文章摘要:疲劳破坏为钢结构典型的破坏模式之一，其发生突然、造成后果严重。对于损伤钢结构，避免或延缓其疲劳破坏十分必要。相比于更换损伤结构，采取有效手段对其进行抗疲劳加固更为经济、高效。碳纤复材（CFRP）轻质高强、疲劳性能和耐腐蚀性能优越，用于抗疲劳加固损伤钢结构的高效性和便捷性已得到证明。其中，CFRP-钢界面的粘结性能是决定加固效果的关键。然而，现有研究虽针对各种形式的CFRP加固钢结构的疲劳性能进行了大量试验、数值等方面的研究，但对界面脱胶的影响研究较少，相关的疲劳设计方法尚未充分考虑疲劳裂纹扩展与界面脱胶发展的耦合机理，面向疲劳加固工程使用的设计程序则更为有限，使得现有设计存在偏于不安全的可能性。因此，提出了考虑脱胶的CFRP加固含裂纹损伤钢结构疲劳性能设计方法及程序。首先，深入分析了裂纹扩展与脱胶发展的耦合关系，并应用有限元方法定量研究了裂纹尖端脱胶与裂纹扩展的相互影响，从而拟合出放大系数，修正了影响裂纹扩展速率的应力强度因子。在此基础上，基于经典断裂力学，建立了CFRP加固损伤钢结构的疲劳寿命预测理论，从而提出了疲劳设计准则，并通过大量试验结果证实了其较未考虑脱胶的计算结果更为准确和安全；同时提出了强度准则，以确保加固后结构静载下的安全性；最终基于疲劳准则和强度准则建立了CFRP加固损伤钢结构的疲劳设计方法。最后，由于疲劳寿命计算参数多且涉及积分等复杂运算，难以在工程中直接应用，基于该疲劳设计方法，应用Matlab软件编写了面向可用寿命、许用应力等设计目标的“EasyFatigueforFSS”程序和对应的用户使用界面；应用该程序，给出了两个典型的CFRP板单面加固钢梁的设计算例，证明了CFRP加固能在一定应力幅度下大幅度提高钢结构可用寿命，也能在达到目标可用寿命的前提下有效提高容许应力幅度；该程序使用方便、计算快速且计算结果偏于安全，可供CFRP抗疲劳加固钢结构的相关工程参考。

文章关键词:碳纤复材,加固,损伤钢结构,疲劳性能,设计方法,

项目基金:国家自然科学基金项目(No.51578559，No.51708174),

论文作者:冯鹏² 

作者单位:1. 上海交通大学 2. 清华大学 

论文分类号: TU391

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