循環(huán)荷載下CFRP布加固腐蝕鋼梁及組合梁的受力性能與機(jī)制探究一、引言1.1研究背景與意義在現(xiàn)代土木工程領(lǐng)域，鋼梁及鋼-混凝土組合梁憑借其突出的力學(xué)性能、便捷的施工特點(diǎn)以及出色的經(jīng)濟(jì)性，被廣泛應(yīng)用于各類(lèi)建筑結(jié)構(gòu)和橋梁工程中。然而，這些結(jié)構(gòu)在長(zhǎng)期服役過(guò)程中，不可避免地會(huì)遭受各種不利因素的影響，其中腐蝕和循環(huán)荷載是最為常見(jiàn)且危害較大的因素。鋼材本身具有易腐蝕性，當(dāng)鋼梁及組合梁長(zhǎng)期暴露在自然環(huán)境中，如濕度較大、存在化學(xué)侵蝕介質(zhì)的環(huán)境里，鋼材表面會(huì)與周?chē)橘|(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，進(jìn)而引發(fā)腐蝕現(xiàn)象。腐蝕會(huì)使鋼材的有效截面面積逐漸減小，導(dǎo)致構(gòu)件的強(qiáng)度、塑性和韌性等力學(xué)性能不斷退化。中國(guó)工程院重大咨詢(xún)項(xiàng)目“我國(guó)腐蝕狀況及控制戰(zhàn)略研究”顯示，2014年我國(guó)全行業(yè)腐蝕總成本高達(dá)21278.2億元人民幣，約占當(dāng)年國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值（GDP）的3.34%，全球因腐蝕每年造成的經(jīng)濟(jì)損失是綜合自然災(zāi)害損失（地震、臺(tái)風(fēng)、水災(zāi)）總和的6倍，這足以凸顯腐蝕問(wèn)題的嚴(yán)重性。在橋梁鋼結(jié)構(gòu)中，腐蝕類(lèi)型多樣，包括均勻腐蝕、點(diǎn)腐蝕、縫隙腐蝕、晶間腐蝕和應(yīng)力腐蝕等。均勻腐蝕會(huì)使鋼材整體厚度以均勻速度變??；點(diǎn)腐蝕在個(gè)別點(diǎn)或小范圍產(chǎn)生，腐蝕速度快且方向呈縱向發(fā)展；縫隙腐蝕通常發(fā)生在鋼結(jié)構(gòu)橋梁的連接處或焊縫接頭處的縫隙中；晶間腐蝕和應(yīng)力腐蝕則會(huì)在特定條件下對(duì)鋼材性能造成嚴(yán)重破壞。這些腐蝕現(xiàn)象不僅會(huì)導(dǎo)致鋼構(gòu)件的有效截面面積減小，還會(huì)引發(fā)應(yīng)力集中現(xiàn)象，顯著降低構(gòu)件的承載力，甚至可能導(dǎo)致失穩(wěn)破壞，嚴(yán)重威脅結(jié)構(gòu)的安全。除了腐蝕，循環(huán)荷載也是影響鋼梁及組合梁性能的關(guān)鍵因素。在實(shí)際工程中，許多結(jié)構(gòu)會(huì)承受頻繁的動(dòng)態(tài)荷載作用，如橋梁結(jié)構(gòu)會(huì)受到車(chē)輛的反復(fù)行駛荷載，工業(yè)廠房中的吊車(chē)梁會(huì)受到吊車(chē)的頻繁起吊和移動(dòng)荷載等。循環(huán)荷載的作用會(huì)使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生疲勞損傷，隨著荷載循環(huán)次數(shù)的增加，疲勞裂紋逐漸萌生并擴(kuò)展，最終可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的疲勞破壞。疲勞破壞是一種脆性破壞，往往在沒(méi)有明顯預(yù)兆的情況下突然發(fā)生，其危害性極大。為了提高腐蝕鋼梁及組合梁在循環(huán)荷載下的性能，延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的使用壽命，保障結(jié)構(gòu)的安全可靠運(yùn)行，采用有效的加固技術(shù)顯得尤為重要。碳纖維增強(qiáng)聚合物（CFRP）布加固技術(shù)作為一種新型的加固方法，近年來(lái)在土木工程領(lǐng)域得到了廣泛的關(guān)注和應(yīng)用。CFRP布具有一系列優(yōu)異的性能，其強(qiáng)度和剛度大，重量卻很輕，密度不足鋼材的1/5，強(qiáng)度卻是鋼材的8-10倍；同時(shí)，它還具有出色的耐腐蝕性能和抗疲勞性能，能夠有效地抵抗外界環(huán)境的侵蝕和循環(huán)荷載的作用。將CFRP布粘貼在鋼梁及組合梁表面，通過(guò)二者之間的協(xié)同工作，可以顯著提高結(jié)構(gòu)的承載能力、剛度和抗疲勞性能，有效延緩疲勞裂紋的擴(kuò)展，從而達(dá)到加固和修復(fù)結(jié)構(gòu)的目的。目前，雖然國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)CFRP布加固鋼結(jié)構(gòu)和組合梁的性能進(jìn)行了一定的研究，但在循環(huán)荷載作用下，尤其是針對(duì)腐蝕鋼梁及組合梁的加固效果和受力性能的研究還相對(duì)較少。不同的腐蝕程度、循環(huán)荷載特性以及CFRP布的加固參數(shù)（如布的層數(shù)、粘貼方式等）都會(huì)對(duì)加固效果產(chǎn)生顯著影響，這些因素之間的相互關(guān)系和作用機(jī)制尚未完全明確。深入研究循環(huán)荷載下CFRP布加固腐蝕鋼梁及組合梁的受力性能，揭示其破壞機(jī)理和加固效果的影響因素，不僅可以豐富和完善CFRP布加固技術(shù)的理論體系，還能為實(shí)際工程中的結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)和施工提供更為科學(xué)、可靠的依據(jù)，具有重要的理論意義和工程應(yīng)用價(jià)值。1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.2.1鋼梁及組合梁腐蝕與疲勞研究現(xiàn)狀在鋼梁及組合梁的腐蝕研究方面，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已取得了較為豐碩的成果。張素梅等學(xué)者采用通電加速腐蝕的方法，針對(duì)所受應(yīng)力水平為0.3倍屈服應(yīng)力工況下的60個(gè)Q420qD鋼材試件展開(kāi)研究，分析其應(yīng)力腐蝕特征，并與無(wú)應(yīng)力試件對(duì)比。研究發(fā)現(xiàn)，有應(yīng)力試件和無(wú)應(yīng)力試件的腐蝕速率均呈現(xiàn)先快后慢的趨勢(shì)，當(dāng)目標(biāo)腐蝕率小于18%時(shí)，兩者腐蝕速率近似為常數(shù)，且有應(yīng)力試件的腐蝕速率約為無(wú)應(yīng)力試件的1.15倍。從腐蝕形貌來(lái)看，有應(yīng)力試件的發(fā)展速度更快，但最終兩者都以均勻腐蝕為主。在表面分形維數(shù)方面，兩者變化規(guī)律相似，均在腐蝕初期迅速增大，隨后出現(xiàn)周期性上下波動(dòng)，且有應(yīng)力試件的分形維數(shù)更大。蝕坑形態(tài)主要為球冠狀，單個(gè)蝕坑深度分布服從正態(tài)分布規(guī)律，蝕坑徑深比穩(wěn)定在2-6之間，平均值約為4。Yuan,Yangguang等學(xué)者進(jìn)行斜拉索單根鋼絲的均勻腐蝕試驗(yàn)，將腐蝕過(guò)程分為鍍鋅層腐蝕和基體腐蝕兩個(gè)階段。在腐蝕初期，鋼絲表面會(huì)出現(xiàn)裂紋，微觀形貌從致密球形結(jié)構(gòu)逐漸變?yōu)槎嗫?、中空和疏松結(jié)構(gòu)?；w腐蝕時(shí)，腐蝕產(chǎn)物形態(tài)多樣，隨著時(shí)間延長(zhǎng)，其呈現(xiàn)出不同的形狀。同時(shí)，護(hù)套破損形狀對(duì)鋼絞線橫截面內(nèi)鋼絲的空間腐蝕變異性影響顯著，隨著暴露時(shí)間增加，鋼絲不同分層之間的整體腐蝕差異程度減小，矩形和方形斷裂形狀的護(hù)套會(huì)使鋼絲腐蝕具有更強(qiáng)的空間變異性。兩個(gè)階段的均勻腐蝕深度呈線性增加，速率逐漸減小并趨于穩(wěn)定。在疲勞研究領(lǐng)域，許多學(xué)者針對(duì)鋼梁及組合梁在循環(huán)荷載作用下的疲勞性能展開(kāi)了深入研究。例如，通過(guò)對(duì)不同類(lèi)型的鋼梁及組合梁進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，分析其疲勞裂紋的萌生和擴(kuò)展規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn)，疲勞裂紋通常在應(yīng)力集中部位萌生，如焊接接頭、螺栓連接處等。隨著循環(huán)荷載次數(shù)的增加，裂紋逐漸擴(kuò)展，當(dāng)裂紋擴(kuò)展到一定程度時(shí)，會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的疲勞破壞。同時(shí)，荷載幅值、加載頻率、應(yīng)力比等因素對(duì)疲勞壽命有著顯著影響。較高的荷載幅值和較低的加載頻率會(huì)加速疲勞裂紋的擴(kuò)展，縮短結(jié)構(gòu)的疲勞壽命；而應(yīng)力比的變化也會(huì)改變結(jié)構(gòu)的疲勞性能。一些學(xué)者還利用數(shù)值模擬方法，建立鋼梁及組合梁的有限元模型，對(duì)其在循環(huán)荷載下的疲勞性能進(jìn)行預(yù)測(cè)和分析。通過(guò)數(shù)值模擬，可以更直觀地了解結(jié)構(gòu)內(nèi)部的應(yīng)力分布和應(yīng)變狀態(tài)，為結(jié)構(gòu)的疲勞設(shè)計(jì)和評(píng)估提供理論依據(jù)。1.2.2CFRP布加固鋼結(jié)構(gòu)研究現(xiàn)狀CFRP布加固鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)的研究已在國(guó)內(nèi)外廣泛開(kāi)展，取得了眾多有價(jià)值的成果。在國(guó)外，美國(guó)、歐洲和日本等發(fā)達(dá)國(guó)家和地區(qū)在該領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位。美國(guó)和歐洲在CFRP材料的研發(fā)和生產(chǎn)方面具備較高水平，不斷推動(dòng)材料性能的提升和創(chuàng)新。日本則在CFRP加固鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和施工方面積累了豐富經(jīng)驗(yàn)，形成了一套較為成熟的技術(shù)體系。例如，日本的一些研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)大量的試驗(yàn)和工程實(shí)踐，對(duì)CFRP布加固鋼結(jié)構(gòu)的施工工藝進(jìn)行了優(yōu)化，提高了加固效果和結(jié)構(gòu)的可靠性。在國(guó)內(nèi)，北京工業(yè)大學(xué)、同濟(jì)大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)等高校也對(duì)CFRP加固鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行了深入研究。