毕业设计（论文）基于ANSYS的FRP加固工字钢梁数值模拟分析.doc

摘要 纤维复合材料(FRP)加固补强钢结构技术作为一种新兴的、技术含量高的建筑物加固补强方法，具有很高的研究、推广价值，能够带来巨大的社会经济效益。它是利用树脂类胶结材料将碳纤维材料粘贴十钢材表面，从而达到对结构构件补强加固及改善结构受力性能的目的。碳纤维材料以其轻质、耐腐、高强及施工便利的优点，在结构加固领域得到了广泛应用。同时有限元计算理论的发展成熟，为结构加固补强提供了方便的计算工具，它能够较好模拟结构受力发展的全过程，从而减少试验所需的大量人力、物力，为结构加固设计和施工提供理论保证。在总结国内外关于FRP加固修复钢结构理论分析和试验研究的基础上，本文对FRP加固修复钢结构的特殊性及关键问题进行了一定的论述，然后通过ANSYS有限元的方法对碳纤维加固钢结构进行了验证，提出了“三维实体一壳元”有限元模型，对采用ANSYS分析的关键技术进行了论述，并采用该模型对受弯钢梁粘贴FRP加固后的性能进行了分析，最后对加固效果的影响因素进行了讨论。 通过研究分析得出了若干结论和建议，对FRP加固修复金属结构技术的发展和完善具有一定的参考价值。关键词：有限元分析； 纤维增强复合材料； 粘结性能；钢结构 AbstractAs a new and high-technique construction reinforcement method for reinforced steel structure, fiber-reinforced plastic (FRP) has many advantages such as high research value and popularizing value, it can bring huge social and economy benefit. The existing reinforced steel structures can be strengthened by adhering carbon fiber-reinforced plastic to the steel surface to improve their mechanical performances. The advantages of CFRP such as lightweight, non-corrosive, high tensile strength and easy construction make it widely used in strengthening field. The maturation of Finite Element Calculation Theory provides a computing tool to the reinforcement method. The finite element method (FEM) can simulate the Non-Linear Full-Range Analysis一the behavior of beams from linear to nonlinear responses and up to failure, it can save lots of human resource and material.Based on the summary of theory analysis and test research on steel structures strengthened with FRP both home and abroad, the key problems of steel structures repaired with FRP have discussed in detail This paper put forward the expressions of the capacity in the composite member with CFRP and steel, which are be validated by the ANSYS methods. The “3D solid-spring-shell" finite element model has proposed