FRP布加固RC吊车梁的疲劳累积损伤模型.docx

FRP布加固RC吊车梁的疲劳累积损伤模型 　　摘 要：混凝土（RC）吊车梁在服役过程中，因超载、疲劳等原因会引起累积损伤，极大地影响了吊车梁的安全使用，因而需进行及时的加固处理本文为了研究FRPS加固RC梁在疲劳荷载作用下力学性能不断劣化过程，从连续介质损伤力学的基本理论出发，利用加固后的抗弯刚度来定义损伤变量，建立了描述其损伤、断裂过程的疲劳累积损伤模型，对加固后梁在受压重复荷载作用下的损伤发展过程进行了研究，分析了FRPS加固RC梁构件的混凝土开裂、FRPS与混凝土剥离和钢筋屈服等破坏模式，并建立了可用来估算加固后吊车梁的疲劳破坏累积损伤准则最后对FRPS加固RC吊车梁的疲劳损伤演化历程进行了数值分析结果表明，文中提出的疲劳累积损伤模型能够准确地描述加固后吊车梁的破坏过程，该模型可为有限元分析加固后吊车梁的累积损伤提供参考 　　关键词：碳纤维条(FRPS)；钢筋混凝土(RC)梁；累积损伤模型；抗弯刚度　　Abstract: The cumulative damage of the reinforced concrete (RC) crane girder occurred by overload, fatigue and other reasons in service may deteriorate the safety of the RC crane girders seriously. In this paper, in order to study the process of mechanical performance degradation of the RC crane girder is strengthened by CFRP strips under fatigue load, based on continuum damage mechanics concepts, a damaging variable is defined by residual flexural rigidity, and establishing fatigue progressive damage model which describes the process of damage and fracture. The law of progressive damaging of the RC crane girder strengthened with CFRP strips is studied under cyclic loading. The formula of the value of critical damage and the criterion of concrete progressive damage are obtained at fatigue failure. Finally, the numerical analysis is adopted to analyze the process of the evolution of the fatigue damage of the RC crane girder strengthened with CFRP strips. The results show that the fatigue damaging variable is measured by residual flexural rigidity of RC crane girder strengthened with FRP strips which takes on explicit physics meaning and the proposed model can correctly describe the damage and failure processes of strengthened RC crane girders, including the concrete cracking, debonding between CFRP strips and concrete, yield of steel bar and so on. Fatigue cumulative damage model can provide reference for the analysis of finite element.　　Keywords: cumulative damage model, CFRP strips, residual flexural rigidity, RC crane girders　　 []　　1. 前言　　在近年的工业厂房使用情况调查与可靠性鉴定中发现，混凝土吊车梁存在严重的疲劳损伤现象，特别是重级、特重级工作制的吊车梁。

因此，对于工业厂房中因长期承受疲劳荷载而出现微小疲劳裂纹的混凝土吊车梁，采用合理的加固方法提高其疲劳裂纹扩展寿命(即剩余疲劳寿命)具有很大的工程意义基于此，碳纤维增强腹合材料（CFRP）凭借其突出的优点，已作为一种先进的构件加固材料在混凝土结构中得到广泛的研究和应用　　 本文用损伤力学的方法，利用混凝土结构刚度的退化程度来描述混凝土吊车梁的疲劳损伤同时，从Miner累积损伤的定义出发，视累积损伤为随机过程，基于累积损伤模型对CFRP加固混凝土吊车梁的疲劳寿命进行了评估　　2.CFRP布加固RC吊车梁的疲劳累积损伤模型　　建立疲劳累积损伤模型的主要目的是要能够根据结构的使用条件预估计其使用寿命混凝土构件的疲劳寿命预测可利用剩余刚度来描述；同时，更重要的是刚度可以通过挠度、频率等进行识别，且剩余刚度模型可以较好地模拟结构或构件的损伤成核、损伤稳定扩展、损伤失稳扩展三个阶段　　CFRP布加固后混凝土吊车梁的损伤状态对其抗弯性能的影响可通过加固后吊车梁的抗弯刚度来描述衡量构件在不同次数下的损伤时可以统一使用相对损伤值类似勒梅特(Lemaitre)经典损伤公式，定义　　 （1）　　式中，为累积损伤值；为构件无损伤时的初始抗弯刚度；为构件经次循环后的剩余抗弯刚度。

