Изгибное поведение усиленных поврежденных стальных балок с использованием углеродного волокна

Научные отчеты, том 12, Номер статьи: 10134 (2022) Цитировать эту статью

951 Доступов

2 цитаты

1 Альтметрика

Подробности о метриках

В этой статье представлены результаты испытаний и анализа методом конечных элементов исследования поведения при изгибе поврежденных стальных балок, усиленных листами из полимера, армированного углеродным волокном (CFRP). Результаты испытаний показали, что предел текучести, предельная нагрузка и упругая жесткость стальных балок со 100% потерей растянутой полки были на 68,3%, 73,8% и 13,5% выше, чем предел текучести, предельная нагрузка и упругая жесткость стальной балки с 28% потеря полотна после статической загрузки. Нагрузка текучести и упругая жесткость стальной балки после перегрузки были на 8,7% и 24,5% больше, чем предел текучести и упругая жесткость стальной балки без перегрузки. Уровень повреждения оказал существенное влияние на предел текучести, предельную несущую способность и упругую жесткость стальных балок независимо от того, находились ли стальные балки под статической нагрузкой или перегрузкой. Поврежденную стальную балку можно отремонтировать с помощью листов углепластика, увеличенные слои листов углепластика могут улучшить предел текучести, предельную несущую способность и упругую жесткость стальных балок, а деформации листов углепластика уменьшатся из-за перегрузки. Результаты численного анализа показали, что по сравнению со стальной балкой без перегрузки прогибы и деформации стальной балки после перегрузки были намного меньшими. Нагрузка текучести и упругая жесткость возрастают с увеличением амплитуды перегрузки, а увеличение числа перегрузки может снизить предел текучести и упругую жесткость. Все нагрузки текучести стальных балок после перегрузки были больше пределов текучести стальных балок без перегрузки, но предельная несущая способность была меньше.

