承载力可能超过钢梁没有损伤。最大拉伸和压应力出现在中跨。受损的水平10% - -70%时,拉伸和压应力几乎是一样的。受损的程度大于80%时,装载点的拉力和压力的压力迅速降低,但拉应力在中跨几乎是一样的其他损坏的水平。碳纤维增强塑料表中跨中最大的压力和压力随着受损程度的增加而减少。

4.7.2。钢梁翼缘宽度

图15显示的载荷挠度关系加强了钢梁翼缘宽度不同。加强钢铁梁的刚度60毫米,70毫米,80毫米,90毫米,100毫米,105毫米法兰宽度,分别为17.8%,25.5%,31.5%,35.5%,40.1%,和41.8%比加强钢梁与50 mm法兰宽度。加强钢铁梁的极限荷载60毫米,70毫米,80毫米,90毫米,100毫米,105毫米法兰宽度,分别为4%,26%,36.9%,48.5%,59.6%,和64.5%比加强钢梁与50 mm法兰宽度。凸缘宽度是≤80毫米时,载荷挠度曲线增加线性弹性钢梁后产生了。法兰宽度≥80毫米时,钢梁屈服后,随着偏转的增加,负载将不变。法兰宽度≥105毫米时,加强了钢梁会失败了。与法兰宽度的增加,钢梁的抗拉应力逐渐降低,但降低幅度并不大。装载点的压应力逐渐降低,但压力中跨的压力基本不变。法兰宽度大于80 mm时,碳纤维增强塑料薄板的跨中应力大大增加,但在加载点的应力增加。钢梁屈服后,负载和法兰宽度大于80毫米的变形曲线不同的法兰宽度小于80毫米。 This was because the utilization rate of CFRP sheet increased when the flange width was larger than 80 mm.

4.7.3。钢梁的法兰厚度

图16显示的载荷挠度关系加强钢梁与不同的法兰厚度。加强钢铁梁的刚度6 mm-14毫米法兰厚度,分别为15.2%,21.4%,26.7%,31.1%,34.9%,38.4%,41.1%,43.5%,和45.9%比加强钢梁与法兰厚度5毫米。和加强钢铁梁的极限荷载6 mm-14 mm法兰厚度,分别为9.7%,18.4%,26.9%,35%,43%,51%,58%,64.9%,和71.9%比加强钢梁与法兰厚度5毫米。极限承载力会增加约8%时,法兰厚度每增加1毫米。与法兰厚度的增加,加载点的拉应力和压应力逐渐降低。碳纤维增强塑料薄板的应力是最大的中跨,其次是装载点。法兰厚度越大,碳纤维增强塑料板材的利用率就越高。

4.7.4。Web钢梁厚度

图17显示了加强钢铁梁的载荷挠度关系不同的web厚度。加强钢铁梁的刚度4 mm-12毫米厚度,分别为12.7%,17.2%,21.9%,24.8%,28.1%,31%,33.9%,35.9%,和38.3%比加强钢梁与web厚度3毫米。和加强钢铁梁的极限荷载4 mm-12毫米厚度,分别为7.5%,12.4%,19.3%,23.8%,29.5%,35.2%,40.8%,45.4%,和51.1%比加强钢梁与web厚度3毫米。极限承载力会增加大约8%当web每1毫米厚度增加。随着web厚度的增加,中跨钢梁的抗拉应力逐渐降低,和加载点的拉应力逐渐增加。压力压力加载的钢梁web厚度的增加而增加。压力的降低,碳纤维增强塑料薄板的web厚度的增加,表明web厚度的增加可以降低碳纤维增强塑料板材的利用率在某种程度上。