in the paper, and the key techniques have discussed when the general purpose software.ANSYS has adopted to the bending steel beam members strengthened with FRP. The influencing factors of repair effectiveness have discussed.The conclusions and suggestions in the paper values for the development of metallic structures will play very important reference rehabilitation.Key words: finite element analysis; Fiber Reinforced Polymers (FRP); Bonding properties; steel structures目录 第一章绪论11.1研究背景11.2 FRP加固的特点31.3国内外对FRP加固钢结构的研究61.3.1受弯构件加固61.3.2受拉（压）构件加固81.3.3疲劳加固91.3.4预应力加固101.3.5 FRP加固钢结构有限元模拟的研究101.4本论文选题的目的和意义111.5本论文的主要内容131.6本章小结13第二章 理论基础有限单元法142.1 有限元方法简介142.2 有限单元法的分析过程142.2.1.结构离散化142.2.2确定单元位移模式162.2.3.单元特性分析172.2.4.建立表示整个结构结点平衡的方程组182.2.5.解方程组和输出计算结果192.3 ANSYS主要内容介绍192.3.1 ANSYS软件功能简介192.3.2 ANSYS操作详细解202.3.3 ANSYS软件提供的分析类型：212.4本章小结22第三章 FRP加固工字形钢梁有限元分析233.1有限元软件ANSYS分析233.1.1基本假定233.1.2有限元模型的单元属性及材料性能233.1.3工字钢梁的模拟243.1.4粘结胶层的模拟243.1.5 FRP的模拟263.2 ANSYS分析步骤273.2.1主要操作步骤273.2.2具体ANSYS建模计算及分析步骤273.3 本章小结54第四章 结论及对未来展望554.1结论554.2展望55参考文献57谢辞59基于ANSYS的FRP加固工字钢梁的数值模拟分析第一章 绪论在役钢结构, 如桥梁、建筑物、构筑物、海岸和近海工程、石油化工用压力容器、管道、塔桅等, 因在设计、制造、施工过程中可能产生各种缺陷, 在使用中因超载、锈蚀、疲劳等原因会引起结构的损伤累积,从而影响结构的安全。传统的钢结构加固方法是将钢板焊接、螺栓连接、铆接或者粘接到原结构的损伤部位, 这些方法虽在一定程度上改善了原结构缺陷部位受力状况, 但同时又给结构带来一些新的问题,如产生新的损伤和焊接残余应力等。而纤维增强复合材料( Fiber Reinforced Polymer, 简称FRP) 结构加固技术则克服了上面各种方法的缺点, 并且由于FRP的比强度和比模量高、耐腐蚀及施工方便等特点, 在混凝土结构加固修复中已得到广泛的应用。近年来的研究表明, FRP 加固钢结构也显示出很好的效果。1.1研究背景 钢材具有高强，质轻力学性能好等良好的优点，是制造结构物的一种极好的建筑材料，钢结构与在建筑结构中应用广泛的钢筋混凝土结构相比，对于充任相同受力构件，具有截面轮廓尺寸小，构件细长和板件柔薄的特点。但是有些结构长期处于腐蚀环境中，有些结构则经受交变荷载的作用，有些结构处十高温、高湿或高压的服役环境中，而有些结构内部则充满易燃、易爆、有毒、腐蚀等介质。这些结构在运行过程中会受到自然环境的侵蚀、外部荷载的作用或人为因素的破坏，因此不可避免地会存在各种缺陷和损伤。当损伤累积到一定程度时，就会导致结构失效，例如输送管道在周围环境和内部介质的作用下经常会发生化学或电化学腐蚀，严重时导致腐蚀穿孔和泄漏，一旦发生泄漏或爆炸，往往会发生火灾或中毒、爆炸等灾难性事故。同时，有毒有害物料进入大气、土壤和水源，既污染了环境，又造成了生产物料的浪费。