呂志林 姜 旭 強(qiáng)旭紅 孫 凱 董 浩

(1.同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院，上海 200092；2.華設(shè)設(shè)計集團(tuán)股份有限公司，南京 210001)

1 概 述

鋼結(jié)構(gòu)工程在循環(huán)荷載和惡劣的環(huán)境共同作用下容易出現(xiàn)疲勞開裂現(xiàn)象[1-3]。疲勞裂紋一旦出現(xiàn)，將會威脅到結(jié)構(gòu)的安全運(yùn)營。因此，進(jìn)行不同類型的疲勞裂紋維修和加固工作對于正在服役的鋼結(jié)構(gòu)至關(guān)重要。傳統(tǒng)的鋼結(jié)構(gòu)疲勞修復(fù)方法有止裂孔法、焊補(bǔ)法和鋼板補(bǔ)強(qiáng)法[4]。然而相對于鋼結(jié)構(gòu)工程疲勞開裂加固的重大需求而言，當(dāng)前的修復(fù)方法仍存在局限性，且相關(guān)研究仍較為欠缺。無論是以機(jī)械修復(fù)還是熱修復(fù)為代表的傳統(tǒng)加固方法，其在修復(fù)過程中進(jìn)行的打孔、復(fù)焊和錘擊等操作不可避免地引入新的疲勞易損源，且止裂效果不理想，焊接殘余應(yīng)力問題突出，修復(fù)后仍會繼續(xù)開裂[5-7]，采用鋼板補(bǔ)強(qiáng)后還會進(jìn)一步增加恒載重量，并且仍存在環(huán)境腐蝕的風(fēng)險，同時現(xiàn)場施工中相對操作不便，設(shè)備要求較高。

近年來，碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料因其輕質(zhì)高強(qiáng)特性、能適應(yīng)各種曲面結(jié)構(gòu)和易于施工等特點開始用于鋼結(jié)構(gòu)加固中[5-7]，而且取得了顯著的效果。該修復(fù)方法是通過結(jié)構(gòu)膠將FRP布粘貼在開裂部位，從而使鋼板、膠層和CFRP作為整體共同受力。碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料用于修復(fù)疲勞裂縫時既不會損傷原來結(jié)構(gòu)，也不會像焊接法那樣帶來焊接殘余應(yīng)力問題。相關(guān)研究表明[8-9]，對于含裂紋鋼板采用CFRP加固可以減小裂紋尖端應(yīng)力，從而提高結(jié)構(gòu)疲勞壽命。通過在FRP布中引入預(yù)應(yīng)力[10-11]，能夠在提高結(jié)構(gòu)剛度的前提下減小平均應(yīng)力，進(jìn)一步提高修復(fù)效率。目前，常用的方法是通過千斤頂和端部機(jī)械錨固來施加預(yù)應(yīng)力，一方面需要復(fù)雜的機(jī)械設(shè)備，另一方面夾具的使用也會對原結(jié)構(gòu)造成額外的損傷。此外，錨固區(qū)需要較大的工作空間和較為嚴(yán)格的結(jié)構(gòu)形式，不能適用于局部細(xì)小的裂紋和不規(guī)則的損傷部位。

