曹 靖, 王建國, 完海鷹

(合肥工業(yè)大學土木與水利工程學院,安徽合肥 230009)

在役鋼結(jié)構中存在大量的受彎構件,由于疲勞或腐蝕,這些構件經(jīng)常會發(fā)生不同程度的損傷,嚴重影響了結(jié)構的剛度和承載能力。因此,需要對這些構件進行加固,傳統(tǒng)的金屬結(jié)構加固方法主要是焊接加固技術,是在結(jié)構損傷部位焊接金屬蓋板或型鋼,使結(jié)構恢復正常承載能力而得以安全運行的加固修復技術。但該方法會增加原結(jié)構自身質(zhì)量,也會引起焊接的殘余應力。目前,國內(nèi)外研究者對碳纖維增強復合材料(CFRP)加固混凝土結(jié)構已進行了大量的研究,其工程應用也比較成熟。但關于CFRP加固鋼結(jié)構這一技術的研究、試驗和應用比較少,尤其是在國內(nèi)[1,2]。

經(jīng)大量研究表明影響吊車梁疲勞壽命和疲勞強度的因素主要有:①影響局部應力應變大小的因素,如載荷特性(應力狀態(tài)、殘余應力等)、構件的幾何形狀(打孔處應力集中)等;②影響材料微觀結(jié)構的因素,如材料種類、熱處理狀態(tài)等;③影響疲勞損傷源的因素,如表面粗糙度、腐蝕和應力腐蝕等。

影響疲勞壽命或疲勞強度的因素眾多,這也是至今人們未能很好解決疲勞問題的根本原因,但影響疲勞壽命的主要原因還是應力集中[3]。

本文所研究的鋼結(jié)構車間吊車梁采用的是寬扁鋼,經(jīng)晶相分析檢驗其質(zhì)量較差,鋼板內(nèi)部存在很大缺陷,將造成吊車梁在使用中產(chǎn)生較大的應力集中和較多的微裂縫,因此必須對該車間吊車梁進行加固處理。

國家工業(yè)建筑診斷與改造技術研究中心對2組十字形橫肋小試件進行循環(huán)荷載作用下的疲勞試驗,結(jié)果表明利用粘貼碳纖維加固的試件疲勞強度高出原試件58.9%[4],但是國內(nèi)尚沒有該方面成熟的工程實例。

為了更好地掌握CFRP加固吊車梁疲勞壽命的性能,本文通過有限元軟件ANSYS對CRFP加固后的吊車梁進行分析,獲得吊車梁粘貼CFRP后的抗疲勞性能。計算結(jié)果表明CFRP加固鋼結(jié)構后的疲勞壽命有較大提高,因此,針對該車間吊車梁提出了粘貼CFRP的加固方案。

1 有限元分析

1.1 CFRP與鋼板粘結(jié)膠層的處理

CFRP加固鋼梁是通過粘結(jié)劑將CFRP粘貼于吊車梁受拉循環(huán)應力處,使CFRP與原鋼梁共同受力,從而可以提高吊車梁的疲勞壽命、剛度及承載力。膠層單元是本次有限元模擬的關鍵部分,在加固后的復合構件中,CFRP和膠層的厚度與原鋼梁的截面尺寸相比要小得多,有限元分析中如果將CFRP和膠層的單元類型采用實體單元,將使有限元模型的單元和節(jié)點數(shù)目過大。因此,在有限元分析中采用實體單元是不合適的。目前國內(nèi)有研究者采用彈簧單元模擬膠層[5]。

本文建立的模型在借鑒已有模型(彈簧單元,節(jié)點直接耦合)的基礎上采用等效空間桁架單元,方法是根據(jù)有限元的思想把均勻的實體膠層劃分為微元體,然后再把微元體等效為空間鉸接桁架單元。

空間問題一般采用常應變四面體單元、八結(jié)點六面體單元等三維單元,在應用它們時,計算工作量很大,數(shù)據(jù)處理繁瑣。針對彈性力學問題計算的以上特點,本文基于有限元基本思想,將微元體應力分析等效為一個等效超靜定鉸結(jié)桁架單元[6]的靜力分析,如圖 1所示。

這樣就將由微元體構成的結(jié)構等效成為用等效鉸結(jié)桁架單元構成的結(jié)構,這是一種由一維單元(桿件)構成的結(jié)構,從而充分利用鉸結(jié)桁架結(jié)構模型在結(jié)點荷載作用下只有桿件軸力的特點,使得計算分析更為簡便。

根據(jù)這種思想,本文在建立膠層模型時,首先把膠層體劃分為微元體,然后等效為空間鉸結(jié)桁架單元,把整個膠層體等效為一維單元桿件組成的結(jié)構。采用ANSYS桿單元link8模擬一維桿件,如圖2所示。

圖1 微元體與桁架單元等效關系圖

圖2 建立好的膠層等效鉸接空間桁架單元

對于鉸接等效空間桁架單元的材料屬性,采用如下計算方法,可得等效鉸結(jié)空間桁架單元桿件截面抗拉(抗壓)剛度:

其中,m和n分別為等效鉸結(jié)空間桁架單元棱桿和斜桿截面抗拉(抗壓)剛度;a為等效鉸結(jié)空間桁架單元棱長;G和E分別為原結(jié)構的材料剪切模量和彈性模量。

利用上述等效公式,由已知的結(jié)構膠的材料參數(shù),可推導出每根單元桿件的材料常數(shù),并賦予每根桿件。

1.2 有限元模型的建立

為了準確地分析某車間吊車梁應用CFRP加固后的性能,有限元分析模型采用該車間的吊車梁實際尺寸。

考慮到梁的對稱性,取1/2梁(即1/2模型)

