CFRP板加固纵肋-横隔板焊接细节的疲劳试验与分析研究

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正交异性钢桥面板凭借其轻质高强等众多优点被广泛运用于大跨桥梁结构中,然而随着服役年限的增加,疲劳问题严重限制了这种结构的持续应用与发展。在正交异性钢桥面板中,纵肋与横隔板焊接细节构造复杂,受到荷载作用时局部应力分布不均,在车辆荷载作用下,该细节因焊接残余应力等因素的影响往往是极易产生疲劳裂纹的构造之一。因此,有效评估其疲劳性能并进行有效加固便成为该结构广泛应用的基础。在混凝土结构中,碳纤维复合材料(CFEP)对结构开裂的加固效果十分显著,而在钢结构加固中该方法还仅限于试验研究和理论分析的阶段。为了对正交异性钢桥面板纵肋与横隔板焊接细节发生疲劳开裂时的疲劳特性进行分析,本文采用对足尺试件开展疲劳试验和对焊接细节进行数值模拟并行的方式,研究纵肋与横隔板焊接细节疲劳裂纹的开裂长度随循环次数变化的扩展规律,以及荷载循环次数增加时细节疲劳性能的变化规律。针对试验模型疲劳裂纹以及局部应力的发展状态,对纵肋与横隔板开裂部位粘贴CFRP板进行加固并研究其加固性能。主要得到以下结论:(1)钢桥面板纵肋与横隔板焊接细节围焊端部在受到循环荷载过程中产生了疲劳裂纹,疲劳裂纹随着外载循环次数增加逐渐扩展,疲劳裂纹扩展速率经历了增速-减速-增速-减速这四个过程,直至外载循环次数达到110万次时,试验模型疲劳裂纹扩展速率近似为0。(2)开裂细节围焊端部应力幅随着疲劳荷载循环次数增加逐渐减小,横隔板弧形缺口处应力幅随着疲劳荷载循环次数增加也逐渐减小。两开裂细节的相邻细节围焊端部应力幅随着疲劳荷载循环次数增加小幅度减小。而随着疲劳荷载循环次数增加,细节开裂对其余细节围焊端部应力几乎没有影响。(3)钢桥面板纵肋与横隔板焊接细节受到荷载作用时,主要发生面外屈曲变形。针对该纵肋与横隔板焊接细节变形模式,采用粘贴CFRP板的方式对开裂细节进行加固是一项十分有效的方法。(4)粘贴CFRP板对开裂细节进行加固后,开裂细节围焊端部应力幅大小在加固后均明显减小,这表明加固后疲劳开裂部位围焊端部处应力状态得到改善,CFRP加固件与钢桥面板构件协同受力性能良好。开裂细节内外侧加固区附近应力集中系数几乎不发生变化,这表明采用粘贴CFRP板的方法对开裂细节进行加固后,在加固区附近不会产生新的应力集中现象。开裂细节外侧裂纹尖端处应力幅大小在加固后大幅度降低,这表明加固后裂纹尖端区域受力状态得到了改善。(5)不同加固件参数以及加固时机对纵肋与横隔板焊接细节疲劳裂纹的加固性能的具有不同影响。结构胶层弹性模量变化对加固性能的影响显著,当CFRP板的弹性模量和尺寸固定时,结构胶层弹性模量越大,对钢桥面板纵肋与横隔板连接细节疲劳裂纹的加固性能越好;当CFRP板尺寸和胶层弹性模量固定时,CFRP板弹性模量越大,对钢桥面板纵肋与横隔板连接细节疲劳裂纹的加固性能越好,但影响较小;加固件几何尺寸改变对裂纹整体加固性能的影响较小且并没有呈现一定的规律性。对于钢桥面板纵肋与横隔板焊接细节疲劳裂纹单侧长度从5mm扩展至25mm过程中,单侧裂纹长度扩展至25mm时加固后的裂纹扩展速率最小,在该时刻进行加固的加固性能最好。
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