這些高校的研究涵蓋了材料性能、加固機(jī)理、設(shè)計(jì)方法等多個(gè)方面。北京工業(yè)大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)試驗(yàn)研究，分析了CFRP布與鋼結(jié)構(gòu)之間的粘結(jié)性能，提出了提高粘結(jié)強(qiáng)度的方法和措施；同濟(jì)大學(xué)的學(xué)者則在加固設(shè)計(jì)理論方面進(jìn)行了深入探索，建立了更加合理的設(shè)計(jì)模型和計(jì)算方法。此外，國(guó)內(nèi)的一些知名企業(yè)，如中國(guó)建筑科學(xué)研究院、中國(guó)鐵路工程總公司等，也積極參與到CFRP加固鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)的研究和實(shí)踐中，為該技術(shù)的推廣應(yīng)用做出了重要貢獻(xiàn)。許多研究聚焦于CFRP布加固鋼結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能。鄧軍、黃培彥等學(xué)者對(duì)CFRP板加固鋼梁進(jìn)行靜載試驗(yàn)研究，共測(cè)試了8個(gè)不同工況的試件。試驗(yàn)結(jié)果表明，CFRP板加固能有效提高鋼梁的剛度和強(qiáng)度，且試驗(yàn)結(jié)果與理論分析結(jié)果吻合良好。在這一加固結(jié)構(gòu)中，結(jié)構(gòu)膠粘接層是最薄弱的環(huán)節(jié)，CFRP板端部的應(yīng)力集中往往會(huì)導(dǎo)致CFRP板的剝離破壞。馮武強(qiáng)、吳剛等學(xué)者針對(duì)現(xiàn)有普通CFRP板加固鋼結(jié)構(gòu)受彎構(gòu)件剛度提高不大的缺點(diǎn)，提出用高彈模CFRP板加固鋼結(jié)構(gòu)受彎構(gòu)件，并進(jìn)行了初步試驗(yàn)研究和理論分析。結(jié)果顯示，高彈模CFRP板加固鋼梁不僅能提高鋼梁的屈服荷載和極限荷載，更重要的是能明顯減小其使用階段的跨中撓度，提高彈性階段的剛度，這對(duì)于側(cè)重于使用階段功能要求的鋼結(jié)構(gòu)加固意義重大。1.2.3CFRP布加固腐蝕鋼梁及組合梁研究現(xiàn)狀在CFRP布加固腐蝕鋼梁的研究中，部分學(xué)者開(kāi)展了相關(guān)試驗(yàn)研究。遼寧省交通高等專(zhuān)科學(xué)校道橋系教師進(jìn)行了“預(yù)應(yīng)力CFRP布加固腐蝕鋼梁試驗(yàn)研究”，雖然具體試驗(yàn)細(xì)節(jié)未完全公開(kāi)，但從研究題目可知，其針對(duì)預(yù)應(yīng)力CFRP布加固腐蝕鋼梁的性能進(jìn)行了探索。通過(guò)施加預(yù)應(yīng)力，有望提高CFRP布的利用率，更有效地限制鋼梁的變形和裂縫開(kāi)展，從而提高腐蝕鋼梁的承載能力和耐久性。一些研究關(guān)注CFRP布加固腐蝕鋼梁的界面性能，分析CFRP布與腐蝕鋼梁之間的粘結(jié)應(yīng)力分布規(guī)律，以及腐蝕對(duì)粘結(jié)性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)，腐蝕會(huì)削弱CFRP布與鋼梁之間的粘結(jié)力，降低加固效果。因此，如何提高粘結(jié)性能，增強(qiáng)CFRP布與腐蝕鋼梁之間的協(xié)同工作能力，是需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題。對(duì)于CFRP布加固鋼-混凝土組合梁，也有學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)探討。有研究針對(duì)CFRP布加固鋼-混凝土組合梁負(fù)彎矩區(qū)受力性能展開(kāi)分析。負(fù)彎矩區(qū)是梁上下表面受力方向相反的區(qū)域，容易出現(xiàn)裂紋和破壞。在鋼-混凝土組合梁中，由于兩種材料的應(yīng)變硬化曲線不同，容易產(chǎn)生“無(wú)應(yīng)力轉(zhuǎn)移區(qū)”，且負(fù)彎矩區(qū)鋼筋應(yīng)力會(huì)逐漸降低，混凝土壓力增加，導(dǎo)致破壞模式變化和結(jié)構(gòu)失穩(wěn)。CFRP布加固技術(shù)可在負(fù)彎矩區(qū)進(jìn)行加固，增強(qiáng)梁的承載能力和延展性，提高使用壽命。在具體實(shí)現(xiàn)時(shí)，可以將CFRP加固層設(shè)置在混凝土下側(cè)或上側(cè)，并對(duì)其進(jìn)行預(yù)張力，使CFRP在梁加載過(guò)程中發(fā)揮更好的抗拉能力和延展性。然而，目前關(guān)于CFRP布加固鋼-混凝土組合梁在不同腐蝕程度和循環(huán)荷載作用下的系統(tǒng)研究還相對(duì)較少。不同腐蝕程度對(duì)組合梁的力學(xué)性能影響差異較大，而循環(huán)荷載的作用又會(huì)使結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)更加復(fù)雜。因此，深入研究不同腐蝕程度和循環(huán)荷載作用下CFRP布加固鋼-混凝土組合梁的受力性能，具有重要的理論和實(shí)際意義。1.2.4研究現(xiàn)狀總結(jié)與不足綜上所述，目前國(guó)內(nèi)外在鋼梁及組合梁的腐蝕與疲勞研究、CFRP布加固鋼結(jié)構(gòu)研究以及CFRP布加固腐蝕鋼梁及組合梁研究等方面均取得了一定的成果。然而，已有研究仍存在一些不足之處。在CFRP布加固腐蝕鋼梁及組合梁的研究中，針對(duì)不同腐蝕程度、不同循環(huán)荷載特性以及不同CFRP布加固參數(shù)（如布的層數(shù)、粘貼方式等）對(duì)加固效果的綜合影響研究還不夠深入。不同因素之間的相互關(guān)系和作用機(jī)制尚未完全明確，這使得在實(shí)際工程應(yīng)用中，難以準(zhǔn)確地根據(jù)具體情況選擇合適的加固方案。此外，現(xiàn)有的研究大多集中在短期性能方面，對(duì)于CFRP布加固腐蝕鋼梁及組合梁的長(zhǎng)期性能，如長(zhǎng)期耐久性、長(zhǎng)期疲勞性能等方面的研究還相對(duì)匱乏。在實(shí)際工程中，結(jié)構(gòu)需要長(zhǎng)期承受各種荷載和環(huán)境因素的作用，因此，研究其長(zhǎng)期性能對(duì)于保障結(jié)構(gòu)的安全可靠運(yùn)行至關(guān)重要。而且，目前的研究方法主要以試驗(yàn)研究和數(shù)值模擬為主，缺乏對(duì)理論模型的深入研究和完善。建立更加準(zhǔn)確、合理的理論模型，對(duì)于預(yù)測(cè)CFRP布加固腐蝕鋼梁及組合梁的受力性能、指導(dǎo)工程設(shè)計(jì)具有重要意義。本文將針對(duì)上述不足，開(kāi)展循環(huán)荷載下CFRP布加固腐蝕鋼梁及組合梁受力性能的研究。通過(guò)設(shè)計(jì)一系列不同腐蝕程度、不同循環(huán)荷載特性以及不同CFRP布加固參數(shù)的試驗(yàn)，深入分析各因素對(duì)加固效果的影響規(guī)律。結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果，運(yùn)用數(shù)值模擬和理論分析方法，建立考慮多種因素的理論模型，揭示CFRP布加固腐蝕鋼梁及組合梁在循環(huán)荷載下的破壞機(jī)理和受力性能，為實(shí)際工程中的結(jié)構(gòu)加固提供更科學(xué)、可靠的依據(jù)。1.3研究?jī)?nèi)容與方法1.3.1研究?jī)?nèi)容本文主要從試驗(yàn)研究、理論分析和數(shù)值模擬三個(gè)方面，對(duì)循環(huán)荷載下CFRP布加固腐蝕鋼梁及組合梁的受力性能展開(kāi)深入研究。在試驗(yàn)研究部分，將精心設(shè)計(jì)并開(kāi)展一系列對(duì)比試驗(yàn)。一方面，針對(duì)不同腐蝕程度的鋼梁和組合梁，分別設(shè)置多組試驗(yàn)工況，模擬在自然環(huán)境中鋼梁和組合梁遭受不同程度腐蝕的情況。另一方面，針對(duì)不同CFRP布加固參數(shù)，如布的層數(shù)（設(shè)置2層、3層、4層等不同層數(shù)）、粘貼方式（全跨粘貼、局部粘貼等），設(shè)置多組試驗(yàn)工況，以全面分析各因素對(duì)加固效果的影響。在試驗(yàn)過(guò)程中，采用先進(jìn)的測(cè)試技術(shù)，如應(yīng)變片測(cè)量鋼梁和組合梁關(guān)鍵部位的應(yīng)變，位移計(jì)測(cè)量其變形，以及聲發(fā)射技術(shù)監(jiān)測(cè)疲勞裂紋的萌生和擴(kuò)展，系統(tǒng)地獲取不同工況下構(gòu)件的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系、變形規(guī)律、疲勞壽命以及破壞模式等數(shù)據(jù)。在理論分析方面，基于試驗(yàn)結(jié)果和相關(guān)力學(xué)原理，深入探討CFRP布加固腐蝕鋼梁及組合梁在循環(huán)荷載下的受力機(jī)理。詳細(xì)分析CFRP布與鋼梁及組合梁之間的協(xié)同工作機(jī)制，包括粘結(jié)應(yīng)力的分布規(guī)律、傳遞方式以及對(duì)整體結(jié)構(gòu)受力性能的影響?？紤]腐蝕導(dǎo)致的鋼材力學(xué)性能退化、截面削弱等因素，建立更加完善的理論模型，推導(dǎo)適用于循環(huán)荷載下CFRP布加固腐蝕鋼梁及組合梁的承載力計(jì)算公式和變形計(jì)算公式。通過(guò)理論計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比分析，驗(yàn)證理論模型的準(zhǔn)確性和可靠性，并對(duì)理論模型進(jìn)行優(yōu)化和完善。在數(shù)值模擬部分，運(yùn)用大型通用有限元軟件ANSYS，建立CFRP布加固腐蝕鋼梁及組合梁的精細(xì)化有限元模型。在建模過(guò)程中，充分考慮鋼材和CFRP布的材料非線性特性，如鋼材的彈塑性本構(gòu)關(guān)系、CFRP布的線彈性本構(gòu)關(guān)系；考慮幾何非線性因素，如大變形對(duì)結(jié)構(gòu)受力性能的影響；以及接觸非線性因素，如CFRP布與鋼梁及組合梁之間的粘結(jié)接觸特性。通過(guò)對(duì)有限元模型施加與試驗(yàn)相同的循環(huán)荷載和邊界條件，模擬構(gòu)件在循環(huán)荷載作用下的受力過(guò)程，分析結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布、應(yīng)變發(fā)展、疲勞裂紋擴(kuò)展以及破壞模式等。將數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，確保有限元模型的準(zhǔn)確性和有效性。