自感知CFRP板加固钢结构疲劳裂纹分析及裂纹监测、识别方法

本发明涉及钢结构裂纹分析监测，具体涉及一种自感知cfrp板加固钢结构疲劳裂纹分析及裂纹监测、识别方法。

背景技术：

1、目前，钢结构已经成为各个领域都不可或缺的重要组成部分，钢结构在加工过程中不可避免会出现各种疲劳缺陷，这些疲劳缺陷会在钢结构服役过程中受到循环荷载时，演变为裂纹并不断扩展，对钢结构本身的安全性能造成严重影响。为准确评估裂纹对钢结构的影响，需要对裂纹发展状况进行实时监测。

2、为了限制钢结构裂纹缺陷的扩展，工程中常用的方法是采用碳纤维复合材料（cfrp）板对钢结构表面裂纹进行加固，具体操作是直接粘贴cfrp板在钢结构裂纹处，通过轻质高强的cfrp板来辅助钢结构受力，消除或者延缓疲劳裂纹的发展。经处理之后，钢结构表面裂纹被cfrp板封闭起来形成“黑箱”，裂纹不再直接可见，用常规检测方法难以做到实时检测裂纹的发展状况，加固是否有效不易检验。

3、目前的技术中，普通的cfrp板加固钢结构后，由于裂纹封闭，不容易掌握裂纹发展状况，从而也难以有效评估加固效果。

技术实现思路

1、本申请要解决的技术问题是提供一种自感知cfrp板加固钢结构疲劳裂纹分析及裂纹监测、识别方法，具有可以更容易掌握cfrp板加固后钢结构裂纹发展状况的特点。

2、第一方面，一种实施例中提供一种自感知cfrp板加固钢结构疲劳裂纹分析方法，包括：

3、构建cfrp板加固钢结构疲劳裂纹分析模型；所述钢结构表面存在有裂纹，裂纹上通过胶层粘接有碳纤维复合材料板，复合材料板上布置有分布式光纤和点式应变片；

4、通过布置的分布式光纤和点式应变片获取不同裂纹位置处的应变数据；所述应变数据包括钢结构基体的远场名义应变和不同位置裂纹处的应变；

5、对于任意一裂纹位置处，选取对应cfrp板任意一个微段，并建立该微段位置处的受力平衡方程，获取cfrp板的轴向形变和cfrp板与胶层界面的剪切应力之间的关系式作为第一关系式；所述轴向为垂直于裂纹长度的方向；

6、基于第一关系式，获取钢结构基体与胶层界面的剪切应力与cfrp板的轴向形变的关系式作为第二关系式；

7、获取所述任意一裂纹位置处，钢结构基体的轴向形变、胶层的剪切形变、裂纹张开位移和钢结构基体的远场名义应变的关系式作为第三关系式；获取胶层的本构关系作为第四关系式；

8、基于所述第一关系式、第二关系式、第三关系式和第四关系式，分别获取胶层弹性阶段和软化阶段的裂纹张开位移-应变分析模型。

9、第二方面，一种实施例中提供一种钢结构裂纹监测方法，包括：

10、通过在钢结构基体上布置的cfrp板、分布式光纤和点式应变片，实测确定cfrp板不同位置处的应变数据；所述应变数据包括钢结构基体的远场名义应变和不同位置裂纹处的应变；所述cfrp板通过胶层粘接在存在裂纹的钢结构基体上；

11、对于任意一裂纹处，获取裂纹位置的应变，并基于该应变计算得到钢结构基体与胶层界面的剪切应力，基于钢结构基体与胶层界面的剪切应力判断胶层所处的阶段；所述阶段包括弹性阶段和软化阶段；

12、若胶层所处的阶段为弹性阶段，则基于自感知cfrp板加固钢结构疲劳裂纹分析方法中得到的胶层弹性阶段的裂纹张开位移-应变分析模型计算钢结构基体的裂纹张开位移；

13、若胶层所处的阶段为软化阶段，则基于自感知cfrp板加固钢结构疲劳裂纹分析方法中得到的胶层软化阶段的裂纹张开位移-应变分析模型计算钢结构基体的裂纹张开位移；

14、对于任意一裂纹处，基于所述钢结构基体的裂纹张开位移，计算钢结构基体的裂纹处的深度。

15、第三方面，一种实施例中提供一种钢结构裂纹识别方法，基于上述的钢结构裂纹监测方法实现，包括：

16、通过在钢结构基体上裂纹位置处延长布置的cfrp板、分布式光纤和点式应变片，实测确定裂纹未曾生长出的不同位置处的cfrp板应变数据；对于任意一个应变数据检测位置，若所测得的应变大于钢结构基体的远场名义应变的1.05倍，则认为裂纹已生长至该任意一个应变数据检测位置，并基于此进一步计算得出裂纹的长度。

