鋼結構采用碳纖維加固的疲勞壽命預測方法
1 疲勞研究的歷史發展
鋼結構工程技術人員對疲勞問題的研究可追溯到19世紀初，自1829年，德國采礦工程師W．A．J．Albert提出了第一個疲勞研究報告，迄今已有180余年。直到1963年美國人P．C．Paris提出著名的指數冪定律Paris公式，給疲勞研究提供了一個估算疲勞裂紋擴展壽命的新方法，后來在此基礎上發展出損傷容限設計，從而使斷裂力學與疲勞這兩門學科逐漸結合起來n1。
2疲勞壽命分析模型
2.1 考慮裂紋閉合效應的分析模型
針對裂紋穩定擴展階段，Paris于1961年提出著名的Paris公式：即：
Elber[2]提出只有當施加應力大于某一應力水平時，疲勞裂紋才能完全張開，這一應力稱為張開應力，記o。。；卸載時小于某一應力水平，疲勞裂紋即開始閉合o。．，這一應力稱為閉合應力，記張開應力和閉合應力的大小基本相同。疲勞裂紋只有在完全張開后才能擴展，所以應力循環中只有o…-o。。部分對疲勞裂紋擴展有貢獻。
應力循環中，最大應力與張開應力之差，稱為有效應力幅△o。ff，且
根據式(2-10)，己知應力比R可以得到有應力比q，將q和R代入式(2-8)，2得到裂紋閉合參數U。 疲勞裂紋擴展參數C和m值是材料常數
[5]; ain是初始疲勞裂紋長度；a是疲勞裂紋擴展長度；N是裂紋從初始裂紋長度ai。擴展到裂紋長度a時所經歷的荷載循環次數(即疲勞壽命)；U是裂紋閉合參數，與應力比R有關。
3疲勞壽命預測結果與試驗結果比較
3.1CFPR加固鋼板的疲勞壽命預測
根據前文所述的基于裂紋閉合的疲勞壽命預測公式(2-11)，對參考文獻[6]及參考文獻[7]中CFRP加固含中央裂紋鋼板的疲勞壽命進行分析。表l為按本文分析模型計算的疲勞壽命預測結果和試驗結果進行比較。
注： 冰引用的是參考文獻[6]試驗結果。
術木引用的是參考文獻[7]的試驗結果。
從表1可知，除了試件PD120疲勞壽命的計算值與試驗值相差比較大外，試件疲勞壽命的計算值與試驗值的誤差均在20%以內，表明采用本文分析方法可以很好的預測含初試裂紋受拉鋼板的疲勞壽命。試件PD120試驗值與計算值相差較大，主要是由于疲勞試驗過程中CFRP板與鋼板從一端開始發生比較嚴重的脫膠現象，所以PD120的試驗結果遠低于計算結果，而PD120這種由于CFRP端部剝離引起的加固失效應該避免出現。
圖l給出了未加固的含中央疲勞裂紋鋼板疲勞裂紋擴展曲絨的試驗結果和計算結果比較，圖2給出了CFRP加固含中央疲勞裂紋鋼板疲勞裂紋擴展曲線的試驗結果和計算結果比較。由圖l、2可知，除PD120外試件的疲勞裂紋擴展曲線（即疲勞裂紋長度a隨循環荷載次數N增加而增長的曲線）計算結果與試驗結果基本吻合。因此采用本文分析方法不僅可以很好地預測含初始裂紋受拉鋼板的總的疲勞壽命，而且還能夠比較準確的預測疲勞裂紋擴展曲線。
傳統的S-N曲線方法是完全根據試驗結果得到，利用本文所述的疲勞壽命斷裂力學分析方法，可以計算出對應不同應力幅△o大小情況下含中央疲勞裂紋鋼板的疲勞壽命N，從而得到在雙對數坐標下的S-N曲線。