显然，该累积损伤变量是针对每一个循环的，其变化范围为0～1：对应构件无损状态；而则对应构件的疲劳破坏状态　　根据文献[3]知CFRP布加固后混凝土吊车梁的跨中挠度表达式为　　（2）　　进而可以得到经过次循环后构件的剩余抗弯刚度为　　（3）　　式中，为混凝土吊车梁的跨度；为CFRP布加固后混凝土吊车梁纯弯段的弯矩值；为与荷载形式、支承条件有关的挠度系数，　　在循环荷载作用下，CFRP布加固后混凝土吊车梁的抗弯刚度疲劳损伤变化曲线在整个寿命周期中满足三阶段变化规律，曲线的分界点约为整个寿命的10%和90%以通过标度化的剩余刚度来描述刚度退化规律更为恰当因此，本文提出了一个与损伤发展规律相对应的等幅剩余刚度三阶段线性累积损伤模型：　　 （4）　　式中，分别为第一、二、三变形阶段的损伤增长速率，根据文献[3]中的试验结果分析，分别取为1.187，0.203，0.096；分别为任一荷载循环、第一及第二阶段结束时的标度化剩余刚度的大小，其中为第一阶段结束时的加固后吊车梁的剩余刚度，对应图1中的点；为第二阶段结束时的加固后吊车梁的剩余刚度，对应图1中的点；都可由公式（3）求得；为加载循环次数与该应力幅下疲劳寿命的比值，。

　　3.基于累积损伤模型的疲劳寿命分析 　　曲线是描述结构或材料的耐疲劳性能的一个基木方程，反映了应力幅与应力循环次数的关系一般情况下曲线可以用下式表达　　（5a）　　或用双对数方程表达　　 （5b）　　式中，为常幅应力幅值循环作用下失效循环次数；为疲劳强度指数；为疲劳常数，与材料的性能有关　　实际结构中吊车荷载的重复作用一般不是常幅循环，而是变幅循环，荷载历程往往很不规则，在吊车荷载循环作用下Miner线性累积损伤理论可由下式描述　　（6）　　式中，为累积损伤值，为对应于常幅应力幅值的疲劳寿命为对应于常幅应力幅值的实际循环次数　　把式（5a）代入式（6），得　　 （7）　　式中，为变幅荷载作用下的等效常幅应力幅值　　（8）　　将（7）代入（1）可得到基于累积损伤模型下的曲线表达式　　 （9a）　　其中，可以通过试验或规范规定得到其统计参数；等效常幅应力幅值根据试验设计要求可通过现场测试的应力时间历程曲线和以往的荷载历史经循环统计计数（雨流法）得到　　4.CFRP布加固RC吊车梁疲劳寿命结果分析　　根据文献[5]的试验研究结果，本文认为，CFRP布加固后混凝土吊车梁的抗弯刚度具有明显的疲劳损伤成核、稳定扩展、失稳扩展三个阶段。

第Ⅰ阶段，CFRP布还没有充分发挥作用，混凝土初始微裂不断开展，梁跨中挠度迅速增加；第Ⅱ阶段，CFRP布的高强度优点得到充分发挥，裂纹稳定扩展，梁的挠度相对稳定增加；第Ⅲ阶段，CFRP布与混凝土剥离，梁的抗弯刚度急剧降低，跨中挠度迅速增加，随之钢筋断裂，加固后的混凝土吊车梁完全破坏　　在计算时，由于CFRP布加固后混凝土吊车梁标度化的剩余刚度与疲劳损伤分别在Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ阶段遵循线性演化规律应用公式（3）、公式（4）、公式（9）可以计算得出图2所示的CFRP布加固后混凝土吊车梁各阶段标度化的剩余量值由于在不同损伤阶段，标度化的剩余刚度与循环次数成线性关系，因此，将CFRP布加固后混凝土吊车梁所经历的循环次数与作比较，就可方便地预测构件的剩余疲劳寿命　　5.结论　　本文建立了描述CFRP布加固混凝土吊车梁疲劳累积损伤三阶段模型，基于Miner线性累积损伤理论，利用疲劳累积损伤三阶段模型建立了关系曲线并结合疲劳试验数据，对CFRP布加固混凝土吊车梁的疲劳损伤演化历程进行了数值模拟，并探讨了疲劳累积损伤模型预测CFRP布加固混凝土吊车梁剩余疲劳寿命和评估其疲劳损伤程度的可行性　　参考文献　　[1]汤红卫，李士彬．基于刚度下降的混凝土梁疲劳累积损伤模型的研究[J]．铁道学报，2007,29(3)：84-88　　[2]姚国文，黄培彦．循环荷载作用下纤维薄板增强RC梁的疲劳性能研究[J]．土木工程学报，2006,39(4)：35-38　　[3]张庆宗．CFRP加固钢筋砼吊车梁抗弯疲劳性能研究[D]．江苏大学，2007　　[4]幸坤涛，佟晓利等．吊车荷载作用下钢结构吊车梁的疲劳可靠度评估[J]．计算力学学报，2004,21(5)：636-640　　[5]刘沐宇，李开兵．碳纤维布加固混凝土梁的疲劳性能试验研究[J]．土木工程学报，2005,38(9)：32-36　　注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。