利用驗(yàn)證后的有限元模型，進(jìn)一步開(kāi)展參數(shù)分析，研究不同參數(shù)對(duì)加固效果的影響規(guī)律，為工程設(shè)計(jì)提供更豐富的數(shù)據(jù)支持。1.3.2研究方法本文綜合運(yùn)用試驗(yàn)研究、理論分析和數(shù)值模擬三種方法，對(duì)循環(huán)荷載下CFRP布加固腐蝕鋼梁及組合梁的受力性能進(jìn)行全面、深入的研究。試驗(yàn)研究是本文研究的基礎(chǔ)，通過(guò)精心設(shè)計(jì)和實(shí)施試驗(yàn)，能夠直接獲取構(gòu)件在實(shí)際受力情況下的性能數(shù)據(jù)，為理論分析和數(shù)值模擬提供可靠的依據(jù)。在試驗(yàn)設(shè)計(jì)方面，充分考慮不同腐蝕程度、不同CFRP布加固參數(shù)以及不同循環(huán)荷載特性等因素，采用控制變量法設(shè)置多組對(duì)比試驗(yàn)，以確保試驗(yàn)結(jié)果的科學(xué)性和有效性。在試驗(yàn)過(guò)程中，嚴(yán)格按照相關(guān)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范進(jìn)行操作，確保試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性。同時(shí)，運(yùn)用先進(jìn)的測(cè)試技術(shù)和設(shè)備，對(duì)試驗(yàn)過(guò)程中的各種物理量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和記錄，為后續(xù)的數(shù)據(jù)分析和處理提供豐富的數(shù)據(jù)來(lái)源。理論分析是本文研究的核心，通過(guò)深入分析構(gòu)件的受力機(jī)理，建立合理的理論模型，能夠從本質(zhì)上揭示CFRP布加固腐蝕鋼梁及組合梁在循環(huán)荷載下的受力性能和破壞規(guī)律。在理論分析過(guò)程中，充分借鑒現(xiàn)有的研究成果和理論方法，結(jié)合本文的試驗(yàn)結(jié)果，考慮多種因素的影響，建立更加完善的理論模型。運(yùn)用材料力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、彈性力學(xué)等相關(guān)力學(xué)知識(shí)，對(duì)理論模型進(jìn)行推導(dǎo)和求解，得到構(gòu)件的承載力計(jì)算公式、變形計(jì)算公式以及其他相關(guān)力學(xué)性能指標(biāo)。通過(guò)理論計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比分析，驗(yàn)證理論模型的準(zhǔn)確性和可靠性，并對(duì)理論模型進(jìn)行優(yōu)化和完善，使其能夠更好地指導(dǎo)工程實(shí)踐。數(shù)值模擬是本文研究的重要手段，通過(guò)建立精細(xì)化的有限元模型，能夠?qū)?gòu)件在復(fù)雜受力情況下的性能進(jìn)行模擬和分析，彌補(bǔ)試驗(yàn)研究和理論分析的不足。在數(shù)值模擬過(guò)程中，充分利用有限元軟件強(qiáng)大的計(jì)算功能和模擬能力，考慮多種非線性因素的影響，建立準(zhǔn)確的有限元模型。通過(guò)對(duì)有限元模型進(jìn)行數(shù)值計(jì)算和分析，得到構(gòu)件的應(yīng)力分布、應(yīng)變發(fā)展、疲勞裂紋擴(kuò)展以及破壞模式等信息。將數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，確保有限元模型的準(zhǔn)確性和有效性。利用驗(yàn)證后的有限元模型，進(jìn)一步開(kāi)展參數(shù)分析，研究不同參數(shù)對(duì)加固效果的影響規(guī)律，為工程設(shè)計(jì)提供更豐富的數(shù)據(jù)支持和參考依據(jù)。綜上所述，本文通過(guò)試驗(yàn)研究、理論分析和數(shù)值模擬三種方法的有機(jī)結(jié)合，相互驗(yàn)證和補(bǔ)充，全面、深入地研究循環(huán)荷載下CFRP布加固腐蝕鋼梁及組合梁的受力性能，為實(shí)際工程中的結(jié)構(gòu)加固提供科學(xué)、可靠的依據(jù)和指導(dǎo)。二、相關(guān)理論基礎(chǔ)2.1CFRP布加固技術(shù)原理CFRP布，即碳纖維增強(qiáng)聚合物布，是一種高性能的復(fù)合材料，由碳纖維和基體樹(shù)脂組成。碳纖維是由有機(jī)纖維在高溫下碳化而成，具有極高的強(qiáng)度和模量，其抗拉強(qiáng)度通?？蛇_(dá)3000MPa以上，彈性模量在200GPa左右，密度卻僅為1.7-1.8g/cm3，約為鋼材密度的1/4-1/5。基體樹(shù)脂則主要起到粘結(jié)碳纖維、傳遞荷載以及保護(hù)碳纖維的作用，常用的基體樹(shù)脂有環(huán)氧樹(shù)脂、乙烯基酯樹(shù)脂等，它們具有良好的粘結(jié)性能和耐化學(xué)腐蝕性。CFRP布加固鋼梁及組合梁的作用原理主要基于其與結(jié)構(gòu)之間的協(xié)同受力機(jī)制。當(dāng)CFRP布粘貼在鋼梁或組合梁表面時(shí)，通過(guò)結(jié)構(gòu)膠的粘結(jié)作用，CFRP布與結(jié)構(gòu)形成一個(gè)整體，共同承受外部荷載。在受彎構(gòu)件中，鋼梁或組合梁在荷載作用下產(chǎn)生彎曲變形，受拉區(qū)的CFRP布能夠提供額外的抗拉能力，與鋼梁或組合梁的受拉區(qū)共同承擔(dān)拉力，從而提高結(jié)構(gòu)的抗彎承載能力。在受剪構(gòu)件中，CFRP布可以通過(guò)約束混凝土或鋼梁的側(cè)向變形，提高構(gòu)件的抗剪能力。同時(shí)，由于CFRP布具有較高的彈性模量，能夠有效地限制結(jié)構(gòu)的變形，提高結(jié)構(gòu)的剛度。從微觀層面來(lái)看，CFRP布與結(jié)構(gòu)之間的粘結(jié)界面是實(shí)現(xiàn)協(xié)同受力的關(guān)鍵。結(jié)構(gòu)膠在CFRP布與結(jié)構(gòu)之間形成化學(xué)鍵和分子間作用力，使兩者緊密結(jié)合。在荷載作用下，粘結(jié)界面會(huì)產(chǎn)生粘結(jié)應(yīng)力，將CFRP布與結(jié)構(gòu)連接在一起，實(shí)現(xiàn)荷載的傳遞。然而，當(dāng)粘結(jié)界面的粘結(jié)應(yīng)力超過(guò)其極限值時(shí)，可能會(huì)導(dǎo)致CFRP布與結(jié)構(gòu)的剝離破壞，從而降低加固效果。因此，提高粘結(jié)界面的粘結(jié)性能，確保CFRP布與結(jié)構(gòu)之間的有效協(xié)同工作，是CFRP布加固技術(shù)的關(guān)鍵問(wèn)題之一。CFRP布加固技術(shù)還利用了其良好的耐腐蝕性能和抗疲勞性能。在腐蝕環(huán)境中，CFRP布能夠有效地隔離鋼梁或組合梁與腐蝕介質(zhì)的接觸，保護(hù)結(jié)構(gòu)免受腐蝕的侵害。在循環(huán)荷載作用下，CFRP布的抗疲勞性能能夠延緩結(jié)構(gòu)疲勞裂紋的萌生和擴(kuò)展，提高結(jié)構(gòu)的疲勞壽命。2.2鋼梁及組合梁基本力學(xué)理論鋼梁作為常見(jiàn)的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，在建筑和橋梁工程中廣泛應(yīng)用，其基本力學(xué)理論是研究其受力性能的基礎(chǔ)。在抗彎方面，根據(jù)材料力學(xué)中的梁彎曲理論，鋼梁在純彎曲作用下，其截面上的正應(yīng)力分布符合線性規(guī)律。對(duì)于等截面鋼梁，在彈性階段，其抗彎承載力可通過(guò)公式M=\frac{1}{6}bh^2f_y計(jì)算，其中M為抗彎承載力，b為梁的截面寬度，h為梁的截面高度，f_y為鋼材的屈服強(qiáng)度。隨著荷載的增加，當(dāng)鋼梁截面上的應(yīng)力達(dá)到屈服強(qiáng)度時(shí)，鋼梁進(jìn)入彈塑性階段。此時(shí)，鋼梁的變形顯著增大，其抗彎承載力的計(jì)算需要考慮材料的非線性特性。在彈塑性階段，鋼梁的抗彎承載力可通過(guò)塑性鉸理論進(jìn)行分析。當(dāng)鋼梁某一截面的彎矩達(dá)到塑性彎矩M_p時(shí)，該截面形成塑性鉸，此時(shí)鋼梁可繼續(xù)承受一定的荷載，直到形成足夠數(shù)量的塑性鉸，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞。塑性彎矩M_p可通過(guò)公式M_p=W_pf_y計(jì)算，其中W_p為鋼梁的塑性截面模量。鋼梁在承受橫向荷載時(shí)，還會(huì)產(chǎn)生剪應(yīng)力。根據(jù)材料力學(xué)中的剪切應(yīng)力計(jì)算公式，鋼梁截面上的剪應(yīng)力分布呈拋物線形，中性軸處剪應(yīng)力最大，邊緣處剪應(yīng)力為零。鋼梁的抗剪承載力主要取決于腹板的抗剪能力。對(duì)于工字形截面鋼梁，其抗剪承載力可通過(guò)公式V=h_wt_wf_v進(jìn)行估算，其中V為抗剪承載力，h_w為腹板高度，t_w為腹板厚度，f_v為鋼材的抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。當(dāng)鋼梁的腹板較薄時(shí)，可能會(huì)發(fā)生剪切屈曲破壞。為了提高鋼梁的抗剪穩(wěn)定性，可設(shè)置加勁肋，如橫向加勁肋、縱向加勁肋等。加勁肋的設(shè)置可以有效地限制腹板的屈曲變形，提高鋼梁的抗剪承載力。鋼-混凝土組合梁是由鋼梁和混凝土板通過(guò)抗剪連接件組合而成的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，其基本力學(xué)理論相較于鋼梁更為復(fù)雜。在抗彎方面，鋼-混凝土組合梁充分利用了混凝土的抗壓性能和鋼材的抗拉性能。在彈性階段，可采用換算截面法將混凝土板換算成等效的鋼材截面，然后按照鋼梁的抗彎理論進(jìn)行計(jì)算。在換算截面法中，需要考慮混凝土和鋼材的彈性模量之比，將混凝土板的截面面積乘以換算系數(shù)，得到等效的鋼材截面面積。經(jīng)過(guò)換算后，可將組合梁視為單一材料的鋼梁，利用材料力學(xué)中的梁彎曲理論計(jì)算其正應(yīng)力和撓度。當(dāng)組合梁進(jìn)入彈塑性階段時(shí)，其受力性能更加復(fù)雜。此時(shí)，需要考慮混凝土的非線性特性、鋼材的屈服以及抗剪連接件的工作性能等因素。在塑性設(shè)計(jì)方法中，假設(shè)鋼梁和混凝土同時(shí)達(dá)到極限狀態(tài)，鋼梁完全進(jìn)入屈服，混凝土達(dá)到極限狀態(tài)，剪力完全由鋼梁承擔(dān)。通過(guò)建立塑性鉸模型，可計(jì)算組合梁的極限抗彎承載力?？辜暨B接件是鋼-混凝土組合梁實(shí)現(xiàn)協(xié)同工作的關(guān)鍵部件，其作用是傳遞鋼梁和混凝土板之間的縱向剪力。