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碳纤维加固钢桥面板U肋对接焊缝疲劳试验  PDF

  • 吕志林 1
  • 姜旭 1
  • 杨燕 2
  • 强旭红 1
  • 张冠华 3
1. 同济大学 土木工程学院, 上海 200092; 2. 中国建筑第八工程局有限公司,上海 200135; 3. 辽宁省交通规划设计院, 辽宁 沈阳 110166

中图分类号: U445.7

最近更新:2023-08-07

DOI:10.11908/j.issn.0253-374x.22056

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摘要

为探究钢桥面板U肋对接焊缝的疲劳开裂机理与修复加固方法,设计了2个带嵌补段的足尺单U肋试件模型,通过模型试验研究了该细节的疲劳破坏模式和实际疲劳抗力。随后,基于线弹性断裂力学方法建立碳纤维增强复合材料(CFRP)加固对接焊缝裂纹模型,通过数值模拟分别研究了CFRP布层数、CFRP布尺寸对疲劳性能的影响。最后,针对U肋对接焊缝介绍粘贴CFRP布无损修复方法和施工工艺流程,并对CFRP布粘贴修复后的裂纹试件进行疲劳测试。结果表明:U肋对接焊缝的疲劳易损点均出现在U肋圆弧过渡处,平均疲劳强度仅为59.7 MPa。经3层CFRP布修复后,不同损伤程度的焊缝疲劳强度约为未加固试件的0.8~2.6倍。粘贴CFRP布能够有效改善钢桥面板U肋对接焊缝的疲劳性能,且满足实桥无损修复的需求。

正交异性钢桥面板因其结构自重轻、承载力高和施工快速等优点,已经成为国内外大跨径桥梁桥面板结构形式的第一选

1-2。然而,随着重载交通的增长以及焊接初始缺陷的影响,正交异性钢桥面板在服役过程中相继出现疲劳开裂问3-5。纵肋作为钢桥面板重要的受力构件,在车轮荷载作用下反复发生纵向挠曲变形,因此纵肋对接接头成为典型的疲劳易损细节之一。

当前纵向加劲肋连接形式一般为钢衬垫对接焊和高强螺栓连接。早期建成的钢桥面板纵肋对接形式多采用焊接连接,其嵌补段一般位于2个横隔板间1/5~1/4处,即纵肋反弯点位

6。然而,当车轮沿纵桥向行驶时,纵肋底部的带垫板条对接焊缝仍处于较大拉应力状态,加上现场仰焊质量难以保证,存在熔透不足等焊接缺陷,国内外现场实桥和试验研究均表明此纵肋焊接接头在循环往复荷载作用下容易产生疲劳裂7-9。虽然相关统计表明,工地现场纵肋对接接头的疲劳裂纹数量仅占整个正交异性钢桥面板疲劳裂纹总数的6.3%10,但纵肋对接接头一旦开裂,原有纵肋承担的纵向应力会转移到顶板和相邻的纵肋上,同时容易加剧桥面板和横隔板面外弯曲等不利变11,进而对邻近嵌补段结构的疲劳抗力产生不利影响。由此可见,纵肋对接接头的疲劳性能对实桥安全运营至关重要,因此有必要针对纵肋对接接头的疲劳开裂问题开展高效可行的修复技术研究。