4.7.5。碳纤维增强塑料的厚度表

图18显示的载荷挠度关系加强梁不同的碳纤维增强塑料钢板的厚度。加强钢铁梁刚度的0.15 mm - 0.55 mm碳纤维增强塑料薄板的厚度,分别为9.4%,11.6%,14.2%,15.8%,17.7%,19.3%,21.5%,22.4%,和23.9%大于加强0.1毫米碳纤维增强塑料梁钢板的厚度。和加固钢梁的极限载荷为0.15 mm - 0.55 mm碳纤维增强塑料薄板的厚度,分别为3.1%,5.6%,8.3%,10.9%,13.3%,15.7%,18.1%,20.3%,和22.5%大于加强0.1毫米碳纤维增强塑料梁钢板的厚度。极限承载力会增加大约3%碳纤维增强塑料薄板的厚度增加每0.05毫米。钢梁的拉应力和压应力都是最大的中跨装载点,和拉应力和压应力的变化与碳纤维增强塑料薄板的厚度是不明显的。碳纤维增强塑料薄板的应力是最大的中跨,其次是装载点。碳纤维增强塑料板材的利用率降低,碳纤维增强塑料薄板的厚度的增加。

4.7.6。碳纤维增强塑料板材的宽度

图19显示的载荷挠度关系加强梁不同的碳纤维增强塑料钢板的宽度。的刚度加强20毫米- 70毫米碳纤维增强塑料梁钢板的宽度分别为8.5%,10.4%,11.8%,12.6%,14.7%,和15.8%大于加强10毫米碳纤维增强塑料梁钢板的宽度。和加强钢梁的极限荷载与20 mm - 70 mm碳纤维增强塑料板材的宽度分别为1.9%,4.2%,5.8%,6.6%,9.4%,和10.9%大于加强10毫米碳纤维增强塑料梁钢板的宽度。极限承载力会增加大约3%碳纤维增强塑料板材的宽度增加每10毫米。碳纤维增强塑料板材的宽度的变化对拉应力和压应力影响很小,但影响装载点附近的拉应力和压应力在跨中附近。碳纤维增强塑料板材的宽度的增加碳纤维增强塑料薄板的应力产生了很大的影响。提高碳纤维增强塑料板材的宽度可以提高碳纤维增强塑料板材的利用率。

4.7.7。预应力碳纤维增强塑料薄板

图20.显示的载荷挠度关系加强与不同的预应力钢束的程度。加强钢铁梁刚度的7%,13%,20%,和30%的预应力度,分别为3.5%,5.7%,7.5%,和11.5%大于加强与0预应力钢束的学位。和加强钢铁梁极限荷载的7%,13%,20%,和30%的预应力度,分别为1.5%,3.6%,5.6%,和8.3%大于加强与0预应力钢束的学位。极限承载力将增加约1.5%,当预应力度增加约7%。拉应力的变化中跨钢梁是最大的,和压力的压力改变了小在中跨和装载点,但跨距中点附近的压力压力略有改变。碳纤维增强塑料薄板的压力增加了预应力度的增加。预应力度增加约7%,碳纤维增强塑料薄板的压力将增加约3%,表明预应力度的增加可以显著提高碳纤维增强塑料板材的利用率。

5。结论

(1)测试结果表明,束修复与预应力碳纤维增强塑料钢板或碳纤维增强塑料表可以显示四个不同失效模式包括上翼缘屈曲;碳纤维增强塑料表的部分脱胶;碳纤维增强塑料板材破裂与上翼缘屈曲;碳纤维增强塑料板材破裂。受损的水平刚度有显著影响,屈服荷载和极限荷载。和预应力碳纤维增强塑料表可以提高承载能力。(2)通过比较计算结果和测试结果,协议也实现了无论裸钢梁,加强碳纤维增强塑料,与预应力碳纤维布加固或表。载荷挠度曲线是非线性的,它包括三个阶段:弹性阶段、弹塑性阶段,和塑料的阶段。(3)数值分析结果表明,受损的水平有一个明显的刚度和极限承载力的影响。当受损的水平为10%,加固后的承载力可能超过钢梁没有损伤。法兰宽度≥80毫米时,钢梁屈服后,随着偏转的增加,承载能力将不变。法兰宽度≥105毫米时,加强了钢梁会失败了。承载力将增加约1.5%,当预应力度增加约7%,碳纤维增强塑料薄板的压力将增加约3%。

数据可用性

部分或全部数据、模型或代码生成中使用的研究可从相应的作者的请求。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

作者要感谢辽宁省教育部青年(没有。LJ2020QNL006)和开放基金项目教育部重点实验室的灾难和控制重大工程、暨南大学(20200904012)。

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