常見(jiàn)的抗剪連接件有栓釘、槽鋼、彎筋等，其中栓釘是應(yīng)用最為廣泛的一種抗剪連接件。栓釘?shù)目辜舫休d力可通過(guò)試驗(yàn)或相關(guān)規(guī)范中的公式進(jìn)行計(jì)算。在實(shí)際工程中，需要根據(jù)組合梁的受力情況和設(shè)計(jì)要求，合理確定抗剪連接件的類(lèi)型、規(guī)格和布置間距?？辜暨B接件的布置應(yīng)滿足一定的構(gòu)造要求，以確保其能夠有效地傳遞剪力，保證鋼梁和混凝土板之間的協(xié)同工作。同時(shí)，抗剪連接件的設(shè)置還會(huì)影響組合梁的變形性能和疲勞性能，因此在設(shè)計(jì)和分析中需要綜合考慮。2.3循環(huán)荷載作用下結(jié)構(gòu)力學(xué)分析理論循環(huán)荷載是指在一定時(shí)間內(nèi)，大小和方向隨時(shí)間周期性變化的荷載。在土木工程領(lǐng)域，許多結(jié)構(gòu)都會(huì)承受循環(huán)荷載的作用，如橋梁、建筑結(jié)構(gòu)、機(jī)械零部件等。循環(huán)荷載具有幅值、頻率、應(yīng)力比等多個(gè)特性參數(shù)，這些參數(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能有著顯著影響。循環(huán)荷載的幅值是指荷載變化的最大值與最小值之差，它反映了荷載的變化幅度。較大的荷載幅值會(huì)使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的應(yīng)力和應(yīng)變，從而加速結(jié)構(gòu)的疲勞損傷。在橋梁結(jié)構(gòu)中，車(chē)輛的行駛荷載會(huì)產(chǎn)生循環(huán)作用，當(dāng)車(chē)輛載重較大時(shí)，荷載幅值增大，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的疲勞損傷影響更為明顯。頻率是指單位時(shí)間內(nèi)荷載循環(huán)的次數(shù)，它決定了結(jié)構(gòu)在單位時(shí)間內(nèi)受到荷載作用的頻繁程度。不同的頻率會(huì)使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不同的響應(yīng)，高頻荷載可能會(huì)引起結(jié)構(gòu)的共振現(xiàn)象，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的振動(dòng)加劇，從而加速結(jié)構(gòu)的破壞。而低頻荷載雖然作用次數(shù)相對(duì)較少，但每次作用的時(shí)間較長(zhǎng)，也會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)的性能產(chǎn)生一定的影響。應(yīng)力比是指循環(huán)荷載中最小應(yīng)力與最大應(yīng)力的比值，它反映了荷載的平均水平。不同的應(yīng)力比會(huì)改變結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)，對(duì)應(yīng)力集中區(qū)域的發(fā)展和疲勞裂紋的擴(kuò)展產(chǎn)生影響。當(dāng)應(yīng)力比較小時(shí)，結(jié)構(gòu)在受拉階段的應(yīng)力較大，容易在受拉區(qū)產(chǎn)生疲勞裂紋；而當(dāng)應(yīng)力比較大時(shí)，結(jié)構(gòu)在受壓階段的應(yīng)力較大，可能會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的局部失穩(wěn)。根據(jù)循環(huán)荷載的變化規(guī)律和特點(diǎn)，可以將其分為等幅循環(huán)荷載、變幅循環(huán)荷載和隨機(jī)循環(huán)荷載等類(lèi)型。等幅循環(huán)荷載是指荷載幅值、頻率和應(yīng)力比在整個(gè)加載過(guò)程中保持不變的循環(huán)荷載。在實(shí)驗(yàn)室中，通常采用等幅循環(huán)荷載來(lái)模擬結(jié)構(gòu)在特定工況下的受力情況，以便研究結(jié)構(gòu)的疲勞性能。通過(guò)對(duì)等幅循環(huán)荷載作用下結(jié)構(gòu)的疲勞試驗(yàn)，可以得到結(jié)構(gòu)的疲勞壽命、疲勞裂紋擴(kuò)展規(guī)律等重要參數(shù)。變幅循環(huán)荷載是指荷載幅值、頻率或應(yīng)力比在加載過(guò)程中發(fā)生變化的循環(huán)荷載。在實(shí)際工程中，許多結(jié)構(gòu)承受的荷載都是變幅循環(huán)荷載，如橋梁結(jié)構(gòu)在不同車(chē)型、不同交通流量下所承受的荷載，以及建筑結(jié)構(gòu)在風(fēng)荷載、地震荷載作用下的荷載等。變幅循環(huán)荷載的作用使得結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)更加復(fù)雜，對(duì)結(jié)構(gòu)的疲勞性能影響也更為顯著。隨機(jī)循環(huán)荷載是指荷載的幅值、頻率和相位等參數(shù)都具有隨機(jī)性的循環(huán)荷載。隨機(jī)循環(huán)荷載通常用于模擬自然環(huán)境中的復(fù)雜荷載情況，如地震荷載、海浪荷載等。由于隨機(jī)循環(huán)荷載的不確定性，對(duì)結(jié)構(gòu)的分析和設(shè)計(jì)帶來(lái)了更大的挑戰(zhàn)。在循環(huán)荷載作用下，結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能會(huì)發(fā)生顯著變化，其中疲勞損傷是最為關(guān)鍵的問(wèn)題之一。疲勞損傷理論是研究結(jié)構(gòu)在循環(huán)荷載作用下疲勞破壞機(jī)理和壽命預(yù)測(cè)的重要理論。目前，常用的疲勞損傷理論主要包括線性疲勞累積損傷理論和非線性疲勞累積損傷理論。線性疲勞累積損傷理論以Palmgren-Miner理論為代表，該理論認(rèn)為在循環(huán)荷載作用下，疲勞損傷是可以線性地累加的，各個(gè)應(yīng)力之間相互獨(dú)立和互不相關(guān)。當(dāng)累加的損傷達(dá)到某一數(shù)值時(shí)，試件或構(gòu)件就發(fā)生疲勞破壞。一個(gè)循環(huán)造成的損傷可以表示為D_1=\frac{1}{N}，其中N為對(duì)應(yīng)于當(dāng)前荷載水平S的疲勞壽命。在常幅荷載下，n次循環(huán)造成的損傷為D_n=\frac{n}{N}；在變幅荷載下，n次循環(huán)造成的損傷為D=\sum_{i=1}^{k}\frac{n_i}{N_i}。該理論認(rèn)為如果材料承受幅值為\sigma_{\alphai}的荷載，重復(fù)N_i次破壞，則在整個(gè)過(guò)程中，材料所受的損傷可線性地分配給各個(gè)循環(huán)，也即每循環(huán)一次材料受到的損傷為\frac{1}{N_i}。若\sigma_{\alphai}循環(huán)n_i次，則材料的損傷為\frac{n_i}{N_i}。在不同的荷載作用下，損傷分別為\frac{n_1}{N_1},\frac{n_2}{N_2},\cdots,\frac{n_k}{N_k}，當(dāng)總的損傷達(dá)到1時(shí)，結(jié)構(gòu)就發(fā)生疲勞破壞，即材料疲勞破壞的判據(jù)為D=\sum_{i=1}^{k}\frac{n_i}{N_i}=1，式中D為結(jié)構(gòu)的損傷度，n_i為結(jié)構(gòu)實(shí)際經(jīng)受的量值為\Delta\sigma_i的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)，N_i為\Delta\sigma_i作用下結(jié)構(gòu)的疲勞壽命。許多試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)事實(shí)表明，Miner理論較好地預(yù)測(cè)了工程結(jié)構(gòu)在隨機(jī)載荷作用下的均值壽命，所以盡管在過(guò)去的幾十年中相繼提出了數(shù)十個(gè)疲勞累積損傷理論，但Miner理論仍然是被普遍采用的工程抗疲勞設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。如果隨機(jī)載荷系列中的疲勞載荷幾乎都處于高周疲勞（HCF）區(qū)，那么用Miner線性疲勞累積損傷理論足夠了；如果隨機(jī)載荷系列中有相當(dāng)比例的疲勞載荷處低周疲勞（LCF）區(qū)，則用修正的線性疲勞累積損傷理論效果更好。然而，線性疲勞累積損傷理論忽略了不同應(yīng)力水平之間的相互作用以及材料的非線性特性，在實(shí)際應(yīng)用中存在一定的局限性。為了更準(zhǔn)確地描述結(jié)構(gòu)在循環(huán)荷載下的疲勞損傷過(guò)程，非線性疲勞累積損傷理論應(yīng)運(yùn)而生。非線性疲勞累積損傷理論考慮了材料的非線性特性、加載順序效應(yīng)、疲勞裂紋的萌生和擴(kuò)展等因素對(duì)疲勞損傷的影響。一些非線性疲勞累積損傷理論引入了損傷變量來(lái)描述材料的損傷程度，通過(guò)建立損傷演化方程來(lái)預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)的疲勞壽命。在考慮加載順序效應(yīng)時(shí)，不同的加載順序會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)內(nèi)部的應(yīng)力分布和損傷演化不同，從而影響結(jié)構(gòu)的疲勞壽命。非線性疲勞累積損傷理論還考慮了疲勞裂紋的萌生和擴(kuò)展過(guò)程，認(rèn)為疲勞裂紋的擴(kuò)展速率與應(yīng)力強(qiáng)度因子、材料的斷裂韌性等因素有關(guān)。通過(guò)建立疲勞裂紋擴(kuò)展模型，可以更準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)在循環(huán)荷載作用下的剩余壽命。雖然非線性疲勞累積損傷理論在理論上更加完善，但由于其計(jì)算過(guò)程較為復(fù)雜，需要更多的材料參數(shù)和試驗(yàn)數(shù)據(jù)支持，目前在實(shí)際工程中的應(yīng)用還相對(duì)較少。三、試驗(yàn)研究3.1試驗(yàn)設(shè)計(jì)3.1.1試件設(shè)計(jì)與制作本次試驗(yàn)旨在深入探究循環(huán)荷載下CFRP布加固腐蝕鋼梁及組合梁的受力性能，共設(shè)計(jì)并制作了[X]根鋼梁試件和[X]根組合梁試件。所有試件均采用Q345鋼材，這種鋼材在建筑結(jié)構(gòu)中應(yīng)用廣泛，具有良好的綜合力學(xué)性能，其屈服強(qiáng)度為345MPa，抗拉強(qiáng)度為470-630MPa，伸長(zhǎng)率不小于20%，能夠較好地模擬實(shí)際工程中的鋼梁受力情況。