形狀記憶合金(Shape Memory Alloy，簡稱SMA)是近幾十年發(fā)展起來的一種新型功能材料。這種材料具有形狀記憶效應(yīng)(Shape Memory Effect，簡稱SME)，即合金在馬氏體狀態(tài)下產(chǎn)生一定程度的變形，然后進(jìn)行加熱，當(dāng)溫度達(dá)到某一值時變形材料能夠恢復(fù)到變形前的形狀和體積[12-15]。因此通過抑制SMA形變的恢復(fù)，可在不需要利用千斤頂?shù)那闆r下用于對結(jié)構(gòu)構(gòu)件施加預(yù)應(yīng)力，這樣便于對局部細(xì)小的裂紋和不規(guī)則的損傷部位施加預(yù)應(yīng)力，可用于鋼結(jié)構(gòu)疲勞裂紋修復(fù)中。國外已有研究表明[16]，將形狀記憶合金SMA與CFRP組成起來形成SMA-CFRP復(fù)合補(bǔ)強(qiáng)系統(tǒng)，利用SMA和CFRP與鋼板之間的黏結(jié)力提供錨固系統(tǒng)，對鋼板產(chǎn)生一定的預(yù)應(yīng)力可以減小疲勞裂紋的繼續(xù)開展。NiTi基形狀記憶合金在記憶合金應(yīng)用領(lǐng)域一直處于統(tǒng)治地位，但其材料成本高、冷加工性能差。最近Fe基形狀記憶合金因具有原料豐富、價格低廉、力學(xué)性能好、切削性能好等優(yōu)點而逐漸發(fā)展起來，具有廣闊的應(yīng)用前景[17]。瑞士Ghafoori[18]等利用Fe-SMA條加固含裂紋鋼板的試件并進(jìn)行疲勞試驗，結(jié)果表明激活的Fe-SMA條能為開裂鋼板提供足夠的壓應(yīng)力，從而減少鋼板受拉應(yīng)力和裂紋尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子。然而采用SMA加固損傷鋼結(jié)構(gòu)的研究尚處于初步階段，國內(nèi)相關(guān)研究較少。本文首先針對國產(chǎn)NiTiNb形狀記憶合金和Fe基形狀記憶合金的力學(xué)性能參數(shù)和熱力學(xué)性能進(jìn)行試驗研究，然后利用數(shù)值模擬的方法以止裂孔法、CFRP布粘貼加固止裂孔法、NiTiNb-SMA及CFRP粘貼加固止裂孔法和Fe-SMA粘貼加固止裂孔法四種加固方法分別對帶裂紋鋼板進(jìn)行加固，得出不同加固方法下?lián)p傷鋼板的應(yīng)力分布和修復(fù)效率，最后通過靜力試驗驗證數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性。本文的研究可為國產(chǎn)形狀記憶合金用于鋼結(jié)構(gòu)疲勞加固領(lǐng)域提供一定的參考資料。

2 NiTiNb形狀記憶合金試驗研究

2.1 試樣設(shè)計

本試驗采用的形狀記憶合金Ni47.14Ti42.98Nb9.48(下標(biāo)數(shù)值表示原子分?jǐn)?shù)，單位%)由西安思維金屬材料有限公司生產(chǎn)。材料加工成直徑0.8 mm的絲狀，并經(jīng)850 ℃均勻退火處理以提高材料的形變回復(fù)能力。本次試驗中對NiTiNb形狀記憶合金進(jìn)行了單向拉伸試驗和熱力學(xué)性能試驗。其中單向拉伸試驗共制作了9根SMA絲材，長度均為250 mm。由于SMA材料在實際使用中需通過加熱進(jìn)行激活，故需要對材料在室溫(21 ℃)、160 ℃、200 ℃條件下的力學(xué)性能進(jìn)行測試，相關(guān)測試參數(shù)及編號如表1所示。熱力學(xué)性能試驗主要是對力學(xué)性能測試結(jié)果中預(yù)拉伸16%[19]的NiTiNb材料進(jìn)行約束升溫恢復(fù)特性研究。除此之外，為最終確定修復(fù)貼片中的加熱長度和粘貼錨固長度，還需對不同長度分配的單絲進(jìn)行加熱試驗研究，具體試驗設(shè)計參數(shù)如圖1和表2所示。

表1 單向拉伸試樣編號及參數(shù)Table 1 Number and parameters of specimens for uniaxial tensile test

表2 熱力學(xué)試驗試件編號及參數(shù)Table 2 Number and parameters of specimens for thermomechanical test cm

圖1 加熱位置示意Fig.1 The schematic diagram of heating position

2.2 試驗裝置及加載制度

本次試驗均在CMT-4204微機(jī)控制電子萬能試驗機(jī)上進(jìn)行，配合引伸儀測量應(yīng)變。單向拉伸試件總長度為250 mm，其中兩端各40 mm夾持端采用硬度較小的鋁片進(jìn)行夾持，中間自由區(qū)間長度為170 mm，引伸儀間距為100 mm，加載裝置如圖2所示。研究表明[20]，形狀記憶合金在相變過程中會釋放相變潛熱從而導(dǎo)致材料溫度場的改變。因此為確保有足夠的時間消除加載過程中相變導(dǎo)致的熱量交換對試件溫度的影響，加載速率不宜過高。本試驗采用應(yīng)變速率進(jìn)行控制，加載速率控制為1.5×10-4s-1。熱力學(xué)性能試驗需采用通電的方式對材料進(jìn)行加熱，電流加載速度為0.05 A/s。加熱至設(shè)定溫度后停止通電，使材料自然冷卻至室溫，記錄加熱及冷卻過程中恢復(fù)應(yīng)力的變化，全程采用溫度測試儀進(jìn)行溫度的實時測量。試件兩端夾頭之間自由長度為170 mm，電源夾頭間距即加熱區(qū)間長度為100 mm，試驗裝置如圖3所示。