总之，钢结构在长期的自然环境和使用环境的双重作用下，其功能将逐渐减弱，这是一个不可逆转的客观规律，尤其在我国地震多发区域，对这些地区的钢结构进行抗震加固以及对震损钢结构的修复，也常常是结构工程师的主要内容。因此，在现代社会中对钢结构加固技术进行开发研究是非常必要的，具有重要的社会效益和经济效益。 传统的钢结构加固的主要方法有:减轻荷载、改变计算图形、加大原结构构件截面和连接强度、阻止裂纹扩展等。当有成熟经验时，也可采用其他的加固方法。 1，改变结构计算图形（1）对结构可采用增加结构或构件刚度的方法进行加固； （2）对受弯杆件可采用改变其截面内力的方法进行加固；（3）对桁架可采取改变其杆件内力的方法进行加固。2，加大构件截面的加固采用加大截面加固钢构件时，所选截面形式应有利十加固技术要求并考虑已有缺陷和损伤的状况。但是在上述普遍采用的钢结构加固修复方法中主要采用现场焊接，因而会带来一系列问题。（1）焊接时高温作用使焊接部位组织及性能劣化、材质变脆、断裂韧性降低、抵抗脆性断裂的能力变差，影响结构运行的安全性； （2）焊缝经常会或多或少存在一些缺陷，会萌生新的裂纹，引入了新的断裂源；（3）焊接过程中易产生氢脆、焊接后结构内部存在残余应力，和其它作用结合在一起可能导致开裂；（4）焊接使结构形成连续的整体，裂缝一旦失稳扩展，就有可能一断到底，结构内存在大量易燃易爆介质时，修补期间有时需要停止运行，将会带来很大的经济损失，否则动用明火维修则存在爆炸的潜在危险，如对十壁厚严重减薄的结构，焊接电流会穿透管壁造成介质泄漏，甚至发生爆炸；（5）对焊接操作人员要求高，焊后需进行必要的现场探伤；（6）焊接时，由十焊缝高温熔化和冷却过程中成分和组织的变化，如果焊条选择不当，很容易造成焊缝的耐蚀性低十母材，使焊缝发生优先腐蚀。如果焊缝的电位比母材低得多，那么焊缝与母材组成电偶腐蚀电池，将大大加速焊缝的电偶腐蚀速度；（7）由十需要焊接盖板，使结构重量增加较多，同时对十复杂的几何形状不易成形，运输和安装也不方便，耗时、费力，质量不易保证；（8）焊接盖板容易锈蚀，维护费用高。 随着纤维增强复合材料(简称FRP)的开发应用和粘结剂性能的不断改进，高性能复合材料依靠其优异的性能在航空、航天、体育、卫生、电子、兵器等领域得到了广泛的应用。人们相应研究发展了粘贴加固损伤结构的技术。其中碳纤维增强聚合材料，简称为 CFRP被广泛地应用十建筑工程方面至今只有十多年的历史，美国和日本对CFRP应用十混凝土结构的修复和加固研究始十世纪年代。到年代末年代初，日本的很多大学、科研机构和材料生产厂家等相继进行了大量的CFRP材料用十工程结构修复加固的研究，CFRP材料具有优异力学性能，施工工艺简便目_加固效果可靠，得到了普遍的赞同和认可，特别是在美国旧金山、洛杉机、口本阪神淡路大地震，中国台湾桃园县地震及韩国二丰百货大搂倒塌事件造成重大人员伤亡和经济损失之后。生产实践的需要推动着CFRP材料在工程结构加固中应用的迅速发展，也在不断验证着该材料的优越性。 FRP材料伴随着生产技术的口益成熟、产品性能的逐步提高、生产规模的扩大和生产成本的下降，应用领域越来越广泛、应用层次越来越深入。FRP开始应用于桥梁、轮船、发动机和集装箱等，并深入航空领域。1.2 FRP加固的特点碳纤维补强钢结构技术是用粘接剂将碳纤维片材(包括布材、板材)粘贴到钢结构高应力区或损伤区的表面，使一部分荷载通过胶层传递到补强的片材上，以缓解钢结构的材质破坏和疲劳破坏，从而延长结构的使用寿命。因此，粘贴FRP加固钢结构技术是一种很有发展前途的新型结构加固技术，具有广阔的应用前景，它可以应用到飞机机身的裂纹修复、钢结构桥梁和建筑物的加固修复以及船体结构、压力容器、输送管道和钢储罐等钢结构的缺陷加固及修复。