鋼梁試件的截面尺寸統(tǒng)一設(shè)計(jì)為工字形，翼緣寬度為150mm，厚度為10mm，腹板高度為300mm，厚度為8mm，試件長(zhǎng)度為3000mm。組合梁試件則由鋼梁和混凝土板組成，鋼梁部分與上述鋼梁試件尺寸相同，混凝土板采用C30混凝土澆筑，板厚為100mm，寬度為1000mm，長(zhǎng)度與鋼梁相同。在組合梁中，通過(guò)設(shè)置栓釘作為抗剪連接件來(lái)確保鋼梁與混凝土板之間的協(xié)同工作。栓釘直徑為16mm，長(zhǎng)度為80mm，按照間距200mm均勻布置在鋼梁上翼緣。為模擬鋼梁及組合梁在實(shí)際服役過(guò)程中遭受的腐蝕情況，采用電化學(xué)加速腐蝕方法對(duì)試件進(jìn)行腐蝕處理。具體操作是將試件浸泡在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的NaCl溶液中，通過(guò)外接直流電源，控制電流密度和腐蝕時(shí)間來(lái)實(shí)現(xiàn)不同腐蝕程度的模擬。根據(jù)相關(guān)研究和工程經(jīng)驗(yàn)，將腐蝕程度劃分為輕度腐蝕、中度腐蝕和重度腐蝕三個(gè)等級(jí)。輕度腐蝕時(shí)，鋼材的腐蝕率控制在5%-10%之間；中度腐蝕的腐蝕率為10%-20%；重度腐蝕的腐蝕率則達(dá)到20%-30%。在腐蝕過(guò)程中，定期取出試件，測(cè)量其剩余厚度，以準(zhǔn)確控制腐蝕程度。經(jīng)過(guò)腐蝕處理后的試件，表面呈現(xiàn)出明顯的銹蝕痕跡，部分區(qū)域出現(xiàn)蝕坑，有效截面面積減小，力學(xué)性能發(fā)生退化。對(duì)于CFRP布加固處理，選用高強(qiáng)度的CFRP布，其抗拉強(qiáng)度不低于3000MPa，彈性模量不低于200GPa。根據(jù)試驗(yàn)?zāi)康?，設(shè)置了不同的加固參數(shù)，包括CFRP布的層數(shù)（2層、3層、4層）和粘貼方式（全跨粘貼、跨中1/3區(qū)域粘貼）。在粘貼CFRP布之前，先對(duì)鋼梁及組合梁試件的表面進(jìn)行打磨處理，去除表面的銹蝕物和油污，使表面平整粗糙，以增強(qiáng)CFRP布與試件之間的粘結(jié)力。然后，在試件表面均勻涂抹一層結(jié)構(gòu)膠，將裁剪好的CFRP布按照預(yù)定的粘貼方式緊密粘貼在試件表面，并用滾筒反復(fù)滾壓，排出氣泡，確保CFRP布與試件充分粘結(jié)。在CFRP布的端部，采用錨固措施，如粘貼U形箍或設(shè)置錨栓，以防止CFRP布在受力過(guò)程中發(fā)生剝離破壞。3.1.2試驗(yàn)加載方案試驗(yàn)加載采用液壓伺服加載系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠精確控制荷載的大小和加載速率，滿足循環(huán)荷載加載的要求。加載裝置主要由反力架、作動(dòng)器、控制系統(tǒng)等組成。反力架采用高強(qiáng)度鋼材制作，具有足夠的剛度和承載能力，能夠承受試驗(yàn)過(guò)程中產(chǎn)生的巨大反力。作動(dòng)器選用量程為1000kN的液壓作動(dòng)器，其加載精度高，響應(yīng)速度快，能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定的加載過(guò)程?？刂葡到y(tǒng)通過(guò)計(jì)算機(jī)編程，實(shí)現(xiàn)對(duì)加載過(guò)程的自動(dòng)化控制，可按照預(yù)定的加載制度進(jìn)行加載，并實(shí)時(shí)采集和記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)。本次試驗(yàn)采用正弦波循環(huán)荷載進(jìn)行加載，加載頻率為1Hz，該頻率能夠較好地模擬實(shí)際工程中常見(jiàn)的循環(huán)荷載作用情況。在加載初期，先對(duì)試件進(jìn)行預(yù)加載，預(yù)加載荷載值為預(yù)估極限荷載的10%，目的是檢查試驗(yàn)裝置的可靠性，使試件各部分接觸良好，消除試件和加載系統(tǒng)的非彈性變形。預(yù)加載過(guò)程中，仔細(xì)觀察試驗(yàn)裝置和試件的工作狀態(tài)，確保無(wú)異常情況后，正式開(kāi)始循環(huán)加載。循環(huán)加載分為多個(gè)階段，每個(gè)階段的荷載幅值逐漸增加，具體加載制度如下：首先以0-200kN的荷載幅值進(jìn)行循環(huán)加載，循環(huán)次數(shù)為1000次；然后將荷載幅值增加到0-300kN，循環(huán)加載1000次；以此類(lèi)推，每次將荷載幅值增加100kN，直至試件發(fā)生破壞。在加載過(guò)程中，密切關(guān)注試件的變形和裂縫發(fā)展情況，當(dāng)試件出現(xiàn)明顯的變形、裂縫擴(kuò)展迅速或荷載-位移曲線出現(xiàn)明顯下降時(shí)，認(rèn)為試件達(dá)到破壞狀態(tài)，停止加載。在試驗(yàn)過(guò)程中，采用多種測(cè)量?jī)x器對(duì)試件的各項(xiàng)力學(xué)參數(shù)進(jìn)行測(cè)量。使用電阻應(yīng)變片測(cè)量鋼梁及組合梁關(guān)鍵部位的應(yīng)變，包括鋼梁的翼緣、腹板以及CFRP布與鋼梁的粘結(jié)界面處。應(yīng)變片選用高精度的箔式應(yīng)變片，其靈敏系數(shù)為2.0左右，測(cè)量精度高，穩(wěn)定性好。在粘貼應(yīng)變片時(shí)，嚴(yán)格按照操作規(guī)程進(jìn)行，確保應(yīng)變片與試件表面緊密貼合，以準(zhǔn)確測(cè)量試件的應(yīng)變。位移計(jì)則用于測(cè)量試件的跨中撓度和支座處的豎向位移。位移計(jì)選用高精度的電子位移計(jì)，量程根據(jù)試件的預(yù)估變形量進(jìn)行選擇，確保能夠準(zhǔn)確測(cè)量試件的位移。在試件的跨中和支座處分別布置位移計(jì)，通過(guò)位移計(jì)實(shí)時(shí)采集試件的位移數(shù)據(jù)，以了解試件在加載過(guò)程中的變形情況。此外，還使用了裂縫觀測(cè)儀對(duì)試件表面的裂縫開(kāi)展情況進(jìn)行觀測(cè)，記錄裂縫的出現(xiàn)位置、寬度和長(zhǎng)度，分析裂縫的發(fā)展規(guī)律。三、試驗(yàn)研究3.2試驗(yàn)結(jié)果與分析3.2.1鋼梁試驗(yàn)結(jié)果分析在循環(huán)荷載作用下，未加固的腐蝕鋼梁表現(xiàn)出與正常鋼梁截然不同的破壞模式。隨著循環(huán)荷載次數(shù)的增加，腐蝕鋼梁的腐蝕部位首先出現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象。在輕度腐蝕的鋼梁中，蝕坑周?chē)匿摬挠捎谟行Ы孛婷娣e減小，承受的應(yīng)力遠(yuǎn)高于其他部位，當(dāng)應(yīng)力超過(guò)鋼材的屈服強(qiáng)度時(shí)，蝕坑周?chē)_(kāi)始出現(xiàn)塑性變形。隨著荷載的繼續(xù)循環(huán)，塑性變形區(qū)域逐漸擴(kuò)大，最終導(dǎo)致鋼梁在蝕坑處發(fā)生局部斷裂。對(duì)于中度和重度腐蝕的鋼梁，由于腐蝕程度更為嚴(yán)重，有效截面面積大幅減小，鋼梁的承載能力顯著降低。在循環(huán)荷載作用下，鋼梁的變形迅速增大，在較短的循環(huán)次數(shù)內(nèi)就出現(xiàn)了明顯的裂縫。裂縫首先在蝕坑密集的區(qū)域產(chǎn)生，然后沿著鋼材的薄弱部位迅速擴(kuò)展，最終導(dǎo)致鋼梁的脆性斷裂。這種破壞模式具有突然性，在實(shí)際工程中危害性極大。加固后的鋼梁，其破壞模式則因CFRP布的加固參數(shù)不同而有所差異。當(dāng)采用全跨粘貼2層CFRP布加固時(shí)，鋼梁的破壞模式主要表現(xiàn)為CFRP布與鋼梁之間的粘結(jié)失效。在循環(huán)荷載作用下，CFRP布與鋼梁之間的粘結(jié)界面承受著反復(fù)的剪切和拉伸作用。隨著循環(huán)次數(shù)的增加，粘結(jié)界面的粘結(jié)應(yīng)力逐漸增大，當(dāng)粘結(jié)應(yīng)力超過(guò)粘結(jié)強(qiáng)度時(shí)，CFRP布開(kāi)始從鋼梁表面剝離。首先在CFRP布的端部出現(xiàn)剝離現(xiàn)象，這是因?yàn)槎瞬康膽?yīng)力集中最為嚴(yán)重。隨著剝離區(qū)域的擴(kuò)大，CFRP布對(duì)鋼梁的加固作用逐漸減弱，最終導(dǎo)致鋼梁發(fā)生破壞。當(dāng)CFRP布的層數(shù)增加到3層或4層時(shí)，鋼梁的破壞模式有所改變。由于CFRP布層數(shù)的增加，其提供的抗拉能力和約束作用增強(qiáng)，鋼梁的承載能力和剛度得到進(jìn)一步提高。在這種情況下，鋼梁的破壞模式可能從CFRP布的剝離破壞轉(zhuǎn)變?yōu)镃FRP布的斷裂破壞。當(dāng)循環(huán)荷載達(dá)到一定程度時(shí)，CFRP布所承受的拉力超過(guò)其極限抗拉強(qiáng)度，導(dǎo)致CFRP布發(fā)生斷裂。CFRP布的斷裂會(huì)使鋼梁失去部分加固作用，進(jìn)而引發(fā)鋼梁的破壞。對(duì)于采用跨中1/3區(qū)域粘貼CFRP布加固的鋼梁，其破壞模式則更為復(fù)雜。在循環(huán)荷載作用下，跨中1/3區(qū)域的CFRP布能夠有效地提高鋼梁跨中的承載能力和剛度，但在CFRP布的端部和未粘貼區(qū)域，鋼梁仍然存在應(yīng)力集中現(xiàn)象。隨著循環(huán)次數(shù)的增加，CFRP布端部可能會(huì)出現(xiàn)剝離破壞，未粘貼區(qū)域則可能出現(xiàn)疲勞裂紋的萌生和擴(kuò)展。當(dāng)疲勞裂紋擴(kuò)展到一定程度時(shí)，會(huì)導(dǎo)致鋼梁的局部失穩(wěn)或斷裂，從而引發(fā)鋼梁的破壞。通過(guò)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的詳細(xì)分析，不同加固參數(shù)下鋼梁的承載能力和剛度變化規(guī)律清晰可見(jiàn)。在承載能力方面，未加固的腐蝕鋼梁由于腐蝕導(dǎo)致有效截面面積減小和力學(xué)性能退化，其承載能力明顯低于正常鋼梁。隨著腐蝕程度的增加，鋼梁的承載能力進(jìn)一步降低。例如，輕度腐蝕鋼梁的極限承載能力相比正常鋼梁降低了約[X]%，中度腐蝕鋼梁降低了約[X]%，重度腐蝕鋼梁則降低了約[X]%。而采用CFRP布加固后，鋼梁的承載能力得到了顯著提高。全跨粘貼2層CFRP布加固的鋼梁，其極限承載能力相比未加固的輕度腐蝕鋼梁提高了約[X]%，相比中度腐蝕鋼梁提高了約[X]%，相比重度腐蝕鋼梁提高了約[X]%。隨著CFRP布層數(shù)的增加，鋼梁的承載能力進(jìn)一步提高。全跨粘貼3層CFRP布加固的鋼梁，其極限承載能力相比全跨粘貼2層CFRP布加固的鋼梁又提高了約[X]%；全跨粘貼4層CFRP布加固的鋼梁，其極限承載能力相比全跨粘貼3層CFRP布加固的鋼梁再次提高了約[X]%。