传统的钢桥疲劳裂纹修复方法包括钻孔止裂法、裂纹焊补法和钢板补强

12。钻孔止裂法是通过去除裂纹尖端塑性区来抑制裂纹扩展,但由于止裂孔边缘会形成新的应力集中点,因此往往存在二次开裂的风险。唐亮13在U肋拼接段疲劳裂纹尖端设置10 mm止裂孔,仅进行7万次循环荷载后发现新的疲劳裂纹在止裂孔边萌生并扩展,止裂效果短暂。裂纹焊补法是对既有焊接细节或疲劳裂纹进行局部研磨或切削后进行重新焊接。苏庆田14对组合桥面板U肋对接焊缝疲劳裂纹铣刨后进行补焊,疲劳试验结果表明:200万次作用下焊缝的疲劳强度为82.6 MPa,满足现行规范要求。然而,该操作方法难免对实桥结构造成损伤,并不可避免地引入焊接残余应力。钢板补强法是利用焊接、栓接或粘接的方法将外加钢板与既有结构相连,使钢板承担部分荷载并限制裂纹表面在疲劳荷载下的变形。Wang15选用3 400 mm×180 mm×10 mm钢板对U肋拼接段平底板疲劳裂纹进行粘贴修复,结果表明粘贴钢板能有效遏制裂纹扩展,疲劳寿命可提升为原来的70%。由于使用重型钢板或型钢会增加结构自重和腐蚀损伤的风险,同时现场施工相对操作不便,因此对设备要求较高。另外,该方法适用于平整钢板(如横隔板)的开裂加16,针对裂纹出现在圆弧过渡段的U肋对接焊缝,由于补强板难以与原结构密贴,其加固效果值得商榷。张清华17提出通过栓接铁基形状记忆合金板并采用通电热激励方式使其产生预应力,旨在实现纵肋对接焊缝疲劳开裂的主动加固,但目前该方法尚处在理论研究和有限元分析阶段,止裂效果需进一步试验验证。除此之外,栓接工艺需在损伤区域打孔进而削弱构件截面,由此可能引入新的疲劳源。

近年来,碳纤维增强复合材料(CFRP)由于轻质高强、良好的耐腐蚀和抗疲劳性能以及可设计性好等优点而受到工程加固领域设计者的青睐。国内外大量研

18-19表明,CFRP能有效降低疲劳裂纹尖端应力强度因子,进而通过减小裂纹扩展速率来达到延长结构使用寿命的目的。研究CFRP加固参数时发现,CFRP布粘贴的层数越多,CFRP对限制钢结构疲劳裂纹发展就越有效,粘贴3层CFRP布比仅粘贴1层CFRP布的钢板疲劳寿命提高了77.80%20,但当CFRP布层数过多(大于5层)时,其疲劳寿命提升效果逐渐降21。相比常规弹性模量CFRP,高弹性模量CFRP增强裂纹钢板的疲劳寿命更长,而且修复效果能达到预应力CFRP修复的水22。然而,这些研究大多聚焦于CFRP加固钢构件层面,关于CFRP加固焊接接头的研究较23,外贴CFRP布已被证实对焊缝疲劳强度的提高和裂纹张开位移的限制行之有24。Tong25采用CFRP布对34个未开裂的狗骨式对接焊缝试件进行单面和双面补强,随后开展等幅拉伸疲劳荷载试验研究,结果表明采用CFRP布加固对焊接头的疲劳寿命比未加固试件的疲劳寿命提高了约1~10倍。其中,粘贴3层双面CFRP布加固效果最佳,200万次疲劳强度提高34%。因此,对于无开裂构件,采用CFRP布进行加固也可起到预防性维护作用。

目前国内外学者针对CFRP加固损伤钢构件或焊接接头主要是采用小尺寸的平钢板或狗骨式试件进行试验研

20-25,往往通过引入人工预制裂纹的方式来考虑初始损伤,难以模拟真实裂纹;另外,大多较小尺寸试件的疲劳加固试验仅考虑面内拉伸荷载,尚未考虑面外弯曲应力,研究得到的加固效果可能偏安全,无法真实反映实际结构的情况,因而少有研究可直接被钢桥面板U肋对接焊缝的疲劳加固借鉴。为此,设计了足尺U肋嵌补段对接接头试件,通过往复荷载作用产生真实疲劳裂纹,随后利用CFRP布进行加固以评价疲劳性能改善效果。