与传统的方法相比，FRP补强钢结构技术具有明显的优势：1， FRP比强度和比模量要高，要达到同样的加固效果，FRP的尺寸明显小十钢板的尺寸，同时FRP本身密度小而粘贴加固又省去了紧固件，加固后基本不增加原结构的自重和原构件的尺寸；2，由于FRP的可设计性，即可以根据结构缺陷的严重程度和受力情况，在单向FRP中，通过改变组分和组分含量以改变其纵向和横向性能以及它们的比值；对于FRP板采用改变FRP铺层的取向与顺序而改变复合材料的弹性特性，刚度特性来设计复合材料的性能，从而适应特殊应用的要求，最大限度提高钢结构的加固效果；3，该方法不需要对原结构钻孔，对基体材料(待加固的钢结构)承载横截,面基本无削弱，不破坏原结构的整体性，不会形成新的应力集中源和纤维切断，从而消除了产生新的孔边裂纹的可能，改善了应力集中和承载情况，提高结构的抗疲劳性能，同时也避免了因钻孔而可能导致的对液压管道的破坏，以及因钻孔产生的金属细屑进入结构内部；4，柔性的FRP对十任意封闭结构和形状复杂的被加固结构表面，基本上可以保证近100%的有效粘贴率，与钢结构表面有良好的界面粘结性能、密封性，减少了渗漏甚至腐蚀的隐患，很少出现二次腐蚀破坏现象，这一点对石油化工行业的压力容器、输送管道等结构尤为重要；5，粘贴FRP加固修复钢结构是连续的面连接(即两者相邻表面结合起来，整个粘结面都承受荷载，克服了焊接仅依靠边缘结合而内部不能结合的缺陷。钢结构与FRP构成整体，荷载从原金属结构传递到FRP更加均匀有效，应力分布更为均匀，大大缓解了应力集中，这些都显著地提高了其强度和刚度，抗疲劳性能好，延长了结构的使用寿命；6，该方法特别适合十结构局部损伤和腐蚀等的加固，加固后能有效地阻止,裂纹的继续扩展，大大延长结构的使用寿命，提高维修间隔，降低维修成本，满足可靠性和耐久性的要求；7，该方法简便易行，成本低，效率高，特别适合十现场加固。可节省人工,与机器设备搬运，减少维护次数，避免道路因施工而造成阻塞。加固所用的时间短，大约是常规加固方法所用工时的1/3-1/5，狭小空间亦可施工； 8，施工过程中无明火，安全可靠，对生产过程影响小，适用十特种环境，如燃气罐、贮油箱、井下设备(具有爆炸危险的情况)、电缆密集处或化工车间、炼油厂等环境；9，有利十实现FRP自感知的智能特性，用CFRP作为补强材料，可以利用CFRP自身的导电性能，根据补强片电阻的变化规律获得加固修复部位的应变及应力信息，实现对结构的健康监视和诊断。10，施工过程中无须大型机械设备，占地面积少，工期较短。由于采用环氧树脂类粘贴材料，不会对结构产生新的损伤；11，碳纤维复合材料蠕变小，弹性模量适中，对碱性反应不敏感。典型的碳纤维材料的最大应变值通常为1.2%-1.5%，虽小于钢筋的极限拉应变，但足以保证混凝土结构破坏前的充分变形和断裂。碳纤维增强材料的应用形式有很多。由于布材形式纤维材料易批量生产和方便施工，且能适应各种表面形状构件，是目前纤维增强复合材料最主要的应用形式。虽然采用碳纤维复合材料增强混凝土结构技术有诸多优点，但也存在一些不足之处。人们在设计和施工CFRP增强混凝土结构时应引起注意。一是碳纤维复合材料为线弹性材料，决定其破坏方式为脆性破坏；二是此材料为正交各项异性材料，顺纤维方向为增强结构受力的主要方向，垂直纤维方向基本不能承载，因此在混凝土结构增强设计和计算时应注意纤维的增强方向；三是CFRP材料和混凝土材料一样，在长期高应力荷载作用下，纤维布最终因徐变作用而导致材料失效。在设计CFRP增强混凝土结构时，必须使结构增强后的最大应变值低于所用纤维的最大应变值。CFRP材料性能优越，使其在土木工程中的应用范围非常广泛，不仅可用于桥梁、涵洞、隧道及其它近海岸工程中，且可应用于一般民用建筑中。美国为解决近海地区和气候寒冷地区钢筋混凝土结构遭受盐蚀侵害问题，在二十世纪六十年代首次采用玻璃纤维复合材料加固钢筋混凝土结构，从而开始了纤维增强材料在混凝土结构中的应用。但二十年后，才逐渐认识到纤维增强加固混凝土结构在土木工程中的发展潜力。目前，该项技术在美国已广泛应用于桥梁工程、民用建筑及其它基础设施中。日本兵库县大地震后，开始大量采用碳纤维布加固建筑结构。欧洲对FRP增强加固混凝土结构的研究始于二十世纪七十年代，在80年代后期开始了此类增强结构的应用与开发。国外采用纤维布增强加固混凝土结构技术不仅应用于受损的混凝土结构，还应用于许多新建混凝土结构中，应用于桥梁工程中的项目远多于民用建筑。总体来看，国外研究、应用CFRP增强技术较早，目前已进入该项技术应用的成熟阶段。目前CFRP在国内外土木工程中应用越来越多，在未来几年中还会加大对CFRP的需求，其范围将越来越广，尤其在桥梁工程和近海岸工程中。全面了解这种材料的性能，才能更好地将其运用于实际工程中。CFRP即在土木工程中的应用主要有2种途径:较多的是对已有结构的改造、翻新和加固，这属于事后增强，即结构受载后增强;另一种事前增强，即在结构受载前，以CFRP完全或部分代替钢材用于结构的增强。