跨中1/3區(qū)域粘貼CFRP布加固的鋼梁，其承載能力提高幅度相對(duì)較小，但在跨中區(qū)域的承載能力仍有明顯提升，相比未加固的鋼梁，跨中區(qū)域的承載能力提高了約[X]%。在剛度方面，未加固的腐蝕鋼梁由于腐蝕的影響，其剛度也顯著降低。在相同荷載作用下，腐蝕鋼梁的變形明顯大于正常鋼梁。例如，在承受相同的試驗(yàn)荷載時(shí)，輕度腐蝕鋼梁的跨中撓度相比正常鋼梁增加了約[X]%，中度腐蝕鋼梁增加了約[X]%，重度腐蝕鋼梁增加了約[X]%。采用CFRP布加固后，鋼梁的剛度得到了有效改善。全跨粘貼2層CFRP布加固的鋼梁，在相同荷載作用下，其跨中撓度相比未加固的輕度腐蝕鋼梁減小了約[X]%，相比中度腐蝕鋼梁減小了約[X]%，相比重度腐蝕鋼梁減小了約[X]%。隨著CFRP布層數(shù)的增加，鋼梁的剛度進(jìn)一步提高，跨中撓度進(jìn)一步減小。全跨粘貼3層CFRP布加固的鋼梁，其跨中撓度相比全跨粘貼2層CFRP布加固的鋼梁又減小了約[X]%；全跨粘貼4層CFRP布加固的鋼梁，其跨中撓度相比全跨粘貼3層CFRP布加固的鋼梁再次減小了約[X]%?？缰?/3區(qū)域粘貼CFRP布加固的鋼梁，雖然整體剛度提高幅度不如全跨粘貼，但在跨中區(qū)域的剛度有明顯提升，在相同荷載作用下，跨中區(qū)域的撓度相比未加固的鋼梁減小了約[X]%。3.2.2組合梁試驗(yàn)結(jié)果分析在循環(huán)荷載作用下，加固組合梁負(fù)彎矩區(qū)的受力性能呈現(xiàn)出復(fù)雜的變化規(guī)律。當(dāng)組合梁處于彈性階段時(shí)，鋼梁和混凝土板之間通過(guò)抗剪連接件協(xié)同工作，共同承受外部荷載。在負(fù)彎矩區(qū)，鋼梁受拉，混凝土板受壓，CFRP布粘貼在混凝土板的受拉側(cè)，能夠有效地分擔(dān)混凝土板的拉應(yīng)力，提高負(fù)彎矩區(qū)的承載能力。通過(guò)應(yīng)變片測(cè)量結(jié)果可知，在彈性階段，CFRP布的應(yīng)變與混凝土板和鋼梁的應(yīng)變基本協(xié)調(diào)，表明CFRP布與組合梁之間能夠較好地協(xié)同工作。隨著循環(huán)荷載次數(shù)的增加，組合梁進(jìn)入彈塑性階段。在負(fù)彎矩區(qū)，混凝土板開(kāi)始出現(xiàn)裂縫，裂縫首先在混凝土板的表面產(chǎn)生，然后逐漸向內(nèi)部擴(kuò)展。此時(shí)，CFRP布的作用更加明顯，它能夠限制裂縫的寬度和擴(kuò)展速度，延緩混凝土板的破壞。當(dāng)裂縫發(fā)展到一定程度時(shí)，CFRP布所承受的拉力逐漸增大，當(dāng)拉力超過(guò)CFRP布的極限抗拉強(qiáng)度時(shí)，CFRP布會(huì)發(fā)生斷裂。CFRP布的斷裂會(huì)導(dǎo)致負(fù)彎矩區(qū)的承載能力急劇下降，進(jìn)而影響組合梁的整體性能。在試驗(yàn)過(guò)程中還發(fā)現(xiàn)，負(fù)彎矩區(qū)的抗剪連接件在循環(huán)荷載作用下也會(huì)受到一定的影響。隨著循環(huán)次數(shù)的增加，抗剪連接件的剪切變形逐漸增大，當(dāng)剪切變形超過(guò)一定限度時(shí)，抗剪連接件可能會(huì)發(fā)生剪斷或松動(dòng)，從而導(dǎo)致鋼梁和混凝土板之間的協(xié)同工作性能下降。在跨中區(qū)域，加固組合梁的受力性能同樣受到CFRP布的顯著影響。在彈性階段，CFRP布能夠提高組合梁跨中的抗彎剛度，減小跨中撓度。通過(guò)位移計(jì)測(cè)量結(jié)果可知，在相同荷載作用下，加固組合梁的跨中撓度明顯小于未加固組合梁。隨著荷載的增加，組合梁跨中區(qū)域的鋼梁和混凝土板之間可能會(huì)出現(xiàn)相對(duì)滑移。CFRP布的粘貼能夠有效地約束這種相對(duì)滑移，增強(qiáng)鋼梁和混凝土板之間的協(xié)同工作能力。當(dāng)組合梁進(jìn)入彈塑性階段時(shí)，跨中區(qū)域的鋼梁可能會(huì)出現(xiàn)局部屈曲現(xiàn)象。CFRP布的約束作用能夠延緩鋼梁的局部屈曲，提高組合梁的整體穩(wěn)定性。在試驗(yàn)中觀察到，當(dāng)CFRP布的層數(shù)增加時(shí)，跨中區(qū)域鋼梁的局部屈曲現(xiàn)象得到了更好的抑制，組合梁的承載能力和變形性能得到了進(jìn)一步提高。CFRP布對(duì)組合梁協(xié)同工作性能的影響是多方面的。從試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，CFRP布能夠顯著增強(qiáng)鋼梁和混凝土板之間的協(xié)同工作能力。在未粘貼CFRP布的組合梁中，鋼梁和混凝土板之間的協(xié)同工作主要依靠抗剪連接件。而在粘貼CFRP布后，CFRP布通過(guò)粘結(jié)作用將鋼梁和混凝土板緊密地連接在一起，形成了一個(gè)更加緊密的整體。在循環(huán)荷載作用下，CFRP布能夠有效地傳遞鋼梁和混凝土板之間的應(yīng)力，使兩者的變形更加協(xié)調(diào)。通過(guò)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析可知，粘貼CFRP布后，組合梁在相同荷載作用下的變形明顯減小，表明CFRP布能夠提高組合梁的整體剛度，增強(qiáng)其協(xié)同工作性能。CFRP布還能夠提高組合梁的抗疲勞性能。在循環(huán)荷載作用下，組合梁中的鋼梁和混凝土板會(huì)承受反復(fù)的拉壓應(yīng)力，容易產(chǎn)生疲勞損傷。CFRP布的存在能夠分擔(dān)鋼梁和混凝土板的部分應(yīng)力，減小其疲勞損傷程度，從而延長(zhǎng)組合梁的疲勞壽命。在試驗(yàn)中，對(duì)粘貼CFRP布和未粘貼CFRP布的組合梁進(jìn)行了疲勞試驗(yàn)，結(jié)果表明，粘貼CFRP布的組合梁的疲勞壽命相比未粘貼CFRP布的組合梁提高了約[X]%。四、數(shù)值模擬4.1有限元模型建立本文選用大型通用有限元軟件ANSYS來(lái)建立CFRP布加固腐蝕鋼梁及組合梁的有限元模型。ANSYS軟件功能強(qiáng)大，具有豐富的單元庫(kù)和材料模型，能夠精確模擬各種復(fù)雜的力學(xué)行為和物理現(xiàn)象，在土木工程領(lǐng)域的結(jié)構(gòu)分析中應(yīng)用廣泛。在材料屬性定義方面，鋼材選用雙線性隨動(dòng)強(qiáng)化模型（BKIN）來(lái)描述其力學(xué)性能。這種模型能夠較好地考慮鋼材在屈服后的強(qiáng)化特性，符合鋼材在實(shí)際受力過(guò)程中的力學(xué)行為。根據(jù)試驗(yàn)采用的Q345鋼材，設(shè)置其彈性模量為2.06×10?MPa，泊松比為0.3，屈服強(qiáng)度為345MPa，切線模量根據(jù)鋼材的應(yīng)力-應(yīng)變曲線確定，一般取值為彈性模量的0.01-0.05倍，本文取0.03倍，即6180MPa。CFRP布采用正交各向異性材料模型，其主要力學(xué)參數(shù)根據(jù)產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)和相關(guān)試驗(yàn)確定。CFRP布的縱向彈性模量通常在200GPa以上，本文取值為230GPa，橫向彈性模量相對(duì)較低，取為5GPa；縱向抗拉強(qiáng)度不低于3000MPa，本文取3500MPa，橫向抗拉強(qiáng)度則取為100MPa；泊松比縱向取0.3，橫向取0.25。混凝土采用Solid65單元來(lái)模擬，其本構(gòu)關(guān)系采用多線性隨動(dòng)強(qiáng)化模型（MISO）。根據(jù)C30混凝土的性能，設(shè)置其彈性模量為3.0×10?MPa，泊松比為0.2，單軸抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為20.1MPa，單軸抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為2.01MPa。結(jié)構(gòu)膠在CFRP布與鋼梁及組合梁之間起到粘結(jié)傳遞應(yīng)力的關(guān)鍵作用，采用具有粘結(jié)和分離功能的Cohesive單元來(lái)模擬。結(jié)構(gòu)膠的彈性模量根據(jù)實(shí)際選用的結(jié)構(gòu)膠性能確定，一般在1-5GPa之間，本文取3GPa，泊松比取0.3。同時(shí)，需要定義結(jié)構(gòu)膠的粘結(jié)強(qiáng)度和斷裂能等參數(shù)，以準(zhǔn)確模擬其粘結(jié)和破壞行為。粘結(jié)強(qiáng)度根據(jù)相關(guān)試驗(yàn)和經(jīng)驗(yàn)取值，本文取3MPa，斷裂能則根據(jù)結(jié)構(gòu)膠的斷裂韌性確定，取為0.5N/mm。對(duì)于單元類(lèi)型的選擇，鋼梁和組合梁中的鋼梁部分采用Shell181殼單元進(jìn)行模擬。Shell181單元是一種四節(jié)點(diǎn)四邊形殼單元，具有六個(gè)自由度，能夠較好地模擬薄壁結(jié)構(gòu)的彎曲和扭轉(zhuǎn)等力學(xué)行為，適用于鋼梁的受力分析。CFRP布同樣采用Shell181殼單元，這樣可以保證CFRP布與鋼梁在單元類(lèi)型上的一致性，便于模擬兩者之間的協(xié)同工作。混凝土板采用Solid65實(shí)體單元，該單元專(zhuān)門(mén)用于模擬混凝土結(jié)構(gòu)，能夠考慮混凝土的開(kāi)裂、壓碎等非線性行為。在組合梁中，抗剪連接件采用Link180桿單元來(lái)模擬，Link180桿單元是一種二節(jié)點(diǎn)三維桿單元，能夠承受軸向拉力和壓力，適合模擬抗剪連接件在傳遞鋼梁和混凝土板之間縱向剪力時(shí)的受力情況。在模型中，還需要準(zhǔn)確模擬CFRP布與鋼梁及組合梁之間的接觸關(guān)系。通過(guò)定義CFRP布與鋼梁及組合梁之間的接觸對(duì)來(lái)實(shí)現(xiàn)這一模擬。采用面-面接觸算法，將CFRP布的表面定義為接觸表面，鋼梁及組合梁的表面定義為目標(biāo)表面。接觸屬性設(shè)置中，考慮粘結(jié)接觸特性，即當(dāng)接觸壓力小于粘結(jié)強(qiáng)度時(shí)，CFRP布與鋼梁及組合梁之間通過(guò)粘結(jié)力傳遞應(yīng)力，兩者協(xié)同工作；當(dāng)接觸壓力超過(guò)粘結(jié)強(qiáng)度時(shí)，CFRP布與鋼梁及組合梁之間發(fā)生粘結(jié)失效，出現(xiàn)相對(duì)滑移和分離。為了準(zhǔn)確模擬這種粘結(jié)失效過(guò)程，引入接觸剛度和摩擦系數(shù)等參數(shù)。接觸剛度根據(jù)結(jié)構(gòu)膠的性能和實(shí)際粘結(jié)情況確定，本文取為1×10?N/mm3，摩擦系數(shù)則根據(jù)CFRP布與鋼梁及組合梁表面的粗糙度和粘結(jié)情況，取為0.3。對(duì)于鋼梁模型，按照試驗(yàn)中鋼梁的實(shí)際尺寸進(jìn)行建模，包括翼緣寬度、厚度，腹板高度、厚度以及梁的長(zhǎng)度等。在模型兩端設(shè)置簡(jiǎn)支約束，模擬試驗(yàn)中的邊界條件。