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在工業(yè)建筑中，疲勞破壞是吊車鋼梁在反復(fù)荷載作用下的主要失效模式之一。在我國建國初期建造的工業(yè)廠房中，吊車鋼梁超期和超限服役的現(xiàn)象普遍存在。因此，對這些鋼結(jié)構(gòu)吊車梁進(jìn)行評估和加固已經(jīng)成為迫切需要解決的問題。以往采取的加固方法多為加焊鋼板，但是這種方法存在著諸如增加結(jié)構(gòu)自重、焊接缺陷等不足，碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(CFRP)以其優(yōu)越的物理力學(xué)性能、施工簡易等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于鋼結(jié)構(gòu)的補(bǔ)強(qiáng)與加固。但是，目前對CFRP加固結(jié)構(gòu)的研究主要集中在靜態(tài)力學(xué)的有限元分析等方面，而對結(jié)構(gòu)在交變載荷下疲勞性能的研究卻相對較少，且多以實(shí)驗(yàn)為主。
將CFRP貼于吊車鋼梁底層，在交變荷載的作用下，提高承載能力和降低應(yīng)力幅值的方法，間接提高其疲勞強(qiáng)度和疲勞壽命。采用有限元方法對CFRP加固吊車鋼梁的抗疲勞性能進(jìn)行模擬分析，并且將模擬分析與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對比，利用有限元分析軟件結(jié)合疲勞構(gòu)件的特點(diǎn)，提出“實(shí)體-膜”的力學(xué)模型，并分別分析了無CFRP、單層CFRP加固和雙層CFRP加固等3種情況下的吊車鋼梁的疲勞性能。結(jié)果表明：在CFRP滿足一定厚度時，吊車鋼梁的疲勞性能有所提高，提高的幅度與CFRP本身的性能有關(guān)，模擬分析結(jié)果也和實(shí)驗(yàn)結(jié)果相一致。
利用有限元法(FEM)對CFRP加固吊車鋼梁的疲勞性能進(jìn)行模擬分析，F(xiàn)EM模型要最大限度的反映實(shí)際問題，而且不能過于復(fù)雜。文獻(xiàn)提出了一些較為實(shí)用的有限元模型，但這些模型較為復(fù)雜，不適合疲勞分析的特點(diǎn).筆者根據(jù)吊車鋼梁受周期載荷的實(shí)際特點(diǎn)，提出了“實(shí)體-膜”的分析模型，模型中沒有考慮粘結(jié)層，主要是因?yàn)槠鋸椥阅Ａ颗cCFRP材料及鋼材相比小很多，對鋼梁的影響非常小。在進(jìn)行模擬分析時，假設(shè)構(gòu)件在疲勞破壞之前，其與CFRP材料之間始終處于共同工作的狀態(tài)。在有限元分析中，膜單元的特點(diǎn)是平面內(nèi)只承受拉力，不能承受壓力，平面外不承受彎矩的作用，這與CFRP片材的受力特點(diǎn)相吻合。在單元類型的選取上，鋼梁采用實(shí)體SOLID92單元(空間四面體單元)，CFRP片材采用膜體SHELL41單元，計算模型是根據(jù)鞍山鋼鐵公司使用的真實(shí)吊車鋼梁縮尺(1/6)而建立，模型的基本尺寸和加載方式如圖所示，有限元網(wǎng)格劃分模型如圖所示，給出各材料的物理參數(shù)。
通過表可以看出：無論是在哪種工況下，吊車鋼梁的應(yīng)力幅值都隨加固CFRP層數(shù)的增加而減小，而疲勞壽命隨加固層數(shù)的增加而增大。表給出各加固情況下吊車鋼梁應(yīng)力幅值減小幅度及其疲勞壽命增加幅度。
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