17、本发明的有益效果是：

18、通过构建自感知cfrp板加固钢结构疲劳裂纹分析模型，选取任意一裂纹位置处对应cfrp板任意一个微段，并建立该微段位置处的受力平衡方程，获取cfrp板的轴向形变和cfrp板与胶层界面的剪切应力之间的关系式作为第一关系式；基于第一关系式，获取钢结构基体与胶层界面的剪切应力与cfrp板的轴向形变的关系式作为第二关系式；获取任意一裂纹位置处，钢结构基体的轴向形变、胶层的剪切形变、裂纹张开位移和钢结构基体的远场名义应变的关系式作为第三关系式，以及胶层的本构关系作为第四关系式；基于第一关系式、第二关系式、第三关系式和第四关系式，分别获取胶层弹性阶段和软化阶段的裂纹张开位移-应变分析模型。基于得到的胶层弹性阶段和软化阶段的裂纹张开位移-应变分析模型实现对cfrp板加固钢结构的裂纹监测，从而使得更容易掌握cfrp板加固后钢结构裂纹发展状况。另外，基于裂纹发展的监测，可以通过在钢结构基体上裂纹位置处延长布置的cfrp板、分布式光纤和点式应变片，实测确定裂纹未曾生长出的不同位置处的cfrp板应变数据，从而得出裂纹长度方向上的扩展生长情况，实现对裂纹长度发展变化的检测识别。

技术特征：

1.一种自感知cfrp板加固钢结构疲劳裂纹分析方法，其特征在于，包括：

2.如权利要求1所述的自感知cfrp板加固钢结构疲劳裂纹分析方法，其特征在于，所述的对于任意一裂纹位置处，选取对应cfrp板任意一个微段，并建立该微段位置处的受力平衡方程，获取cfrp板的轴向形变和cfrp板与胶层界面的剪切应力之间的关系式作为第一关系式，包括：

3.如权利要求2所述的自感知cfrp板加固钢结构疲劳裂纹分析方法，其特征在于，所述的基于第一关系式，获取钢结构基体与胶层界面的剪切应力与cfrp板的轴向形变的关系式作为第二关系式，包括：

4.如权利要求3所述的自感知cfrp板加固钢结构疲劳裂纹分析方法，其特征在于，所述的获取所述任意一裂纹位置处，钢结构基体的轴向形变、胶层的剪切形变、裂纹张开位移和钢结构基体的远场名义应变的关系式作为第三关系式，包括：

5.如权利要求4所述的自感知cfrp板加固钢结构疲劳裂纹分析方法，其特征在于，所述的获取胶层的本构关系作为第四关系式，包括：

6.如权利要求5所述的自感知cfrp板加固钢结构疲劳裂纹分析方法，其特征在于，所述的基于所述第一关系式、第二关系式、第三关系式和第四关系式，分别获取胶层弹性阶段和软化阶段的裂纹处的应变与裂纹张开位移的关系式，包括：

7.如权利要求6所述的自感知cfrp板加固钢结构疲劳裂纹分析方法，其特征在于，所述的基于所述第一关系式、第二关系式、第三关系式和第四关系式，分别获取胶层弹性阶段和软化阶段的裂纹处的应变与裂纹张开位移的关系式，包括：

8.一种钢结构裂纹监测方法，其特征在于，包括：

9.如权利要求8所述的钢结构裂纹监测方法，其特征在于，所述的对于任意一裂纹处，获取裂纹位置的应变，并基于该应变计算得到钢结构基体与胶层界面的剪切应力，基于钢结构基体与胶层界面的剪切应力判断胶层所处的阶段，包括：

10.一种钢结构裂纹识别方法，其特征在于，基于权利要求8或9所述的钢结构裂纹监测方法实现，包括：

技术总结本发明涉及一种自感知CFRP板加固钢结构疲劳裂纹分析及裂纹监测、识别方法，构建CFRP板加固钢结构疲劳裂纹分析模型，选取任意一裂纹位置处对应CFRP板的微段建立受力平衡方程，获取CFRP板轴向形变和CFRP板与胶层界面的剪切应力之间的第一关系式；获取钢结构基体与胶层界面的剪切应力与CFRP板轴向形变的第二关系式；获取钢结构基体轴向形变、胶层剪切形变、裂纹张开位移和钢结构基体远场名义应变的第三关系式，胶层的本构关系作为第四关系式，以得到胶层弹性阶段和软化阶段的裂纹张开位移‑应变分析模型。基于得到的裂纹张开位移‑应变分析模型实现对CFRP板加固钢结构的裂纹监测及长度生长识别，从而使得更容易掌握CFRP板加固后钢结构裂纹发展状况。技术研发人员：叶华文,邓加林,周亚栋,段熹,罗志军,杨喆,雷聪,张超凡,冯治皓,李艳哲,余文志受保护的技术使用者：西南交通大学技术研发日：技术公布日：2024/11/4