在加載點(diǎn)處，通過(guò)定義集中力來(lái)施加循環(huán)荷載，荷載的大小和加載歷程與試驗(yàn)加載方案一致。對(duì)于組合梁模型，除了鋼梁部分的建模外，還需要建立混凝土板和抗剪連接件的模型?；炷涟灏凑赵囼?yàn)中的尺寸和位置進(jìn)行建模，與鋼梁通過(guò)抗剪連接件連接?？辜暨B接件按照實(shí)際布置間距和位置，在鋼梁與混凝土板的接觸面上建立Link180桿單元，并定義其與鋼梁和混凝土板的連接關(guān)系。在組合梁模型的邊界條件設(shè)置中，同樣在兩端設(shè)置簡(jiǎn)支約束，加載點(diǎn)處施加與試驗(yàn)相同的循環(huán)荷載。在建立有限元模型時(shí)，還需要對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。采用自由網(wǎng)格劃分和映射網(wǎng)格劃分相結(jié)合的方法，對(duì)不同部件進(jìn)行合理的網(wǎng)格劃分。對(duì)于鋼梁和CFRP布等薄壁結(jié)構(gòu)，采用較細(xì)的網(wǎng)格劃分，以提高計(jì)算精度；對(duì)于混凝土板等實(shí)體結(jié)構(gòu)，根據(jù)其尺寸和受力特點(diǎn)，采用適當(dāng)?shù)木W(wǎng)格尺寸。通過(guò)對(duì)網(wǎng)格尺寸進(jìn)行敏感性分析，確定合適的網(wǎng)格密度，確保計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。4.2模擬結(jié)果與試驗(yàn)對(duì)比驗(yàn)證將建立的有限元模型計(jì)算得到的結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行詳細(xì)對(duì)比，以驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性和可靠性。在鋼梁的模擬結(jié)果與試驗(yàn)對(duì)比中，首先對(duì)比不同腐蝕程度和加固參數(shù)下鋼梁的荷載-位移曲線。從試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，隨著荷載的增加，鋼梁的位移逐漸增大，在達(dá)到極限荷載后，位移迅速增大，鋼梁發(fā)生破壞。有限元模擬得到的荷載-位移曲線與試驗(yàn)曲線趨勢(shì)基本一致，在彈性階段，兩者幾乎重合，表明有限元模型能夠準(zhǔn)確模擬鋼梁在彈性階段的受力性能。在彈塑性階段，模擬曲線與試驗(yàn)曲線也較為接近，但在極限荷載附近，模擬值與試驗(yàn)值存在一定的偏差。對(duì)于輕度腐蝕且全跨粘貼2層CFRP布加固的鋼梁，試驗(yàn)測(cè)得的極限荷載為[X]kN，模擬得到的極限荷載為[X]kN，模擬值與試驗(yàn)值的相對(duì)誤差為[X]%。分析其原因，一方面，在實(shí)際試驗(yàn)中，鋼材的力學(xué)性能存在一定的離散性，而有限元模型中采用的材料參數(shù)為平均值，這可能導(dǎo)致模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果存在差異；另一方面，試驗(yàn)過(guò)程中CFRP布與鋼梁之間的粘結(jié)質(zhì)量可能存在一定的不均勻性，而有限元模型中假設(shè)粘結(jié)界面是均勻的，這也會(huì)對(duì)模擬結(jié)果產(chǎn)生影響。對(duì)于組合梁，同樣對(duì)其荷載-位移曲線、應(yīng)變分布等結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。在荷載-位移曲線方面，試驗(yàn)和模擬結(jié)果在整體趨勢(shì)上相符，但在某些階段也存在細(xì)微差異。在彈性階段，兩者的曲線較為接近，模擬結(jié)果能夠較好地反映組合梁的彈性變形特性。然而，在進(jìn)入彈塑性階段后，由于組合梁中鋼梁與混凝土板之間的協(xié)同工作性能較為復(fù)雜，實(shí)際情況中可能存在一些難以精確模擬的因素，如混凝土的非線性開(kāi)裂、抗剪連接件的局部滑移等，導(dǎo)致模擬曲線與試驗(yàn)曲線出現(xiàn)一定偏差。在應(yīng)變分布對(duì)比中，通過(guò)在有限元模型和試驗(yàn)試件上相同位置布置應(yīng)變片，對(duì)比鋼梁、混凝土板以及CFRP布的應(yīng)變。以組合梁跨中截面為例，試驗(yàn)測(cè)得鋼梁上翼緣在某一荷載水平下的應(yīng)變?yōu)閇X]με，有限元模擬結(jié)果為[X]με，相對(duì)誤差為[X]%；混凝土板頂部的試驗(yàn)應(yīng)變?yōu)閇X]με，模擬應(yīng)變?yōu)閇X]με，相對(duì)誤差為[X]%；CFRP布的試驗(yàn)應(yīng)變?yōu)閇X]με，模擬應(yīng)變?yōu)閇X]με，相對(duì)誤差為[X]%。從這些數(shù)據(jù)可以看出，有限元模型在模擬組合梁各部分的應(yīng)變分布時(shí)，雖然能夠反映出大致的變化規(guī)律，但仍存在一定的誤差。這可能是由于有限元模型在模擬混凝土的本構(gòu)關(guān)系、CFRP布與結(jié)構(gòu)之間的粘結(jié)性能以及抗剪連接件的力學(xué)行為等方面存在一定的簡(jiǎn)化，與實(shí)際情況不完全相符。盡管有限元模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果存在一定的差異，但從整體上看，有限元模型能夠較好地模擬循環(huán)荷載下CFRP布加固腐蝕鋼梁及組合梁的受力性能，包括破壞模式、荷載-位移曲線以及應(yīng)變分布等。通過(guò)對(duì)模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比分析，進(jìn)一步明確了有限元模型的優(yōu)勢(shì)和不足之處，為后續(xù)對(duì)模型的優(yōu)化和改進(jìn)提供了依據(jù)。在后續(xù)的研究中，可以進(jìn)一步考慮材料性能的離散性、粘結(jié)界面的不均勻性以及結(jié)構(gòu)的復(fù)雜力學(xué)行為等因素，對(duì)有限元模型進(jìn)行優(yōu)化，提高模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性，從而更好地為工程實(shí)踐提供理論支持和指導(dǎo)。4.3參數(shù)分析利用驗(yàn)證后的有限元模型，深入開(kāi)展參數(shù)分析，研究不同參數(shù)對(duì)CFRP布加固腐蝕鋼梁及組合梁在循環(huán)荷載下受力性能的影響規(guī)律。對(duì)于CFRP布加固腐蝕鋼梁，首先分析CFRP布厚度的影響。保持其他參數(shù)不變，分別設(shè)置CFRP布的厚度為0.111mm、0.167mm、0.222mm（對(duì)應(yīng)不同的層數(shù)）。通過(guò)有限元模擬計(jì)算，得到不同厚度CFRP布加固鋼梁的荷載-位移曲線和疲勞壽命。隨著CFRP布厚度的增加，鋼梁的承載能力和剛度顯著提高。當(dāng)CFRP布厚度從0.111mm增加到0.167mm時(shí)，鋼梁的極限承載能力提高了約[X]%，跨中撓度在相同荷載作用下減小了約[X]%；當(dāng)厚度進(jìn)一步增加到0.222mm時(shí)，極限承載能力相比0.167mm時(shí)又提高了約[X]%，跨中撓度再次減小了約[X]%。這是因?yàn)镃FRP布厚度的增加，使其能夠承擔(dān)更多的拉力，有效分擔(dān)了鋼梁的受力，從而提高了鋼梁的承載能力和剛度。從疲勞壽命來(lái)看，CFRP布厚度的增加也顯著延長(zhǎng)了鋼梁的疲勞壽命。厚度為0.111mm時(shí)，鋼梁在循環(huán)荷載作用下的疲勞壽命為[X]次；當(dāng)厚度增加到0.167mm時(shí)，疲勞壽命提高到[X]次，增加了約[X]%；厚度為0.222mm時(shí)，疲勞壽命進(jìn)一步提高到[X]次，相比0.167mm時(shí)又增加了約[X]%。這表明較厚的CFRP布能夠更好地抑制疲勞裂紋的萌生和擴(kuò)展，提高鋼梁的抗疲勞性能。接著研究CFRP布彈性模量的影響。設(shè)置CFRP布的彈性模量分別為200GPa、230GPa、260GPa。模擬結(jié)果顯示，隨著CFRP布彈性模量的增大，鋼梁的剛度明顯提高。在相同荷載作用下，彈性模量為200GPa時(shí)，鋼梁的跨中撓度為[X]mm；當(dāng)彈性模量增大到230GPa時(shí)，跨中撓度減小到[X]mm，減小了約[X]%；彈性模量進(jìn)一步增大到260GPa時(shí)，跨中撓度減小到[X]mm，相比230GPa時(shí)又減小了約[X]%。然而，CFRP布彈性模量的變化對(duì)鋼梁的極限承載能力影響相對(duì)較小。當(dāng)彈性模量從200GPa增大到230GPa時(shí)，極限承載能力僅提高了約[X]%；增大到260GPa時(shí)，極限承載能力相比230GPa時(shí)提高了約[X]%。這是因?yàn)樵阡摿哼_(dá)到極限承載能力時(shí)，CFRP布與鋼梁之間的粘結(jié)性能以及鋼梁自身的材料性能等因素對(duì)承載能力的影響更為顯著，而彈性模量的影響相對(duì)較弱。在疲勞性能方面，較高的彈性模量有助于提高鋼梁的抗疲勞性能。彈性模量為200GPa時(shí)，鋼梁的疲勞壽命為[X]次；當(dāng)彈性模量增大到230GPa時(shí)，疲勞壽命提高到[X]次，增加了約[X]%；彈性模量為260GPa時(shí)，疲勞壽命進(jìn)一步提高到[X]次，相比230GPa時(shí)又增加了約[X]%。較高的彈性模量能夠更有效地約束鋼梁的變形，減少疲勞裂紋的萌生和擴(kuò)展，從而延長(zhǎng)鋼梁的疲勞壽命。對(duì)于CFRP布加固鋼-混凝土組合梁，分析CFRP布粘貼長(zhǎng)度的影響。分別設(shè)置CFRP布的粘貼長(zhǎng)度為梁跨的1/3、1/2、2/3。模擬結(jié)果表明，隨著CFRP布粘貼長(zhǎng)度的增加，組合梁的承載能力和剛度逐漸提高。當(dāng)CFRP布粘貼長(zhǎng)度為梁跨的1/3時(shí)，組合梁的極限承載能力為[X]kN，跨中撓度在相同荷載作用下為[X]mm；當(dāng)粘貼長(zhǎng)度增加到1/2時(shí)，極限承載能力提高到[X]kN，提高了約[X]%，跨中撓度減小到[X]mm，減小了約[X]%；粘貼長(zhǎng)度增加到2/3時(shí)，極限承載能力進(jìn)一步提高到[X]kN，相比1/2時(shí)又提高了約[X]%，跨中撓度減小到[X]mm，相比1/2時(shí)又減小了約[X]%。這是因?yàn)楦L(zhǎng)的粘貼長(zhǎng)度能夠使CFRP布更好地協(xié)同鋼梁和混凝土板工作，更有效地分擔(dān)荷載，從而提高組合梁的承載能力和剛度。在疲勞性能方面，CFRP布粘貼長(zhǎng)度的增加也有助于延長(zhǎng)組合梁的疲勞壽命。粘貼長(zhǎng)度為1/3時(shí)，組合梁的疲勞壽命為[X]次；當(dāng)粘貼長(zhǎng)度增加到1/2時(shí)，疲勞壽命提高到[X]次，增加了約[X]%；粘貼長(zhǎng)度為2/3時(shí)，疲勞壽命進(jìn)一步提高到[X]次，相比1/2時(shí)又增加了約[X]%。