圖3 鋼板有限元模型單元

網(wǎng)格劃分時確保鋼板單元與碳纖維布的單元重合,以保證相互間有足夠好的粘結(jié)而無相對滑移。本模型有2個接觸面,即鋼梁下表面與膠層上表面和膠層下表面與碳布上表面。采用節(jié)點耦合的方式耦合2組接觸面上的節(jié)點的X、Y、Z 3個方向的自由度,達到變形協(xié)調(diào)的目的。

計算不收斂是常遇到的情況[3],為使非線性計算收斂,建模及加載求解時注意到以下幾點:

(1)網(wǎng)格密度應適當以保證能夠收斂,不是網(wǎng)格越密越好,當然太疏也不行,在應力集中區(qū)網(wǎng)格加密。

(2)不規(guī)則的單元形狀可能導致計算非正常結(jié)束,劃分實體網(wǎng)格易采用規(guī)則的正六面體。

(3)放寬收斂條件可以加速收斂速度。

(4)在施加位移約束和荷載的部位上,避免把外部條件直接施加在實體單元上,在支座部位或應力集中部位增加一個彈性墊塊,以減少應力集中,使求解能順利進行。

針對該吊車梁焊縫部位存在缺陷的特點,在網(wǎng)格劃分時對焊縫部位加大了網(wǎng)格劃分密度,以提高分析結(jié)果的準確性[7,8]。

1.3 材料參數(shù)的選取

有限元模擬計算的材料參數(shù)與施工中材料參數(shù)相同,由廠家提供,材料數(shù)據(jù)按如下方式選取:

(1)鋼材為 Q235鋼,其彈性模量為

(2)CFRP為 UT70-30型,彈性模量為217.6 GPa、泊松比0.2,拉伸強度 3 788.0 MPa。進行分析(如圖3),以節(jié)約計算時間和計算內(nèi)存空間,加快分析進度。鋼板采用3D實體單元——SOLID45,采用分離式的有限元模型,碳纖維布采用膜單元——SHELL41(如圖 4),CFRP與吊車梁之間的膠層采用桁架單元來模擬。216.3 GPa。CFRP的厚度為0.167 mm。

圖4 CFRP有限元模型單元

(3)粘結(jié)劑用雙組份環(huán)氧樹脂膠,固結(jié)后膠層拉伸強度42.6 MPa,剪切強度16.42 MPa,彈性模量2.57 GPa,泊松比0.38。設膠層厚度為0.12 mm,寬度和長度與碳纖維布相同。

2 加固前后有限元分析結(jié)果比較

為了更準確地把握利用CFRP加固前后鋼吊車梁的性能,首先,對未處理的吊車梁在有初始微裂紋的狀態(tài)下進行ANSYS疲勞仿真分析,應力幅為200 MPa,應力比為0.1。

分析結(jié)果顯示在荷載循環(huán)次數(shù)僅為設計使用年限內(nèi)循環(huán)次數(shù)50%時,在焊縫焊趾附近就出現(xiàn)明顯的應力集中現(xiàn)象,而且這些部分的微裂紋開始擴展形成微裂縫。當循環(huán)次數(shù)達到65%時,裂縫擴展速度相當明顯,吊車梁已經(jīng)不適于繼續(xù)承載。

以同樣的應力幅和應力比,對CFRP加固后的吊車梁進行有限元疲勞分析,結(jié)果顯示在比未加固梁多1倍循環(huán)荷載作用下,吊車梁焊趾附近應力集中并不十分明顯,其微裂紋擴展緩慢,此時碳纖維布及粘結(jié)膠層未出現(xiàn)疲勞損傷現(xiàn)象。

從加固前后荷載循環(huán)次數(shù)的比較及有限元仿真分析結(jié)果可以看出:加固后比加固前荷載循環(huán)次數(shù)提高近1倍,應用CFRP加固吊車梁明顯地降低了焊趾附近應力集中系數(shù),減緩了構件微裂紋的擴展。

3 加固方案

根據(jù)對該車間吊車梁檢測結(jié)果和ANSYS有限元仿真分析,決定采用粘貼CFRP對該車間吊車梁進行加固處理。具體加固方案如圖5和圖6所示,在鋼梁腹板和翼緣交接處兩邊各延伸粘貼CFRP,并在端部垂直方向粘貼CFRP壓條,在工程應用中效果較好。

圖5 吊車梁粘貼CFRP加固立面圖

圖6 粘貼CFRP加固吊車梁詳圖

4 結(jié) 論

(1)碳纖維加固后焊趾處應力出現(xiàn)重新分布,CFRP承擔焊趾處的部分應力,焊趾處鋼材應力明顯降低,導致鋼材焊趾處應力集中系數(shù)降低,改善了鋼構件焊趾附近的疲勞性能。在給定循環(huán)次數(shù)條件下,粘貼CFRP加固后,吊車梁能夠承受更大的疲勞應力,或者在給定應力幅、應力比條件下,CFRP加固試件的疲勞壽命高于原狀焊縫。

(2)與傳統(tǒng)的鋼結(jié)構加固方法相比,吊車梁粘貼CFRP加固后其性能恢復非常顯著。

(3)本文提出的有限元分析模型“實體-桁架-殼元”可以分析CFRP加固鋼結(jié)構,對該車間吊車梁應用CFRP加固的方法也為類似工程提供了參考。

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