钢箱梁横隔板母材疲劳及CFRP加固提升的机理与寿命

Fatigue mechanism of transverse diaphragm parent metal in steel box girder is revealed by compression-compression fatigue test of the material combined with residual stress test of welding and thermal cutting in the cutout and thermal elastic-plastic finite element analysis. The adaptability to transverse diaphragm of existing S-N curves and fatigue life prediction theory based on stress intensity factor are researched, new and reasonable fatigue control parameter and corresponding fatigue life prediction method of parent material of the transverse diaphragm are proposed through high-cycle fatigue test of a full-scale segment model of steel box girder and fatigue information collection of real bridges. Bond properties under static and fatigue loading between steel and CFRP plate using adhesive of Sikadur-31 Normal cured and serving at room temperature are verified by mechanical test, and the best adhesive is determined, scientific curing process, effective bond length, static and fatigue performance of the bonding layer under different service temperature are studied. Failure mode and life improvement of the parent metal of transverse diaphragm after strengthening using CFRP are researched through theoretical analysis, numerical simulation and static and fatigue test, reasonable design of reinforcement plate and scientific strengthening process are investigated to significantly improve the fatigue life of the reinforced structure; and fatigue life prediction theories of the reinforced structure are finally proposed based on the study above.

通过横隔板材性的压-压疲劳试验、弧形切口处横隔板的焊接残余应力和热切割残余应力试验测试及其热弹塑性有限元数值模拟、应力特征分析等，揭示横隔板母材疲劳开裂内在机理；研究已有的S-N曲线、基于应力强度因子的疲劳寿命理论各自对横隔板母材的适应性，结合钢箱梁节段模型高周疲劳试验和实桥疲劳相关信息汇集，提出适应横隔板母材的新疲劳控制参量及相应寿命预测方法；通过钢板/CFRP板粘结的力学试验，验证常温固化、常温服役下钢板/CFRP板之间Sikadur-31 Normal等粘结层的静力与疲劳性能，选定胶黏剂，研究粘结层合理固化工艺及其不同服役温度条件下的有效粘结长度、静力强度和疲劳性能；通过理论分析、数值模拟、静力与疲劳试验，研究CFRP加固横隔板母材的破坏模式和寿命提升机理，确定CFRP加固板的合理设计方法、技术工艺等，大幅提升横隔板母材CFRP加固的疲劳寿命；结合前述研究，提出其疲劳寿命预测方法。

本项目紧紧围绕钢箱梁桥横隔板及其CFRP加固的抗疲劳设计与工艺确定的基础理论，采用试验、理论及数值模拟相结合的方法，开展了钢箱梁横隔板母材疲劳及CFRP加固提升的机理与疲劳寿命研究，取得了以下成果：（1）得到了钢箱梁横隔板-U肋弧形切口细节热切割残余应力分布特征、疲劳开裂机理、以及热残余应力分布对疲劳性能的影响；（2）得到了疲劳应力幅较低的钢桥面板弧形切口形态及切割原则，并实桥验证了横隔板弧形切口切割原则的有效性。（3）提出了一种CFRP板加固钢箱梁横隔板弧形切口母材疲劳裂纹的加固方法，并将该方法成功应用于某实桥钢箱梁横隔板母材的疲劳加固。（4）得到了常温和高温环境下不同环氧粘结剂与CFRP-钢界面的力学行为和破坏模式以及CFRP材料对界面粘结-滑移本构和粘结性能的影响，讨论了粘结界面强度预测方法。（5）得到了不同温度下新型薄膜粘结剂CFRP板-钢粘结界面的强度、破坏模式、韧性性能、荷载-位移响应、CFRP表面应变及界面粘结应力分布规律。（6）获得了不同温度下CFRP增强损伤钢板的疲劳失效模式、疲劳裂纹扩展、疲劳寿命增长系数以及CFRP-钢界面的损伤演化过程，解析了CFRP-钢界面粘结应力分布计算方法，基于线弹性断裂力学提出了CFRP增强含裂纹钢板裂尖应力强度因子计算方法、CFRP增强损伤钢构件疲劳寿命预测的修正Newman模型，讨论了经典Paris模型和修正Newman模型对于CFRP增强损伤钢构件疲劳寿命预测的适用性。（7）得到了固化剂及纳米材料种类和掺量对粘结剂基本力学性能的影响规律，揭示了纳米材料对环氧胶粘剂增强增韧机理，提出了高性能的纳米材料环氧胶粘剂的基础配合比，明确了固化剂、纳米材料的种类和合理掺量，制备了力学性能优异的加固钢构件专用环氧胶粘剂。（8）通过足尺节段模型疲劳试验与理论分析明确了当前材料水平及制造工艺下横隔板光滑弧形切口细节的疲劳性能，比较了名义应力法和热点应力法对弧形切口细节疲劳评估的适用性，确定了横隔板光滑弧形切口细节的疲劳等级及相应的评估方法。