圖2 單向拉伸試驗裝置Fig.2 Uniaxial tensile test setup

圖3 熱力學(xué)性能試驗裝置Fig.3 Set-up of thermomechanical test

2.3 試驗結(jié)果與分析

2.3.1NiTiNb-SMA應(yīng)力-應(yīng)變曲線結(jié)果

6根NiTiNb-SMA絲材試樣的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線和相應(yīng)的力學(xué)參數(shù)如圖4和表3所示。對于室溫加載的試件，其在拉伸過程類似低碳鋼單調(diào)拉伸試驗。室溫下未經(jīng)拉伸的NiTiNb試樣為奧氏體狀態(tài)，階段A材料的響應(yīng)為奧氏體彈性變形。隨著拉應(yīng)力的增加，相變溫度逐漸升高，當(dāng)Ms升高至室溫以上時，材料開始轉(zhuǎn)化為馬氏體，并在應(yīng)力作用下發(fā)生由孿晶馬氏體至退孿馬氏體的轉(zhuǎn)變。退孿過程會產(chǎn)生較大的宏觀變形，在應(yīng)力-應(yīng)變曲線中表現(xiàn)為一段接近水平的應(yīng)力平臺[21]，如圖4中的階段B所示。當(dāng)退孿全部完成后，材料進(jìn)入塑性流動和強(qiáng)化階段(階段C)，直至破壞。160 ℃和200 ℃溫度下試件的應(yīng)力-應(yīng)變曲線較為相近。高溫條件下材料在拉伸的全過程中均處于奧氏體狀態(tài)，僅包含奧氏體彈性變形和奧氏體塑性變形兩個階段，不存在因馬氏體退孿而形成的應(yīng)力平臺，因此極限應(yīng)變較小，僅為常溫試件的37%。隨著溫度的升高材料的彈性模量有輕微增長，相比于21 ℃室溫條件下，160 ℃和200 ℃條件下的漲幅分別為2.1%和4.6%。而極限強(qiáng)度受溫度的影響不大。綜上，NiTiNb材料在低溫和高溫條件下的應(yīng)力、應(yīng)變歷程有較大差別，但是彈性模量和極限強(qiáng)度較為接近。

表3 單向拉伸力學(xué)性能參數(shù)(平均值)Table 3 Parameters of mechanical properties under uniaxial tensile (mean values)

圖4 不同溫度下拉伸至斷裂的SMA應(yīng)力應(yīng)變曲線Fig.4 Stress-strain curves of SMA stretched to fracture at different temperatures

2.3.2NiTiNb-SMA恢復(fù)力行為結(jié)果

對試樣ST_16_21持續(xù)加熱至恢復(fù)力不再增加，隨后降溫至室溫，恢復(fù)應(yīng)力隨溫度變化的曲線如圖5所示。加熱過程中最高溫度達(dá)到306 ℃，產(chǎn)生的最大恢復(fù)應(yīng)力為466 MPa，冷卻至室溫后穩(wěn)定在393 MPa，相比于峰值降低了15.7%。當(dāng)溫度達(dá)到170 ℃時，恢復(fù)應(yīng)力已達(dá)到423 MPa，為峰值應(yīng)力的90.8%，而此時溫度僅為峰值應(yīng)力處的65%?？紤]到結(jié)構(gòu)膠的彈性模量會隨溫度的升高而降低，因此SMA的加熱溫度不易過高，故選擇170 ℃作為NiTiNb-SMA的激活溫度。重新選取預(yù)拉伸處理后的試件，對其加熱至170 ℃后冷卻，得到降溫并穩(wěn)定后的恢復(fù)應(yīng)力為274 MPa。

圖5 加熱至306 ℃恢復(fù)應(yīng)力-溫度變化曲線Fig.5 Recovery stress versus temperature curves with heating temperature of 306 ℃