事先增强的研究有一种用CFRP筒体兼作模板，内部浇筑钢筋混凝土的结构形式一CFRP筒钢筋混凝土结构的研究引起很多专业人士的重视。美国加利福尼亚大学科研组创造出一种称作"先进复合材料斜拉桥系统”的结构，其桥塔采用碳纤维复合材料预制管内填混凝土，预制管具有混凝土外模板和塔柱配筋双重作用。管壳内壁设有肋条，以增强与混凝土的粘接。斜拉桥的加筋梁也采用复合材料预制管混凝土交各向异性的，同时在轴向和径向对混凝土起约束作用，它不仅提高柱的强度和延性，而且防腐性好。1.3国内外对FRP加固钢结构的研究1.3.1受弯构件加固 现阶段国内外FRP加固钢结构的试验研究主要集中在受弯加固上，主要分为无损伤缺陷钢梁的加固和损伤钢梁的加固。1.3.1.1无损伤缺陷钢梁的加固FRP加固钢梁的试验研究最早始十20世纪90年代中期，美国Delaware大学对无损伤缺陷的工字型钢梁进行研究。近十多年来，国内外陆续对各种形式的钢梁加固进行研究，主要包括工字型截面钢梁、矩形截面钢梁、钢板梁、钢一混凝土组合梁。Mertz等人采用GFRP对跨度为1372mm，型号为W8x10的工字型截面钢梁进行加固试验研究。试验结果表明，这些钢梁的失效模式是GFRP板发生断裂或者GFRP层间发生分层，没有观察到GFRP和胶层之间的剥离破坏，加固后钢梁的刚度、屈服荷载和极限荷载分别提高15%、23%和78%。 A.K.Pamaik和C.L.Bauer将厚1.400mm的CFRP板粘贴到薄壁工字型钢梁腹板两侧，钢梁的破坏形式是腹板屈曲的剪切破坏，试验结果表明，加固后钢梁的抗剪承载能力提高26%。国内侯发亮等人对工字型截面梁、矩形截面梁和钢板梁采用FRP加固后进行一系列试验研究，结果表明，加固后抗弯承载能力都有所提高，提高的程度与CFRP加固量有关。钢结构桥梁中常采用钢一混凝土组合梁，对钢一混凝工组合梁的加固也是一个研究和应用热点。Sen等人对钢材屈服强度分别为310MPa, 370MPa的组合梁进行了试验研究，跨度为6100mm的W8x24的工字型钢梁，上面是厚度114mm,宽度710mm的混凝土板，分别用2mm和5 mm厚的CFRP板粘贴到受拉翼缘底部进行加固，CFRP板的长度为36.50mm，宽度为翼缘宽度，弹性模量为114GPa。试验结果表明，钢材屈服强度为310MPa的组合梁分别采用2mm和5 mm厚的CFRP加固后，承载能力分别提高21%和52%；钢材屈服强度为370MPa的组合梁承载能力分别提高9%和32%。 Tavakkolizadeh和Saadatmanesh对3根屈服强度为335MPa的组合梁采用CFRP薄板加固进行试验研究，试验采用净跨为780mm的W14x30的工字型钢梁，钢梁上面是厚度为75mm，宽度为910mm的混凝土板。钢梁下翼缘底部沿梁全长粘贴两道宽度为76mm，厚度为1.27mm的CFRP薄板。四点受弯试验结果表明，当钢梁底部分别粘贴1, 3, 5层CFRP薄板时，组合梁的极限承载能力与未加固构件相比，分别提高44% , 51% , 76%，而刚度提高不明显。Abdullah和A-Saidy对组合梁进行的加固试验研究表明，其极限承载能力与未加固构件相比，分别提高21%和45%。从上面介绍的FRP加固无初始损伤缺陷钢梁的试验结果可以看出，钢梁加固后的承载能力有一定提高，但刚度大部分没有明显变化。已有的试验结果表明，加固效果的离散性比较大，随着粘贴的纤维量、纤维的弹性模量、钢材的弹性模量、钢材的屈服强度的不同，加固效果也不同。1.3.1.2损伤钢梁的加固 对存在损伤的钢结构进行加固试验研究，主要采用受拉翼缘切口、腹板钻孔等方法模拟钢梁的损伤。或直接从现场旧桥梁中选取存在锈蚀损伤的钢梁。对受拉翼缘存在损伤缺陷的工字型钢梁采用CFRP加固后，主要破坏模式是在切口损伤处CFRP与钢梁间的剥离破坏，并随着剥离的发展，最后CFRP发生断裂。而 CFRP加固存在损伤的组合梁的破坏模式主要有5种：混凝土被压碎、CFRP与钢梁剥离、CFRP被拉断、钢梁的翼缘或腹板屈曲、混凝土与钢梁间的剪力件破坏，通常是几种破坏模式的组合。试验结果表明，存在损伤缺陷钢梁用高模量的CFRP板加固后，刚度基本能恢复到未损伤情况下钢梁刚度的90%以上;极限承载能力的提高随着加固量和损伤大小而不同，在损伤情况相同的条件下，随着抗弯加固率指标Nb增大而增大。 