1 试验方案设计

1.1 试件设计

以某悬索桥(跨径布置为470 m+1 490 m+470 m)钢箱梁对接焊缝为工程背景,共设计2个足尺单U肋试验模型。试件沿桥梁纵轴截取一个横隔板间距,垂直轴线方向取各300 mm部分,并使U肋嵌补段一侧对接焊缝处于试件正中;同时,支承处受到较大支反力,有可能导致支承板屈曲,为此在试件两端处各设置两道横隔

10,如图1所示。其中,顶板厚14 mm,横隔板厚12 mm,底板厚12 mm,U肋尺寸为300 mm×280 mm×6 mm。根据现场情况,U肋嵌补段长度为400 mm,背垫板宽度和厚度分别为60 mm和4 mm。试件材质均为Q345钢材,制造工艺、板件厚度及构造细节参数均与实桥一致。为方便试件固定在试验台座,在两侧横隔板下方设置底板,同时考虑实际边界条件,对两边支承底板进行简支约束,即约束纵桥向、横桥向和竖向的位移。

图1  试件三维模型(单位:mm)

Fig.1  Three-dimensional model of the specimen(unit:mm)

1.2 加载装置及测试方案

本试验采用同济大学结构实验室的PMS‒500液压脉动疲劳试验机,加载频率为4 Hz。试件采用跨中单点加载方式,车轮加载面积为600 mm×200 mm,并在作动器和顶板之间放入橡胶垫板来模拟车轮轮胎与顶板的接触作用。模型试验共分为2个阶段,阶段Ⅰ为疲劳开裂试验,阶段Ⅱ为疲劳加固试验,相关加载装置如图2所示。

图2  加载装置

Fig.2  Loading device

模型测试内容主要为应变测量。测点布置应选择受力最为明显、疲劳裂纹易于萌生的部位。本试验分别在嵌补段底端焊缝两侧以及顶板U肋疲劳易损部位布置应变测点以观察疲劳应力变化特征。同时,为了避免焊缝处应力集中效应,在远离焊缝的位置即嵌补段中心以及四分之一跨截面底部也布置测点。焊缝处测点取距离焊趾约15 mm的位置,具体各测点布置见下文。除此之外,采用辅助设备高清摄像头对细节位置进行实时监测,用以判断试验疲劳开裂情况。

2 疲劳开裂试验

2.1 测点内容

结合确定的加载方案和仿真分析结果,2个试件所关注区域内各个应变测点的位置和编号如图3所示。设定嵌补段跨中对接焊缝为A截面、顶板对接焊缝为B截面,嵌补段另一条对接焊缝为C截面。为了便于记忆,这里设置编号规则UX‒Y‒Z,X表示试件号,Y表示截面测点位置,Z表示具体的测点编号。如U1‒Ab‒5表示试件U1下A截面上b位置5号测点。

图3  应变测点布置

Fig.3  Arrangement of strain gauges

2.2 阶段加载历程与试验结果

按照应力等效原则同时兼顾试验效率,疲劳开裂试验的荷载幅取为产生规范规定的疲劳细

26下相应荷载幅的1.5~2.5倍,2个试件的具体加载历程如表1所示。对试件U1和U2进行等幅疲劳加载时,前期试件表面没有发现疲劳裂纹,最终所有试件均因嵌补段U肋对接焊缝开裂而导致破坏。限于篇幅,此处仅给出疲劳开裂处附近关键测点的实测应力幅与循环次数的关系,如图4所示。应力幅变化历程表明,在出现裂纹之前,各测点截面的应力幅随循环次数变化均匀。随着疲劳损伤的加剧,疲劳开裂区域测点应力幅发生重分布,开裂点处应力幅迅速降低,相邻位置未裂测点的应力幅迅速增大。如U1焊缝C圆弧过渡处b点在开裂之后应力幅逐渐降低,a点应力幅随着裂纹的开展逐渐增大。由于不同部位的焊接质量不同造成焊缝两侧部分测点实测值存在差异,应力最大值并不一定出现在纵肋底部中心点,而可能出现在纵肋底部圆弧过渡点处。