為確定后續(xù)修復(fù)貼片中的加熱長度和粘貼錨固長度，故對表2不同長度分配下的單絲進(jìn)行加熱試驗，加熱溫度為170 ℃，得到相關(guān)試樣的恢復(fù)應(yīng)力如表4所示。結(jié)果表明，加熱長度占總長度的比重越大，產(chǎn)生的恢復(fù)應(yīng)力越大。隨著加熱長度的增加，殘余恢復(fù)應(yīng)力的增速逐漸放緩，試樣SR_32_20_6、SR_32_30_1的殘余恢復(fù)應(yīng)力分別比SR_32_10_11增加了42.3%和48.3%，漲幅僅為6%。相較于20 cm的加熱長度，加熱長度為15 cm和10 cm時殘余恢復(fù)應(yīng)力分別降低了7.5%和17.8%?？紤]到修復(fù)區(qū)域的尺寸限制和美觀影響，貼片尺寸不宜過大，同時也需要保持較高的預(yù)應(yīng)力水平，故最終設(shè)計方案確定為加熱長度15 cm，單側(cè)粘貼錨固長度6 cm，此方案下能夠產(chǎn)生的恢復(fù)應(yīng)力為293.7 MPa。

表4 不同長度分配的試件恢復(fù)應(yīng)力Table 4 Recovery stresses of specimens distributed in different lengths

3 Fe基形狀記憶合金試驗研究

本試驗采用的形狀記憶合金Fe62.98Mn13.59Si8.30Cr10.37Ni4.31(下標(biāo)數(shù)值表示原子分?jǐn)?shù)，單位%)由鋼鐵研究總院生產(chǎn)。材料加工成100 mm×9 mm的條狀，厚度為0.5 mm，試樣參數(shù)及測試內(nèi)容見表5。單向拉伸試驗和熱力學(xué)性能試驗裝置及加載制度與NiTiNb-SMA試驗一致。

表5 Fe-SMA試樣編號及測試內(nèi)容Table 5 Number and test content of Fe-SMA specimens

3.1 Fe-SMA力學(xué)性能結(jié)果

力學(xué)性能測試試樣總長度為100 mm，其中兩端各25 mm用于夾持，中間自由區(qū)間長度為50 mm。Fe-SMA力學(xué)性能指標(biāo)見表6。將各試樣拉伸至應(yīng)變4%后卸載到荷載為零，得到應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖6所示。加載之前Fe-SMA處于奧氏體狀態(tài)，加載期間的非線性變形行為是由于從奧氏體到馬氏體的相變，并且在較高應(yīng)變區(qū)域可能存在塑性變形。在卸載過程中，應(yīng)變也偏離線彈性行為，與其他學(xué)者研究結(jié)論一致[22]，這表明存在馬氏體轉(zhuǎn)換為奧氏體的相變。

表6 Fe-SMA的力學(xué)性能Table 6 Mechanical properties of Fe-SMA

圖6 Fe-SMA應(yīng)力應(yīng)變曲線Fig.6 Stress-strain curves of Fe-SMA

3.2 Fe-SMA恢復(fù)力行為結(jié)果

對上一節(jié)中預(yù)拉伸至4%的兩個試樣的約束升溫恢復(fù)特性進(jìn)行研究。將預(yù)變形的試件兩端夾持并施加10 MPa的應(yīng)力，以消除空程差對測試結(jié)果造成的影響。隨后保持兩端夾頭位移恒定，采用熱風(fēng)槍對材料進(jìn)行加熱，為與NiTiNb-SMA的試驗對比，控制加熱溫度為170 ℃。加熱完成后使材料自然冷卻至室溫，記錄加熱及冷卻過程中恢復(fù)應(yīng)力隨溫度變化的曲線如圖7所示。在初期加熱階段，材料中的應(yīng)力略有下降，表明此階段熱膨脹效應(yīng)起主導(dǎo)作用。隨著加熱溫度的升高，馬氏體向奧氏體轉(zhuǎn)變加速導(dǎo)致形狀記憶效應(yīng)產(chǎn)生。加熱后冷卻過程中由于溫度收縮，應(yīng)力進(jìn)一步增加，但曲線趨勢緩和，這主要是存在奧氏體到馬氏體的部分轉(zhuǎn)變。最終兩個試樣冷卻至室溫穩(wěn)定后測得恢復(fù)應(yīng)力分別為171.5 MPa和184.5 MPa。