CFRP在切口损伤处与钢梁的剥离破坏是一个非常普遍与重要的现象，切口损伤越严重，剥离破坏越明显。虽然实际结构中很少出现试验中严重切口损伤的情况，但CFRP片材与钢梁的剥离问题应引起足够重视，并应采取有关措施延缓或避免剥离破坏的出现，从而充分利用CFRP的高强性质。Shulley等人还对6根腹板存在损伤的工字型钢梁进行了加固试验研究，钢梁的跨度为711mm，在距钢梁支座178mm的腹板中部用直径为100mm的圆孔模拟腹板的损伤。采用不同种类的CFRP片材进行加固。结果表明，所有的钢梁在圆孔处的CFRP片材都发生了与钢腹板的剥离，且承载能力都没有得到显著提高。而 A.K.Patnaik和C.L.Bauer对没有损伤的钢梁粘贴CFRP板到腹板两侧却使钢梁的抗剪承载能力提高26%。两个试验结果差异很大，一方面是由十后者加固量比前者大;更重要的原因是前者由十腹板圆孔的存在使得过早生CFRP与钢腹板之间的剥离破坏。这也说明采取措施延缓或避免剥离破坏的重要性。1.3.2受拉（压）构件加固对受拉（压）构件的加固试验研究不如受弯构件多，但最近几年这方面的研究逐渐增多。Shaat等人进行CFRP片材加固不同长细比的空心方管柱的可行性研究，并且已经完成了对空心方管短柱CFRP加固后的受压性能研究。他们先沿方管环向缠绕一层CFRP布，避免可能发生的电化学腐蚀，然后在沿环向或纵向粘贴若干层CFRP布。试验结果表明，沿方管环向粘贴CFRP布的加固效果远比纵向好，极限承载力提高18%。当沿纵向CFRP加固时，破坏形式是CFRP布与钢结构的剥离破坏。当采用环向CFRP加固时则不会发生CFRP布与钢结构之间的剥离和CFRP布断裂的现象，钢柱最后发生局部屈曲破坏。Missouri-Rolla大学研究了用FRP管加固锈蚀损伤钢柱抗压承载能力的可行性。研究人员在钢柱存在锈蚀损伤的部位先套上FRP管，然后在FRP管内浇筑膨胀轻质混凝土，使钢柱进行受压试验。试验结果表明，采用这种方法加固后，承载能力普遍比未加固构件提高150%以上。 西安交通大学的马建勋等人对采用碳纤维布粘贴加固后的钢板进行了单轴拉伸试验，研究了CFRP布对试件屈服荷载、承载力和延性的影响，并对CFRP布与钢板的共同工作问题进行了初步分析。试验结果表明，钢板采用CFRP布双面粘贴后，屈服荷载可提高16%-18%，极限荷载可提高16%-25%，破坏模式是CFRP布被拉断，主要是断面附近或CFRP布端部发生脱胶，随着脱胶程度和位置不同，极限承载能力不同，这也充分说明胶粘剂对钢构件加固中起着非常重要的作用。当钢板经碳布加固后，形成了一种新的组合构件，这种新的结构体系之所以能较原结构有更高的承载力，一个重要的原因就是钢和碳纤维布能够较好的共同工作。在拉伸试验后期碳纤维布和钢结构之所以不能很好的共同工作，是因为粘结剂的剪切强度下降，导致构件局部脱胶所造成的。粘贴工艺和胶的强度是碳纤维加固工作中极其重要的环节，做不好就难以达到预期的效果。有关粘贴剂与钢结构的粘贴问题有待进一步研究。1.3.3疲劳加固 从国内外至今所有的疲劳性能试验结果看，采用FRP加固后的钢结构构件，疲劳损伤的剩余疲劳寿命均成倍增长，加固效果十分明显。因此，这是一个有实际应用价值的研究方向。Delaware大学的研究人员对从一座旧桥梁取出时2根存在锈蚀损伤钢梁，采用CFRP板加固后进行了疲劳试验研究，在34MPa的应幅下，经过1000万次应力循环没有发生CFRP板与钢梁的剥离破坏，这说明加固后钢梁具有很好的抗疲劳性能。 Bassetti等人试验研了采用预应力CFRP板来延缓裂纹扩展速率从而提高铆接钢结构的疲劳寿命试验第一阶段对中心带裂纹的小尺寸钢板采用112mm厚的预应力CFRP板后进行加固处理，在80MPa的应力幅和0.4的应力比的循环荷载作用下，随着预应力的增大，裂纹扩展速度显著降低，疲劳寿命提高最高达16倍。 Tavakkolizadeh和 Saadatmanesh对21根1.3 m长的W 127x4.5的小尺寸A36工字型钢梁进行四点受弯试验研究。梁跨中受拉翼缘两边各被切割一道长12.7mm宽0.9mm的切口模拟损伤疲劳裂纹, CFRP板长度为300mm,宽度与梁的下翼缘相同，厚度为1.27mm，纤维方向与切口方向垂直。