CFRP加固鋼結構吊車梁疲勞有限元分析及應用

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)

在役鋼結構中存在大量的受彎構件,由于疲勞或腐蝕,這些構件經常會發(fā)生不同程度的損傷,嚴重影響了結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)的金屬結構加固方法主要是焊接加固技術,是在結構損傷部位焊接金屬蓋板或型鋼,使結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構自身質量,也會引起焊接的殘余應力。目前,國內外研究者對碳纖維增強復合材料(CFRP)加固混凝土結構已進行了大量的研究,其工程應用也比較成熟。但關于CFRP加固鋼結構這一技術的研究、試驗和應用比較少,尤其是在國內[1,2]。

經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]。

本文所研究的鋼結構車間吊車梁采用的是寬扁鋼,經晶相分析檢驗其質量較差,鋼板內部存在很大缺陷,將造成吊車梁在使用中產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。計算結果表明CFRP加固鋼結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與鋼板粘結膠層的處理

CFRP加固鋼梁是通過粘結劑將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構等效成為用等效鉸結桁架單元構成的結構,這是一種由一維單元(桿件)構成的結構,從而充分利用鉸結桁架結構模型在結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桁架單元,把整個膠層體等效為一維單元桿件組成的結構。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為等效鉸結空間桁架單元棱長;G和E分別為原結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)網格密度應適當以保證能夠收斂,不是網格越密越好,當然太疏也不行,在應力集中區(qū)網格加密。

(2)不規(guī)則的單元形狀可能導致計算非正常結束,劃分實體網格易采用規(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,在網格劃分時對焊縫部位加大了網格劃分密度,以提高分析結果的準確性[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)粘結劑用雙組份環(huán)氧樹脂膠,固結后膠層拉伸強度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。

分析結果顯示在荷載循環(huán)次數(shù)僅為設計使用年限內循環(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 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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