Одной из основных задач, стоящих сегодня перед гражданским инженерным сообществом, является продление срока службы изношенных стальных конструкций. Замена пришедших в негодность конструкций зачастую невозможна, а их ремонт с использованием традиционных материалов неэффективен с точки зрения стоимости, социальных и экологических последствий и долговечности. Некоторые конструкции всегда эксплуатируются в условиях перегрузки, при которой эксплуатационная нагрузка превышает 70 % предельной нагрузки конструкции. В последние годы новым методом ремонта поврежденных стальных конструкций стало использование листов полимера, армированного углеродным волокном (CFRP). Листы углепластика обладают уникальными материалами и механическими свойствами, такими как низкий собственный вес, высокая прочность и жесткость, а также хорошая долговечность. Листы углепластика можно приклеить эпоксидной смолой к натянутой поверхности поврежденных элементов, чтобы восстановить или повысить предельную несущую способность стальных элементов. За последние годы было проведено множество исследований по ремонту и модернизации стальных элементов с использованием материалов из армированного волокном полимера (FRP) на эпоксидной связке. Коломби и Поджи1 исследовали экспериментальную и численную программу для характеристики статического поведения стальной балки, армированной пултрузией из углепластика. Основной целью экспериментальной программы была оценка механизма передачи усилий, прироста несущей способности и жесткости на изгиб. Использование пултрузионных полос из углепластика также позволило нам проверить различные аналитические и численные модели для статического анализа армированных балок. Боччарелли2 представил простой подход для оценки реакции статически определенных стальных балок, армированных полимерными пластинами, армированными углеродным волокном, в упругопластическом режиме. Предложенное решение было действительным только на определенном расстоянии от концов арматуры, где на реакцию конструкции не влияли местные эффекты из-за резкого прекращения армирования. Сугиура и др.3 представили применимость адгезии углепластика для ремонта корродированных стальных элементов. Отслаивание углепластика было исследовано экспериментально при испытаниях на растяжение и изгиб стальных элементов с приклеенным углепластиком. На основе результатов эксперимента дана расчетная методика определения необходимого объема и длины склеивания углепластика и проверки отслаивания углепластика от стали. Ву и др.4 исследовали усталостное поведение стальных балок с искусственными надрезами, усиленных четырьмя различными типами материалов, испытанных при эквивалентной жесткости на растяжение. Результаты испытаний показали, что применение композитной пластины, армированной волокном, может не только замедлить возникновение трещин, уменьшить скорость роста трещин и продлить усталостную долговечность, но также уменьшить снижение жесткости и остаточный прогиб. Ю и др.5 исследовали эффективность пластин из углепластика в продлении усталостной долговечности стальных конструкций. Результаты экспериментов показали, что заплаты из углепластика могут эффективно замедлять рост трещин, продлевая усталостную долговечность, а позднее упрочнение при более высоком уровне повреждения, как правило, приводит к более значительному увеличению остаточного усталостного срока службы. Боччарелли и Коломби6 представили простой подход для расчета упругопластической реакции стальной балки, армированной пластиной из углепластика. Основной вывод заключался в том, что усиленная секция должна была достичь большой кривизны, чтобы развить свое предельное сопротивление изгибающему моменту, и по этой причине было необходимо использовать ребра жесткости, чтобы избежать проблем с локальной нестабильностью как в стенке, так и в полках. Хмидан и др.7 сообщили о поведении вершины трещины в широкополочных стальных балках W4 × 13, усиленных листами углепластика. Результаты показали, что свойства углепластика, такие как количество слоев и модуль упругости, влияют на пластичность вершины трещины упрочненных балок. Коломби и др.8 провели испытания на усталость стальных пластин с трещинами (образцы с одной кромкой), армированных полосами, прикрепленными к одной стороне. Результаты показали, что материалы из углепластика, связанные с областью кончика, продлевают усталостную долговечность поврежденных стальных элементов примерно в 3 раза. Гафури и Мотавалли9 экспериментально и численно исследовали коробление при поперечном кручении (LTB) стальных балок, упрочненных нормальным модулем ( НМ) Углепластики. Было показано, что увеличение предварительного напряжения в ламинате из углепластика не всегда увеличивает прочность модернизированных тонких стальных балок на изгиб. Ван и др.10 использовали листы углепластика и предварительно напряженные листы углепластика для ремонта стально-бетонных композитных балок. Результаты показали, что листы из углепластика не оказали существенного влияния на предел текучести усиленных композитных балок, но оказали значительное влияние на предельные нагрузки. Коломби и Фава11 исследовали девять балок из усиленной углепластиком стали с трещинами под действием усталостной нагрузки. Результаты экспериментов показали наличие отслоившейся области между арматурой и стальной подложкой в ​​месте трещины. Разрушение явно оказало отрицательное влияние на эффективность армирования. Голами и др.12 оценили характеристики стальных балок двутаврового сечения, усиленных пултрузионными пластинами из углепластика на нижней полке, после воздействия различных условий, включая естественный тропический климат, циклы влажность/сухость, простую воду, соленую воду и кислый раствор. Исследование показало, что клеевой слой является важной частью, а производительность системы напрямую зависит от поведения и пластичности всех упрочненных балок, увеличивающихся после воздействия. Альджабар и др.13 расширили текущие знания об усилении углепластика стальных элементов при усталостной нагрузке на растяжение на случай смешанной нагрузки растяжения и сдвига. Было обнаружено явление смещения, описывающее влияние смешанного режима на распространение трещин. Коэффициент модификации смешанного режима был разработан для оценки усталостной долговечности стальных пластин, упрочненных углепластиком, с наклонными начальными трещинами. Ху и др.14 предложили руководства и программы по усталостному расчету для стальных конструкций, усиленных углепластиком. Было показано, что углепластик эффективен для усиления стальных конструкций в условиях усталости. Углепластик может продлить усталостную долговечность при определенных условиях нагрузки или увеличить допустимый диапазон напряжений, когда требуется определенный усталостный срок службы. Yousefi и др.15 представили результаты экспериментальных и численных исследований по анализу отказов и структурному поведению надрезанных стальных двутавровых балок, армированных пластинами из углепластика под статической нагрузкой. Результаты показали, что виды разрушения углепластика при усилении некачественных стальных двутавровых балок включали отслоение концов, отслоение под нагрузкой ниже точки, раскалывание и расслоение. Боччарелли и др.16 предложили аналитические и численные модели упругохрупких клеев для оценки распределения напряжений и деформаций в арматуре при заданной длине трещины. Результаты экспериментов были рассмотрены для подтверждения предложенных численных и аналитических методов. Результаты расчетов хорошо согласуются с экспериментальными результатами. Мартинелли и др.17 изучили характеристики сцепления композитов из армированного волокном полимера (FRP), приклеенных к стальным подложкам, с помощью экспериментального и численного моделирования. Результаты показали, что соотношение сцепления и скольжения, включенное в предложенную численную модель, оказало значительное влияние на численные результаты. Поэтому было важно определить реалистичные соотношения сцепления и скольжения при использовании различных типов клея и условий отверждения (путем проведения экспериментальных испытаний). Чжан и др.18 исследовали поведение при изгибе корродированных стальных балок, усиленных пластинами из углепластика. Было исследовано влияние уровней силы коррозии и предварительного напряжения на изгибную способность, виды разрушения и межфазное напряжение. Результаты показали, что характер разрушения корродированных балок заключался в разрушении пластины из углепластика после разрушения при сдвиге интерфейса на среднем пролете, а место разрушения пластины из углепластика находилось в основном в точке нагрузки. Шероховатая поверхность корродированной стали может повысить эффективность передачи напряжений на границе раздела, тем самым увеличивая эффективную длину связи на границе раздела. Касательное напряжение было сосредоточено в основном на конце пластины из углепластика, а максимальное значение появилось в точке нагрузки. По сравнению с эталонной балкой предельная изгибная способность корродированной балки, упрочненной углепластиковыми пластинами с уровнем предварительного напряжения 15 %, увеличилась на 21 %, а коэффициент использования углепластиков составил до 71,59 %. Ху и Фэн19 представили метод расчета поврежденных стальных конструкций, армированных углепластиком, и разработали программу проектирования. Результаты показали, что армирование углепластиком может улучшить срок службы в определенном диапазоне напряжений и допустимом диапазоне напряжений при условии достижения целевого срока службы. Дэн и др.20 исследовали усталостные характеристики при изгибе поврежденных стальных балок, усиленных пластинами брэгговской решетки из пластикового оптического волокна, армированных углеродным волокном (CFRP-OFBG). Результаты испытаний показали, что армирование пластинами из углепластика-OFBG эффективно снижает скорость роста усталостных трещин поврежденных стальных балок и увеличивает усталостную долговечность поврежденных стальных балок на 22,46%. Результаты анализа и испытаний показали, что минимальная ошибка между расчетным значением модели прогнозирования жизни и тестовым значением составила - 24,13%, а максимальная ошибка - 5,61%.