试验结果表明，CFRP加固过的钢梁试件与未加固相比，当应力幅为207MPa和345MPa时，疲劳寿命分别提高3.4倍和2.6倍。 SeanC.Jones等人对21个含边裂纹和8个含中心裂纹的受拉构件进行疲劳试验研究，考察了CFRP类型、长度、宽度、单面或双面粘贴、裂纹扩展前后粘贴等因素对加固效果的影响。对十含边裂纹命与未加固构件相比最大提高115%。对于含中央裂纹钢板，当双面粘贴加固时，加固后构件的剩余疲劳寿命与未加固构件相比最大提高54%。国内张宁等人对两组十字形横肋小试件进行在拉一拉循环荷载作用下的疲劳试验研究。小试件采用3块宽70 mm、厚度分别为20 mm和25 mm的钢板焊接而成，制作了2组试件，每组10个，1组未加固，为原状焊缝，另1组碳纤维加固，碳纤维粘贴方向与焊缝垂直，粘贴宽度与钢板相同。试验采用等幅疲劳试验加载程序，波形为正弦波，频率为500次/分，试验温度为200-260。试验结果表明，在等应力幅、等应力值、应力比相同等条件下，粘贴有碳纤维布的试件较原来试件疲劳性能有大幅度改善，疲劳寿命可以提高318%。从上面试验可以看出，CFRP粘贴加固疲劳损伤的钢结构，可以有效提高其疲劳剩余寿命。 郑云等人采用断裂力学的方法对CFRP加固疲劳损伤的裂纹钢板来改善其剩余疲劳寿命进行了理论分析。采用基于线弹性断裂力学理论，用有限元模型对表征疲劳裂纹扩展速率的裂纹前端应力强度因子进行了计算分析，并与相关文的算例和试验结果进行了比对，有较好的准确性。通过引入Paris2Erdogan裂纹扩展模型，采用CFRP双面粘贴加固后钢板的剩余疲劳寿命得到显著提高，从理论上验证了用CFRP加固疲劳损伤钢结构是非常有前途的一种加固方法。1.3.4预应力加固预应力CFRP加固钢结构是最近一段时间提出的加固新方法。现有的试验研究很少，基本都处在理论研究阶段。CFRP对钢结构的承载力有一定的提高，为了进一步利用CFRP良好的抗拉强度，江克斌与许特等人将传统预应力技术与CFRP加固技术相结合介绍了一种预应力CFRP加固方法。预应力CFRP技术就是在应用CFRP对钢结构进行加固时，首先对CFRP拉伸，然后将拉伸状态的CFRP与钢结构进行粘接，待二者粘接可靠后将预应力设备撤收。在进行了理论公式的推导后，对长5000mm，高200mm，宽100mm的矩形截面钢梁进行了非线性分析。并证明了理论计算方法的适用性。赵启林等人提出了CFRP加固钢结构的反拱预应力技术。其基本思路是:首先利用已经成熟的体外预应力施加技术，在结构使用荷载的反方向施加荷载，消除已有变形并且使结构产生一定的变形，在该变形状态下粘贴CFRP，当CFRP与钢结构梁等结构粘贴可靠后撤收施加预应力的设备。推导了理论公式并用有限元分析了公式的适用性。预应力加固现处在起步阶段，将是今后重点研究的一个方向。1.3.5 FRP加固钢结构有限元模拟的研究目前国内外已经有很多学者和科研机构对纤维复合材料加固钢结构作了大量的研究，并且己发表了很多有关这方面的论文，其中绝大多数的研究成果是通过试验数据得到的。然而由十受试验条件和经费的限制，试验所能提供的数据通常是有限的。有限元法为研究纤维复合材料增强钢结构受力性能提供了一种有效工具。有限元分析大多采用ANSYS, ABAQUS、等大型有限元分析软件，这些软件对各种结构的计算具有很好的适用性。采用有限元 模拟要处理的关键问题在十胶层单元的选择，由于在实际中，胶层虽是均匀的实体，且厚度很小(往往只有0.2-1毫米)，所以采用实体单元模拟的方法是行不通的，这往往会造成单元畸变，在已有的有限元模型中，对胶层单元的处理方式有以下几种：1，不单独建立胶层单元采用共节点或节点藕合的方式 即“三维实体一壳元模型”，在建立模型时，分别对钢构件和碳纤维片材划分单元，不建立胶层单元，被粘贴表面和粘贴片材共用同一节点，或者采用藕合的方式使被粘贴面的节点和粘贴片材的的节点拥有相同的自由度。通过以上方式达到模拟粘贴的目的，但这种模拟方式假定加固片材与被加固构件粘贴完好且在受力过程中不产生粘结滑移，显然在实际中，这种假设是不存在的，所以采用此类模型分析的结果往往与实际有较大的误差。2，通过建立弹簧单元模拟胶层即“三维实体一弹簧一壳元模型，采用ANSYS中的弹簧单元Combin 14来模拟CFRP与工字钢梁钢板之间的胶层，在CFRP与胶层界面与工字钢梁钢板表面之间相应的一对节点之间设置二个弹簧单元分别表示界面的法向(钢板的厚度方向)、纵向切向和横向切向。