姜旭讲解高性能材料SMA和CFRP在钢桥疲劳裂缝修复领域的应用
2020-05-08 18:33:32   来源：第一新闻网   评论：0 点击：

钢桥在往复荷载作用下易出现疲劳开裂，极大地影响了桥梁的使用安全性及耐久性，已成为桥梁工程领域关注的热点问题。以机械修复和热源修复为代表的传统修复裂纹方法，均是在这个研究方向上的有效尝试，但工程应用中仍存局限性。4月21日，国联云邀请到同济大学副教授姜旭做客桥梁直播间，为大家讲解高性能材料SMA和CFRP在钢桥疲劳裂缝修复领域的应用。

姜教授本次讲解主要针对高性能材料SMA和CFRP，介绍国内外在钢桥“无损冷修复”领域的最新研究成果、工程应用及未来发展趋势，修复方法利用SMA形状记忆性引入预应力，以及质轻高强CFRP材料优良的受力性能，以期达到控制疲劳裂缝恶化发展，提高桥梁使用寿命的目的。

姜教授对高性能材料（SMA、FRP）做了介绍，通过实验的验证，让我们了解到SMA（形状记忆合金，分为NiTiNb、Fe-SMA）具有四个特性，低温冷拉塑性变形后的SMA材料受热后能够恢复其初始形状；加热SMA，约束形变引入预应力；形变（即预应力）均匀；超弹性。FRP（纤维增强复合材料），具备的特性表现为：轻质高强；耐疲劳、耐腐蚀；CFRP布适用于曲面等各种形状的结构加固；FRP材料中的纤维排布可根据待修复结构的受力状态进行设计。姜教授结合国外钢桁架桥（工字型梁）加固案例做了详细讲解。

结合实验研究，姜教授还介绍了正交异性钢桥板疲劳裂缝修复的情况，并针对弧形开口处的疲劳裂纹进行了研究。姜教授表示，由于现有设计及评价方法主要基于S-N曲线，仅考虑应力幅与疲劳寿命的关系，忽略了疲劳裂纹萌生及扩展的过程及其影响参数，桥梁的实际使用性能需求导致在运营管养中对疲劳问题的考量不同，所以在设计阶段做了疲劳裂纹萌生的研究，运营管养做了疲劳裂纹扩展的研究。

对此姜教授提出了采用CFRP加固方式。从试验模型合理性分析到试验试件制备，正式疲劳阶段荷载设计、试件疲劳试验等，再到各修复方法有限元模拟，如：NiTiNb-SMA及CFRP粘贴加固止裂孔法、Fe-SMA粘贴加固止裂孔法、止裂孔法、CFRP加固止裂孔法，通过系列试验得出：在相同荷载作用下，与止裂孔法相比，CFRP、NiTiNb-SMA及CFRP复合贴片和Fe-SMA的加入能使B点应力分别降低58.8%、69.0%和83.8%；在施加预应力方面，Fe-SMA优于NiTiNb-SMA；在刚度提升方面，比较四种方案在仅有拉力作用下的计算结果可以发现，与止裂孔法相比，其余三种加固方案均能使B点拉应力有较大幅度的降低。其中，单独使用CFRP和Fe-SMA的效果相当，而NiTiNb-SMA的加入对提升截面刚度的贡献不大；CFRP和NiTiNb-SMA在修复过程中的分工较为明确，CFRP的作用是提高截面刚度，从而减小应力幅；NiTiNb-SMA的作用是引入预压应力，从而减小平均应力。而Fe-SMA由于同时具有形状记忆效应和较大的刚度，因而可以兼顾起到施加预应力和提高截面刚度的作用。

姜教授的精彩分享吸引1.2万观众在线收看本次直播，从直播间的互动可以看出，姜教授细致、详细的讲解，深得观众青睐。答疑环节，向姜教授讨教的问题不断，姜教授对此一一作答。随着经济的发展，高强度、轻型、耐腐蚀、耐久性的新材料的开发及新的设计理念、施工技术的广泛应用，未来钢桥在我国的发展前景及质量将逐渐提高。透过桥梁观众与姜教授的互动，也可以看出大家对钢桥的发展已开始了未雨绸缪。由此，非常感谢姜教授的分享，感谢观众朋友们的大力支持，更多精彩内容请关注“国联云”小程序及公众号、“桥梁工程与技术”公众号，最新课程、讲师解答将在此公布。