表1  阶段加载历程
Tab.1  Loading process of stage
试件编号疲劳荷载/kN停机循环次数/104
U1 25~75 49
U2 20~80 3

图4  疲劳开裂区域关键测点应力幅与循环次数关系

Fig.4  Relationship between stress amplitude and cycle number at key points in fatigue cracking area

最终U1试件在荷载幅50 kN作用下经39万次便在C焊缝腹板表面过渡圆弧处发现了80 mm长的疲劳裂纹,随后继续加载约10万次,原有C焊缝表面裂纹继续向两侧扩展了265 mm,同时在跨中A焊缝腹板过渡圆弧表面处也发现了90 mm长的疲劳裂纹。试件U2在荷载幅60 kN作用下仅加载3万次便在纵肋底部圆弧过渡处焊缝出现一条肉眼清晰可见的疲劳裂纹,长度为70 mm。2个试件最终裂纹形态如图5所示。

图5  焊缝疲劳裂纹

Fig.5  Fatigue cracks at weld joints

2.3 焊缝疲劳强度评定

根据前述对焊缝应力幅变化历程的分析,以率先开裂点处焊缝两侧测点平均应力为参考名义应力,取观测到裂纹时的加载次数为试件疲劳寿命,然后基于Miner损伤准则计算得到一个与原构造细节损伤度相等的等幅循环应力幅。同时,按照Eurocode规定的疲劳强度曲线

26计算实际焊缝的疲劳强度,计算结果如表2所示。U1嵌补段2条焊缝均出现疲劳裂纹,并且两者等级接近于欧洲规范规定的71 MPa强度等级。U2试件经200万次换算后的疲劳强度仅为41.1 MPa,不满足相关规范等级要求。分析焊缝质量可知,试件焊缝形状宽度和余高不均匀,尺寸存在突变。后续在对焊缝打磨和切除后发现,焊缝内部存在一些气孔夹渣和未熔透等焊接缺陷(见图6),因此造成该对接焊缝疲劳强度较低。

表2  焊缝强度计算评定
Tab.2  Strength estimate of weld joints
试件编号加载至开裂次数/104等效应力幅/MPa200万次疲劳强度/MPa
U1焊缝C 39 118.1 68.5
U1焊缝A 49 110.9 69.4
U2焊缝A 3 166.5 41.1

图6  试件焊接缺陷

Fig.6  Welding defects of the specimen

3 有限元分析

为了分析CFRP布相关加固参数对含裂纹试件疲劳性能改善的影响,基于U2试验结果,采用Abaqus软件建立含裂纹的加固模型。其中,裂纹采用静态裂纹“seam”模拟,裂纹长度为70 mm。由于裂尖应力具有奇异性,因此裂纹前缘单元考虑采用退化的三角形单元S3模拟,其余单元均采用S4R模拟。全局网格为10 mm,其中裂纹尖端处网格为0.5 mm,并在附近采用2 mm网格进行过渡,如图7a所示。利用“composite-layup”创建3层CFRP布,每层厚0.167 mm,铺角均为90°,如图7b、c所示。结构胶采用S4R单元模拟,胶层厚0.55 mm。钢板、胶层和CFRP布之间采用绑定约束连接,不考虑界面滑移失效。施加荷载取为60 kN。试验中钢板、CFRP布和胶层相关材性指标如表3所示。计算分析中将考虑CFRP布层数、CFRP布粘贴长度2种加固参数在CFRP布整幅包覆加固方式下对裂纹尖端应力强度因子的影响。

图7  有限元计算模型

Fig.7  Finite element model

表 3  材料特性
Tab.3  Material properties
材料特性厚度/mm屈服强度/MPa抗拉强度/MPa弹性模量/MPa剪切模量/MPa泊松比
Q345钢板 ≥345 206 000 0.3
HM‒30 CFRP布 0.167(单层) 3 668.0 240 000 13 000 0.3
纤维浸渍胶 0.55 53.1 2 490 0.3