更長(zhǎng)的粘貼長(zhǎng)度能夠更均勻地分布荷載，減少應(yīng)力集中，從而延緩疲勞裂紋的萌生和擴(kuò)展，提高組合梁的抗疲勞性能。五、受力性能影響因素分析5.1CFRP布參數(shù)的影響CFRP布作為一種高性能的加固材料，其各項(xiàng)參數(shù)對(duì)加固腐蝕鋼梁及組合梁的受力性能有著至關(guān)重要的影響。在CFRP布的厚度方面，它與加固效果呈現(xiàn)出明顯的正相關(guān)關(guān)系。隨著CFRP布厚度的增加，其能夠提供的抗拉能力顯著增強(qiáng)。在試驗(yàn)和數(shù)值模擬中均發(fā)現(xiàn)，當(dāng)CFRP布厚度增大時(shí)，加固鋼梁及組合梁的承載能力得到明顯提升。這是因?yàn)檩^厚的CFRP布在受力過(guò)程中能夠承擔(dān)更多的拉力，有效地分擔(dān)了鋼梁或組合梁的荷載，從而提高了結(jié)構(gòu)的整體承載能力。在鋼梁加固中，較厚的CFRP布可以更好地抑制鋼梁的變形，尤其是在受彎情況下，能夠減小鋼梁的撓度，提高其剛度。對(duì)于組合梁，CFRP布厚度的增加有助于增強(qiáng)鋼梁與混凝土板之間的協(xié)同工作性能，使兩者能夠更好地共同承受荷載，進(jìn)一步提高組合梁的承載能力和剛度。在實(shí)際工程應(yīng)用中，需要根據(jù)結(jié)構(gòu)的具體受力情況和加固要求，合理選擇CFRP布的厚度。如果CFRP布過(guò)薄，可能無(wú)法滿足加固需求，無(wú)法有效提高結(jié)構(gòu)的受力性能；而如果CFRP布過(guò)厚，雖然能夠提高加固效果，但可能會(huì)增加成本，并且在施工過(guò)程中也會(huì)帶來(lái)一定的困難。CFRP布的層數(shù)同樣對(duì)加固效果有著顯著影響。增加CFRP布的層數(shù)，相當(dāng)于增加了加固材料的用量，能夠進(jìn)一步提高結(jié)構(gòu)的承載能力和剛度。當(dāng)CFRP布層數(shù)增多時(shí)，在循環(huán)荷載作用下，結(jié)構(gòu)的疲勞壽命也會(huì)得到延長(zhǎng)。這是因?yàn)楦鄬訑?shù)的CFRP布可以更有效地分散應(yīng)力，減少應(yīng)力集中現(xiàn)象，從而延緩疲勞裂紋的萌生和擴(kuò)展。在鋼梁加固中，隨著CFRP布層數(shù)的增加，鋼梁的抗疲勞性能明顯提高。對(duì)于組合梁，更多層數(shù)的CFRP布能夠更好地約束混凝土板的變形，增強(qiáng)組合梁的整體性，提高其抗疲勞性能。然而，增加CFRP布層數(shù)也并非越多越好，過(guò)多的層數(shù)可能會(huì)導(dǎo)致CFRP布之間的粘結(jié)性能下降，出現(xiàn)分層現(xiàn)象，反而影響加固效果。在實(shí)際工程中，需要綜合考慮結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)、成本以及施工可行性等因素，確定合適的CFRP布層數(shù)。CFRP布的彈性模量是其重要的力學(xué)參數(shù)之一，對(duì)加固結(jié)構(gòu)的受力性能也有重要影響。較高彈性模量的CFRP布能夠提供更大的剛度，在相同荷載作用下，能夠使加固結(jié)構(gòu)的變形更小。在鋼梁加固中，使用高彈性模量的CFRP布可以顯著提高鋼梁的抗彎剛度，減小鋼梁在荷載作用下的撓度。對(duì)于組合梁，高彈性模量的CFRP布能夠增強(qiáng)鋼梁與混凝土板之間的協(xié)同工作能力，提高組合梁的整體剛度。然而，彈性模量的提高并不一定會(huì)無(wú)限提高結(jié)構(gòu)的承載能力。當(dāng)結(jié)構(gòu)達(dá)到極限承載狀態(tài)時(shí)，其他因素，如CFRP布與結(jié)構(gòu)之間的粘結(jié)性能、結(jié)構(gòu)材料本身的性能等，可能會(huì)成為控制結(jié)構(gòu)承載能力的關(guān)鍵因素。在實(shí)際應(yīng)用中，需要根據(jù)結(jié)構(gòu)的具體情況，合理選擇具有合適彈性模量的CFRP布。如果只追求高彈性模量而忽視了其他因素，可能無(wú)法達(dá)到預(yù)期的加固效果。5.2腐蝕程度的影響鋼梁及組合梁的腐蝕程度對(duì)CFRP布的加固效果有著顯著且復(fù)雜的影響，深入探究這種影響對(duì)于準(zhǔn)確評(píng)估結(jié)構(gòu)的性能和制定合理的加固策略至關(guān)重要。隨著鋼梁腐蝕程度的不斷加重，其力學(xué)性能呈現(xiàn)出明顯的劣化趨勢(shì)。從試驗(yàn)和數(shù)值模擬結(jié)果來(lái)看，在輕度腐蝕階段，鋼梁的有效截面面積略有減小，鋼材的力學(xué)性能基本保持穩(wěn)定，但局部蝕坑的出現(xiàn)會(huì)導(dǎo)致應(yīng)力集中現(xiàn)象，使得鋼梁在受力時(shí)的應(yīng)力分布不均勻。此時(shí)，CFRP布的加固效果較為明顯，能夠有效地分擔(dān)鋼梁的荷載，提高鋼梁的承載能力和剛度。由于鋼梁的整體性能下降幅度較小，CFRP布與鋼梁之間的協(xié)同工作效果較好，能夠充分發(fā)揮CFRP布的高強(qiáng)度特性。在承受相同的循環(huán)荷載時(shí)，輕度腐蝕鋼梁經(jīng)CFRP布加固后，其疲勞壽命相比未加固鋼梁有顯著提高。然而，當(dāng)鋼梁進(jìn)入中度腐蝕階段，腐蝕導(dǎo)致的有效截面面積減小和力學(xué)性能退化更加明顯。鋼材的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度開(kāi)始下降，鋼梁的剛度降低，變形增大。此時(shí)，CFRP布雖然仍能起到一定的加固作用，但加固效果相比輕度腐蝕階段有所減弱。這是因?yàn)殇摿鹤陨硇阅艿南陆凳沟闷渑cCFRP布之間的協(xié)同工作能力受到影響，CFRP布在分擔(dān)荷載時(shí)面臨更大的阻力。在中度腐蝕鋼梁中，CFRP布的應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)速度更快，更容易達(dá)到其極限應(yīng)變，從而導(dǎo)致CFRP布的斷裂風(fēng)險(xiǎn)增加。當(dāng)鋼梁達(dá)到重度腐蝕階段，其力學(xué)性能?chē)?yán)重劣化，有效截面面積大幅減小，結(jié)構(gòu)的承載能力和剛度急劇下降。在這種情況下，CFRP布的加固效果受到極大限制。盡管CFRP布能夠提供一定的抗拉能力，但由于鋼梁的整體性能太差，無(wú)法與CFRP布形成有效的協(xié)同工作體系。重度腐蝕鋼梁在循環(huán)荷載作用下，容易在短時(shí)間內(nèi)發(fā)生破壞，即使粘貼了CFRP布，其疲勞壽命也難以得到顯著提高。在組合梁中，腐蝕對(duì)CFRP布加固效果的影響同樣顯著。腐蝕不僅會(huì)影響鋼梁的性能，還會(huì)對(duì)鋼梁與混凝土板之間的協(xié)同工作性能產(chǎn)生負(fù)面影響。當(dāng)鋼梁發(fā)生腐蝕時(shí)，鋼梁與混凝土板之間的抗剪連接件受力狀態(tài)發(fā)生改變，可能導(dǎo)致抗剪連接件的失效或松動(dòng)。在中度腐蝕的組合梁中，由于鋼梁的剛度降低，在循環(huán)荷載作用下，鋼梁與混凝土板之間的相對(duì)滑移增大，抗剪連接件所承受的剪力增加。這不僅會(huì)影響組合梁的整體受力性能，還會(huì)對(duì)CFRP布的加固效果產(chǎn)生間接影響。CFRP布在加固組合梁時(shí)，需要與鋼梁和混凝土板共同作用，才能發(fā)揮其最佳的加固效果。而腐蝕導(dǎo)致的鋼梁與混凝土板協(xié)同工作性能下降，會(huì)使得CFRP布無(wú)法充分發(fā)揮其作用，從而降低加固效果?；炷涟灞旧硪部赡苁艿礁g介質(zhì)的侵蝕，導(dǎo)致混凝土的強(qiáng)度降低、裂縫開(kāi)展等問(wèn)題。這些問(wèn)題會(huì)進(jìn)一步削弱組合梁的受力性能，使得CFRP布的加固難度增大。在重度腐蝕的組合梁中，混凝土板的裂縫可能會(huì)貫穿整個(gè)截面，導(dǎo)致混凝土板失去承載能力。此時(shí)，即使粘貼了CFRP布，也難以恢復(fù)組合梁的原有性能。5.3循環(huán)荷載特性的影響循環(huán)荷載特性，包括幅值、頻率和加載次數(shù)等，對(duì)CFRP布加固腐蝕鋼梁及組合梁的受力性能有著顯著的影響。循環(huán)荷載幅值的大小直接關(guān)系到結(jié)構(gòu)所承受的應(yīng)力水平。當(dāng)荷載幅值增大時(shí)，結(jié)構(gòu)內(nèi)部的應(yīng)力和應(yīng)變也隨之增大，這對(duì)CFRP布加固腐蝕鋼梁及組合梁的性能產(chǎn)生多方面的影響。在鋼梁加固中，較大的荷載幅值會(huì)使鋼梁和CFRP布承受更大的拉力。如果荷載幅值超過(guò)了CFRP布與鋼梁之間的粘結(jié)強(qiáng)度，就會(huì)導(dǎo)致CFRP布與鋼梁發(fā)生剝離，從而使加固效果大打折扣。在組合梁中，荷載幅值的增大不僅會(huì)影響鋼梁與CFRP布之間的粘結(jié)性能，還會(huì)對(duì)鋼梁與混凝土板之間的協(xié)同工作產(chǎn)生不利影響。由于組合梁在荷載作用下，鋼梁和混凝土板會(huì)產(chǎn)生不同程度的變形，荷載幅值的增大可能會(huì)導(dǎo)致鋼梁與混凝土板之間的相對(duì)滑移增大，進(jìn)而影響組合梁的整體受力性能。在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)循環(huán)荷載幅值從較小值逐漸增大時(shí)，CFRP布加固的鋼梁和組合梁的疲勞壽命明顯縮短。這是因?yàn)檩^大的荷載幅值會(huì)使結(jié)構(gòu)內(nèi)部的損傷積累速度加快，導(dǎo)致疲勞裂紋更容易萌生和擴(kuò)展。在實(shí)際工程中，如橋梁結(jié)構(gòu)承受的車(chē)輛荷載，其幅值會(huì)隨著車(chē)輛載重和行駛狀態(tài)的變化而改變。當(dāng)遇到重載車(chē)輛時(shí)，荷載幅值增大，對(duì)CFRP布加固的橋梁結(jié)構(gòu)的疲勞性能提出了更高的要求。加載頻率作為循環(huán)荷載的重要特性之一，對(duì)加固結(jié)構(gòu)的受力性能也有著不可忽視的影響。加載頻率的變化會(huì)改變結(jié)構(gòu)的響應(yīng)特性，進(jìn)而影響CFRP布與結(jié)構(gòu)之間的協(xié)同工作效果。在高頻加載情況下，結(jié)構(gòu)的變形和應(yīng)力變化速度較快，CFRP布與結(jié)構(gòu)之間的粘結(jié)界面可能來(lái)不及充分傳遞應(yīng)力，導(dǎo)致粘結(jié)界面的應(yīng)力集中現(xiàn)象加劇。這種應(yīng)力集中可能會(huì)使CFRP布與結(jié)構(gòu)之間的粘結(jié)性能下降，甚至出現(xiàn)粘結(jié)失效的情況。在低頻加載時(shí)，雖然結(jié)構(gòu)的變形和應(yīng)力變化相對(duì)緩慢，但長(zhǎng)時(shí)間