弹簧单元的长度为胶层的厚度，法向弹簧单元的性能由粘结剂拉伸试验得到的应力一应变曲线确定，切向弹簧单元的性能由粘结剂剪切试验得到的应力一应变曲线确定，分析中认为纵向切向弹簧和横向切向弹簧的性能相同。在确定Combinl4单兀的实常数时，需要用到每个弹簧单元所对应的粘结胶层的面积。根据弹簧所对应节点的位置可以分为中间弹簧(即内部弹簧)、边界弹簧和角部弹簧。为了保证各部分的变形协调，在CFRP与胶层界面节点与FRP中面节点之间建立约束方程。通过此有限元模型对钢梁和组合梁粘贴CFRP加固前、后的性能进行了分析，分析结果表明，损伤钢梁和组合梁粘贴CFRP布和CFRP板加固后其性能恢复非常显著，且粘贴CFRP板的加固效果更加明显。对于完好钢梁，采用CFRP布加固后，其刚度和屈服荷载提高不太明显，极限荷载约提高；采用CFRP板加固后，其刚度和屈服荷载略有增加，分别为5.3%和4.7%，但是极限荷载增加较多，提高了14.1 %。对于损伤钢梁，下翼缘截面削弱使其刚度降低了26.8%，采用CFRP布加固后，其刚度略有增加，仅提高了2.6%;采用CFRP板加固后其刚度明显增加，提高了19.2%，损伤钢梁的屈服荷载和极限荷载分别降低了73.1%和52.9%，但加固后屈服荷载和极限荷载大幅度提高，采用CFRP布加固后，屈服荷载和极限荷载分别提高了121.6%和97.6%;采用CFRP板加固后，屈服荷载和极限荷载分别提高了226.4%和128.5%。1.4本论文选题的目的和意义新世纪土木工程的发展，在很大程度上依赖于性能优异的新材料的应用与发展，如对于传统的钢筋增强材料，应寻找一种强度高、重量轻、耐腐蚀和耐久性好的新材料；对于既有结构的加固、维修和改造，应具有强度/重量比大、施工快捷、施工后结构承载力明显提高等优异的物理力学性能材料所代替。因此，利用性能优异的复合材料对传统方法进行更新改造是21世纪土木工程领域可持续发展的重大研究课题。纤维增强聚合物（Fiber Reinforced Polymer，简称FRP）在20世纪下半叶开发伊始，是航空、国防等高科技领域的关键材料。近十几年来，国际市场上碳纤维的价格大幅度降低，FRP以其特有的质量轻、强度高、耐腐蚀、耐疲劳和易加工等优点，被越来越广泛地应用与各类工业和民用建筑工程、桥梁工程、海岸和近海工程等特种结构之中。目前FRP在基础设施工程中的应用占复合材料市场的30%左右，已经成为复合材料产业的一个有力支柱。我们所采用的FRP材料集中于三种，即碳纤维增强塑料（CFRP）、玻璃纤维增强塑料（GFRP）和芳纶纤维增强塑料（AFRP），其中CFRP的性能最优越，应用最为广泛。本论文研究的就是玻璃纤维增强塑料。FRP用于加固混凝土结构是近二十年来发展起来的新技术，由于其无可比拟的优越性和明显的应用前景，迅速被认同并得到日益广泛的应用。有关的研究工作也相继展开，如（1）梁和板的加固研究；（2）加固混凝土柱以及柱状物性能的研究。另外，研究者和工程师们对FRP加固梁柱结点的性能、耐久性、疲劳性能、砌体结构等均进行了一些初步的研究。随着各种加固工程的开展，钢结构和纤维布之间的界面粘结问题开始引起人们的关注。粘结强度通常是传力过程中的薄弱环节，因此这方面的研究工作与加固技术的发展水平有着密切的关系。对于FRP界面性能与界面附近混凝土中裂纹生成、扩展的关系，国内外的研究对象多集中于混凝土受弯构件。人们认为混凝土裂缝首先由弯曲引起，因为第一道裂缝往往出现在混凝土受拉区，要防止裂缝开展，梁的侧面抗剪加固固然重要，但更重要的是保证梁有足够的抗弯能力。针对混凝土构件裂缝下面的FRP开粘问题开展了一些试验研究，并提出了各种理论分析模型，如基于断裂力学的分析模型、基于实验数据的经验公式、界面强度模型以及设计公式等。本论文采用ANSYS软件， 对CFRP加固钢结构进行静力数值模拟分析，为研究疲劳载荷下的分析研究打下坚实的理论基础。由于FRP加固钢结构的理论研究与实际应用同步进行，选用此课题有利于提高学生综合分析的能力，引导学生理论联系实际，启发学生的创造力。本选题涉及理论与应用力学专业弹性力学、有限元方法、软件设计与应用等多方面知识。通过本项目可以考察学生所学专业知识以及分析问题、解决问题的能力纤