为方便比较,引入量纲一的疲劳加固系数Rk来表征加固材料的疲劳加固效果,计算式如下所示:

Rk=1-KI,SKI,U×100% (1)

式中:KI,U为试件加固前裂纹尖端的应力强度因子;KI,S为试件加固后裂纹尖端的应力强度因子。分析可知,加固系数Rk越接近于100,加固效果越好。若Rk大于100,则表明加固后应力强度因子存在负值,裂纹处于受压闭合状态,加固效果最佳。

考察CFRP布相关加固参数对加固系数的影响,如图8所示。暂取粘贴长度200 mm,分别建立层数为1~7层CFRP布粘贴加固下的有限元模型。随着CFRP布层数的增加,加固系数迅速增加,但疲劳加固效果逐渐减弱,并且裂纹尖端1的加固效果明显高于裂纹尖端2。另取纤维层数3层,改变CFRP布粘贴长度进行数值分析,结果如图8b所示。加固系数Rk随CFRP布粘贴长度变化基本不变,表明CFRP布层数对结构疲劳加固效果较CFRP布粘贴长度影响大。实际加固中考虑到粘贴锚固的需要以及操作的便利

2025,因此试验初定CFRP布层数为3层、粘贴长度为250 mm。

图8  CFRP布加固参数对加固系数影响

Fig.8  Effect of CFRP strengthening parameters on strengthening coefficient

4 加固方案及流程

CFRP布可弯曲缠绕成型,因此对各类曲面结构或复杂结构的加固优势明显。CFRP布加固试件分别命名为SU1和SU2。结合有限元参数分析,选择3层CFRP布,确定粘贴长度为250 mm。针对U1嵌补段一侧较长的疲劳裂纹,由于CFRP的常见最长模数宽度仅为500 mm,因此采用多块CFRP布搭接交叉包覆粘贴;对试件U2底部较短的疲劳裂纹,选择局部粘贴,如图9所示。在纤维长度方向取不同长度进行错层粘贴来保证一定的粘贴锚固要求。因此,从底层到面层的CFRP布尺寸分别为150 mm×500 mm,200 mm×500 mm和250 mm×500 mm,如图9c所示。加固材料均由上海悍马建筑科技有限公司提供,其中CFRP布为HM‒30高强Ⅰ级碳纤维布,结构胶采用配套的HM‒180C3P碳纤维浸渍胶,该结构胶具有良好的浸润性和黏结力,且相关性能指标满足《纤维增强复合材料工程应用技术标准》(GB50608―2020

27要求。

图9  CFRP加固方式(单位:mm)

Fig.9  CFRP strengthening mode(unit: mm)

CFRP布加固U肋对接焊缝主要包含以下施工步骤:①表面处理,用角磨机打磨焊缝除锈后用酒精棉擦拭钢结构表面;②利用电动剪刀按照设定尺寸裁剪CFRP布;③配制搅拌纤维浸渍胶,涂抹底胶后粘贴CFRP布;④粘贴每一层CFRP布时,用金属压轮沿纤维方向进行滚压压实处理,消除气泡并使纤维布充分浸润在浸渍胶中;⑤覆盖聚氨酯薄膜,常温养护一周以上。施工时严格控制粘贴质量,避免粘贴时出现空鼓、夹杂气泡等问题。CFRP布加固试件如图10所示。

图10  CFRP布加固试件

Fig.10  Specimen strengthened by CFRP strips

5 疲劳加固试验

5.1 测试内容

在2.1节基础上对加固试件部分测点进行调整,均在原有裂纹延展方向上距离尖端1 cm处各布置一个测点,以观测裂纹是否继续扩展。SU1试件在A截面埋入测点1和5,而SU2试件在A截面埋入测点1、5、7和C截面测点11和12。为尽可能小地减轻埋入导线对CFRP布粘贴性能的影响,选择外径为0.6 mm的细导线进行应变片外接。经CFRP布粘贴后,在包裹焊缝的CFRP布底端布置3个测点以获得CFRP布的受载应变。加载过程中定期观察CFRP布边缘是否脱开,并用小锤通过CFRP布表面敲击辨别是否有试件空鼓声,以检查内部是否脱开。

