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原文传递 SMA-CFRP复合加固带缺陷钢梁疲劳性能研究

论文题名：	SMA-CFRP复合加固带缺陷钢梁疲劳性能研究
关键词：	缺陷钢梁桥;形状记忆合金;碳纤维增强复合材料;复合加固;应力水平;疲劳性能
摘要：	由于长期环境腐蚀和疲劳荷载作用，许多钢结构桥梁出现性能退化等问题，无法满足设计和使用要求，亟需加固。预应力CFRP材料加固技术已被证明可以显著提高钢结构承载力和疲劳性能，但这种技术需要机械进行辅助，极大限制了其在实际工程中的应用。而两端锚固状态下的形状记忆合金(SMA)经过热激励能产生足够的预应力，可用于抑制钢结构裂缝发展。将SMA和CFRP进行结合形成SMA-CFRP复合加固技术，可以充分发挥两种材料的优势从而更好地提高钢结构的疲劳性能。但相关研究才刚刚起步且主要针对钢板加固，而缺陷钢梁的疲劳加固尚未见报道。本文研究了CFRP、SMA、以及SMA-CFRP复合加固缺陷钢梁在四种不同应力水平下的疲劳性能，从加固梁的破坏模式、钢梁裂纹扩展过程、界面剥离过程等角度分析了各方式的疲劳加固效果，具体的研究内容和结论如下：　　（1）对比分析了不同应力幅疲劳荷载作用下三种加固方式的破坏模式。对于SMA加固试件，钢梁腹板裂纹随着疲劳次数的增加而增加，但0.1Pu-0.5Pu应力水平下腹板裂纹扩展最大，为71mm，同时SMA贴片并未出现剥离脱落；对于CFRP加固试件，随着疲劳次数的增加，缺陷处先开裂，当试件疲劳破坏时，CFRP布发生剥离和断裂；对于SMA-CFRP复合加固试件，仍是缺陷先开裂，四种不同应力幅下钢梁腹板裂纹分别扩展了53mm、63mm、88mm及88mm，且CFRP布未断裂，仅仅发生了剥离脱落。　　（2）对比分析了三种不同加固方式对钢梁开裂寿命、界面剥离寿命及极限疲劳寿命的影响。结果表明，三种加固方式都能提高带缺陷钢梁的疲劳寿命，改善其疲劳性能，而较于CFRP加固和SMA加固，复合加固更能大幅提高钢梁腹板裂纹及粘结界面裂纹萌生的疲劳次数，减缓钢梁裂纹和界面裂纹扩展的速率，如在0.1Pu-0.8Pu应力水平下CFRP加固试件的钢梁开裂寿命为463次，SMA加固试件的为107次，而复合加固试件达到了1240次加载后缺陷裂纹才开始萌生，并且SMA-CFRP复合加固对钢梁疲劳寿命的提高大于两者单独加固之和。还有，疲劳荷载下限值不变，随着上限值不断降低，SMA-CFRP复合加固对带缺陷钢梁疲劳寿命的提升效果越好，在0.1Pu-0.5Pu作用下，其疲劳寿命已经达到SMA或CFRP单独加固的寿命之和的2.88倍。　　（3）对比分析了三种不同加固方式对钢梁裂纹扩展、界面剥离及钢梁刚度退化的抑制效果。结果表明，四种不同应力幅下SMA-CFRP复合加固试件的裂纹扩展速率是CFRP加固的50%左右，仅仅是SMA加固试件裂纹扩展速率的25%，这也证实复合加固抑制钢梁裂纹扩展的效果最好。而疲劳加载过程中，相较于其他两种加固方式，SMA-CFRP复合加固试件能有效降低挠度增长速率。当加固试件疲劳破坏时，SMA加固试件和CFRP加固试件的剩余刚度都约为40%，而SMA-CFRP复合加固试件的剩余刚度则约为30%。这说明SMA-CFRP复合加固技术减缓缺陷梁的刚度退化的效果最好，并且能充分利用钢梁的剩余强度，增加了加固梁的安全储备。
作者：	黎航
专业：	建筑与土木工程
导师：	谢燕;陈秀娉
授予学位：	硕士
授予学位单位：	广东工业大学
学位年度：	2022