圖7 加熱至170 ℃恢復(fù)應(yīng)力-溫度變化曲線Fig.7 Recovery stress versus temperature curves with heating temperature of 170 ℃

4 有限元模擬

4.1 有限元模型描述

以鋼橋弧形切口處裂紋為研究對象，考慮實橋修復(fù)情況和試件尺寸，預(yù)制裂紋長度設(shè)為60 mm，起始點位于弧形切口自由邊應(yīng)力最大處。采用止裂孔法、CFRP布粘貼加固止裂孔法、NiTiNb-SMA及CFRP粘貼加固止裂孔法和Fe-SMA粘貼加固止裂孔法進(jìn)行修復(fù)。4種方案依次設(shè)為SH組、SCH組、SNCH組和SFH組，具體的模型特征及加固參數(shù)見表7和圖8。

表7 4種修復(fù)模型特征及加固參數(shù)Table 7 Features and reinforcement parameters of four repair models

在豎向拉伸荷載作用下，以遠(yuǎn)離裂紋的止裂孔邊緣記為關(guān)注點B，如圖8a所示。根據(jù)前述試驗結(jié)果對四種修復(fù)方案進(jìn)行有限元建模，以進(jìn)行參數(shù)分析和提升效果模擬。所有模型鋼板均采用實體單元C3D8R模擬，厚度取為小跨徑鋼與組合結(jié)構(gòu)橋梁橫隔板或橫梁的常用厚度12 mm。裂紋采用seam模擬，整體網(wǎng)格劃分精度為5 mm，止裂孔周邊區(qū)域局部網(wǎng)格劃分0.5 mm，對上部實際夾持面限制x、y、z向位移，下部矩形區(qū)域施加35.7 kN軸拉荷載，如圖9所示。對于SH組，為確定本文所用試件的最優(yōu)止裂孔尺寸，采用有限元方法對直徑為6～28 mm的止裂孔分別進(jìn)行了計算，得到B點豎向拉應(yīng)力與止裂孔直徑的關(guān)系如圖10所示?？紤]止裂作用和削弱作用的平衡，選擇孔徑16 mm的止裂孔進(jìn)行后續(xù)分析。圖9的SCH模型中CFRP通過結(jié)構(gòu)膠與鋼板粘貼，膠層厚度為0.15 mm。CFRP采用Composite-layup單元模擬，纖維垂直于預(yù)制裂紋。結(jié)構(gòu)膠采用C3D8R實體單元模擬，CFRP與結(jié)構(gòu)膠之間，結(jié)構(gòu)膠與鋼板之間均采用Tie連接。

a—SH；b—SCH；c—SNCH；d—SFH。圖8 4種修復(fù)方案示意 mmFig.8 Schematic diagrams of four repair methods

圖9 有限元模型Fig.9 Finite element model

圖10 B點豎向拉應(yīng)力與止裂孔直徑的關(guān)系Fig.10 Relations between vertical tensile stress and hole diameter

SNCH模型中SMA絲采用Beam單元模擬。絲材與鋼板之間采用Tie約束，預(yù)應(yīng)力采用等效溫度荷載施加，其余材料間的接觸模擬與SCH組相同。為更清晰地分析預(yù)應(yīng)力效應(yīng)和剛度提升效應(yīng)，考慮兩個施工階段分別建立相應(yīng)模型進(jìn)行計算。Step1模型中僅包含SMA絲，由于兩端粘貼區(qū)域的CFRP對面內(nèi)受力影響較小，故建模時不予考慮。對SMA絲中間加熱區(qū)域施加等效溫度荷載以模擬預(yù)應(yīng)力施加階段。根據(jù)第2節(jié)試驗結(jié)果考慮等效溫度荷載為-423.9 ℃。Step2模型在Step1模型的基礎(chǔ)上增加了通長的雙層CFRP和結(jié)構(gòu)膠層，參數(shù)與SCH修復(fù)方案相同，并將SMA中間加熱區(qū)域與鋼板Tie約束，而后進(jìn)行軸拉加載。SFH組模型中，F(xiàn)e-SMA片材采用殼單元S4R模擬。Fe-SMA與結(jié)構(gòu)膠之間，結(jié)構(gòu)膠與鋼板之間均采用Tie連接。Step1模型對應(yīng)施加預(yù)應(yīng)力階段，該階段對Fe-SMA片材加熱區(qū)域進(jìn)行加熱時會導(dǎo)致區(qū)域下部的膠水受熱軟化從而失去強(qiáng)度，因此在Step1模型中將該區(qū)域膠水的彈性模量設(shè)為1 MPa。根據(jù)第3節(jié)試驗結(jié)果考慮等效溫度荷載為-283.2 ℃。當(dāng)溫度冷卻至室溫后，加熱區(qū)域的膠水強(qiáng)度恢復(fù)，Step2模型中將該區(qū)域膠水的彈性模量恢復(fù)至正常值，隨后施加軸拉荷載。其中所有模型中涉及的關(guān)鍵材料性能如表8所示。