5.2 阶段Ⅱ加载历程与试验结果

根据荷载等效原则,SU1和SU2的阶段Ⅱ加载历程及相应的换算应力幅如表4所示。限于篇幅,这里仅给出SU1的疲劳破坏过程,SU2与SU1类似。试件SU1经过加固后,其关键测点的应力幅如图11所示。

表 4  阶段加载历程
Tab.4  Loading process of stage
试件编号焊缝编号荷载/kN应力幅/MPa循环次数/104
SU1 焊缝C 15~35 48.0 200
20~50 71.9 20
焊缝A 15~35 56.8 200
20~50 85.2 50
SU2 焊缝A 15~35 66.9 200
20~50 100.4 50
25~75 167.4 26

图 11  试件SU1关键测点应力幅历程

Fig.11  Stress amplitude history at key points in SU1

前200万次加载时,所有测点应力值基本维持不变,包括位于裂纹尖端前缘的测点。从外观上看,CFRP布未发生剥离或撕裂现象,用小锤敲击加固位置也未听到空鼓声,表明CFRP布与试件母材表面贴合完好。对于焊缝C,由于CFRP布测点10离原有裂纹位置最近,因此承担的应力最大。随着循环次数递增,外侧CFRP布应力显著提高,表明试件疲劳损伤不断累积并产生塑性变形,因此CFRP布协助承担更多载荷。继续加载至220万次,听到噼啪开裂声响,检查发现裂纹侧CFRP布发生部分脱开,脱开位置位于腹板与底板圆弧交界过渡处,脱开范围长度约为14 cm。随着脱开范围的逐渐增大,原有裂纹处的测点12失去CFRP布的加固作用,从原来受压转为受拉,并在裂纹迅速扩展后发生失效,记录此时循环次数约为225万次。而后加载约至240万次,测点11也因失去底部CFRP布保护而发生失效,即裂纹进一步向前扩展。在焊缝C发生CFRP布脱胶失效后,结构应力往刚度较大的焊缝A发生转移。前期疲劳损伤程度较小的焊缝A此时疲劳损伤加剧。加载至230万次时,埋入裂纹尖端前沿的测点5发生扩展失效,表明试件此时有新的疲劳微裂纹产生,但未发生CFRP布明显脱离现象。加载至244万次,测点7应力发生突变随即发生扩展失效,同时观测到原有裂纹位置覆盖的CFRP布边缘发生剥离现象。随着脱开范围的不断增大,CFRP布发生纵向撕裂现象,如图12所示。加载至约250万次,嵌补段两端的CFRP布均发生大面积脱胶现象,随后钢结构裂纹大幅扩展,结构试件整体变形严重,判定此时结构失去承载力,随即停机检查。

图12  SU1焊缝A疲劳破坏

Fig.12  Fatigue failure of weld A in SU1

在对表面CFRP布进行清除后,发现CFRP布脱开部位的钢板表面几乎没有胶层残留,判定是由于胶层附着力不够导致CFRP布与钢板之间脱粘。钢板和结构胶的黏结强度对加固试件的疲劳寿命起关键作用,因此建议对钢板进行糙化处理(如喷砂),以提升钢‒结构胶的界面黏结行为。

5.3 疲劳性能提升评价

不同损伤程度试件的疲劳加固效果不同。为表征初始损伤程度对结构疲劳性能提升的影响,定义初始损伤度

α=LcLt (2)

式中:Lc为初始裂纹长度;Lt为U肋截面全部长度。

研究中U肋对接焊缝属于外观未打磨的带衬垫熔透对接焊缝,按照欧洲规范对疲劳细节的要求,带衬垫U肋对接焊缝的200万次疲劳强度为71 MPa。根据Miner损伤累积原则,将试件实际加载应力幅σc及相应的循环次数Nc换算成规范疲劳强度σR下的等效循环次数Ne,如下所示:

Ne=NcσcσRm (3)

式中:m为疲劳细节曲线的反斜率,取3.0。

各加固试件计算结果如表5所示。修复后的等效应力幅和相应的循环次数与各国规

2628-30比较结果如图13所示。SU1焊缝A经修复后满足美国、日本和英国规范,接近于欧洲规范规定的强度等级,可延长剩余使用寿命达189万次,寿命提升为原来的100%。初始损伤较大的焊缝C经过修复后尚不能满足各国规范,疲劳强度为加固前的0.8倍,但仍可延长50%的寿命。初始损伤较小的SU2焊缝A在满足各国规范的基础上尚有一定的富余量,疲劳强度为加固前的2.6倍,可延长剩余使用寿命达649万次,寿命提升为原来的16.6倍。不同损伤程度焊缝加固后的疲劳强度是原来的0.8~2.6倍,等效疲劳寿命可延长0.5~16.6倍。随着初始损伤的不断增大,修复后的疲劳强度迅速降低,因此一旦发现疲劳开裂,应立即进行加固处理。

表 5  加固试件疲劳性能评估
Tab.5  Fatigue performance evaluation of strengthened specimen
试件编号α/%疲劳强度/MPa等效疲劳寿命/104
加固前加固后提升倍数加固前加固后提升倍数
SU1‒C 47.4 68.5 53.4 0.8 180 88 0.5
SU1‒A 12.4 69.4 69.6 1.0 187 189 1.0
SU2‒A 9.6 41.1 105.1 2.6 39 649 16.6

图13  加固试件试验结果与各国疲劳强度曲线对比

Fig.13  Comparison between experimental results of strengthened specimens and fatigue strength curves of various countries

6 结论

(1)疲劳开裂试验表明,嵌补段U肋对接焊缝的疲劳开裂点均出现在焊缝圆弧过渡区域,继而向底部和腹板两侧扩展。由于存在气孔和未熔透等焊接缺陷,U肋对接焊缝的平均疲劳强度仅为59.7 MPa,低于欧洲规范规定的71 MPa。

(2)CFRP布能有效协助承担疲劳开裂区域的荷载和限制开裂处的位移,从而延长损伤结构的疲劳寿命。加固焊缝相继发生CFRP布局部脱胶破坏和钢结构扩展破坏2个过程。当局部胶层失效后,部分CFRP布无法继续承担荷载而退出工作,剩余CFRP布继续与原结构协同受力,因此CFRP布加固可起到结构破坏前的预警作用,避免结构的突然断裂。

(3)经CFRP布粘贴修复后,不同损伤程度的U肋对接焊缝的抗疲劳性能均有了一定的提升。加固后U肋对接焊缝的疲劳强度约为原来的0.8~2.6倍,等效疲劳寿命可延长0.5~16.6倍。

(4)综合受力和施工便捷度考虑,推荐采用3层CFRP布进行粘贴修复。对多层CFRP布进行粘贴施工时建议采用沿纤维方向错层粘贴的方式。在此基础上,考虑温湿效应的钢‒CFRP界面疲劳损伤劣化研究将是下一阶段的研究重点。

作者贡献声明

吕志林:试验设计和试验结果分析,完成数据分析以及论文撰写与修改。

姜 旭:项目负责人,指导试验设计、数据分析、论文写作与修改。

杨 燕:试验研究顾问,对试验过程和论文写作提出建议。

强旭红:试验设计者和试验研究的执行人,指导试验设计和论文写作。

张冠华:试验研究顾问,对试验过程提出建议。

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