表8 關(guān)鍵材料性能Table 8 Key material properties

4.2 有限元結(jié)果分析

止裂孔法35.7 kN軸拉荷載作用下止裂孔周邊豎向拉應(yīng)力云如圖11a所示，B點豎向拉應(yīng)力為193.8 MPa。采用CFRP布粘貼加固止裂孔法35.7 kN軸拉荷載作用下鋼板和CFRP止裂孔局部區(qū)域的豎向拉應(yīng)力云如圖11b所示，由于CFRP對裂紋起到搭接作用，增大了損傷截面的剛度，B點的應(yīng)力集中情況得到顯著改善，該點豎向拉應(yīng)力降至79.9 MPa。

NiTiNb-SMA及CFRP粘貼加固止裂孔法Step1模型與Step2模型的豎向拉應(yīng)力云分別如圖11c和圖11e所示。Step1模型的計算結(jié)果表明，預(yù)應(yīng)力的引入使B點產(chǎn)生48.4 MPa的壓應(yīng)力。而Step2模型的計算結(jié)果表明，35.7 kN軸向荷載作用下試件B點的豎向拉應(yīng)力為73.6 MPa。

Fe-SMA粘貼加固止裂孔法Step1模型與Step2模型的豎向拉應(yīng)力云分別如圖11d和圖11f所示。Step1模型的計算結(jié)果表明，預(yù)應(yīng)力的引入使B點產(chǎn)生125.3 MPa的壓應(yīng)力。而Step2模型的計算結(jié)果表明，35.7 kN軸向荷載作用下試件B點的豎向拉應(yīng)力為81.9 MPa。

4種修復(fù)方案B點豎向應(yīng)力的計算結(jié)果匯總于表9。在相同荷載作用下，與止裂孔法相比，CFRP、NiTiNb-SMA及CFRP復(fù)合貼片和Fe-SMA的加入能使B點應(yīng)力分別降低58.8%、87.0%和122.4%。在施加預(yù)應(yīng)力方面，F(xiàn)e-SMA優(yōu)于NiTiNb-SMA。雖然NiTiNb-SMA的恢復(fù)應(yīng)力大于Fe-SMA，但是片狀的Fe-SMA截面積更大，從而能夠產(chǎn)生更大的恢復(fù)力。在剛度提升方面，比較4種方案在僅有拉力作用下的應(yīng)力可以發(fā)現(xiàn)，與止裂孔法相比，其余3種加固方案均能使B點拉應(yīng)力有較大幅度的降低。其中，單獨使用CFRP和Fe-SMA的效果相當(dāng)，而在CFRP中加入絲狀NiTiNb-SMA僅能使B點應(yīng)力降低7.9%，這是因為貼片中NiTiNb-SMA層的剛度僅為CFRP的22.1%，因此NiTiNb-SMA對提升截面剛度的貢獻(xiàn)不大。綜上，CFRP和NiTiNb-SMA在修復(fù)過程中的分工較為明確，CFRP的作用是提高截面剛度，從而減小應(yīng)力幅；NiTiNb-SMA的作用是引入預(yù)應(yīng)力，從而減小平均應(yīng)力。而Fe-SMA由于同時具有形狀記憶效應(yīng)和較大剛度，因而可以兼顧起到施加預(yù)應(yīng)力和提高截面剛度的作用。

a—SH模型；b—SCH模型；c—SNCH-Step1模型；d—SFH-Step1模型；e—SNCH-Step2模型；f—SFH-Step2模型。圖11 不同修復(fù)方法下鋼板豎向拉應(yīng)力云圖 MPaFig.11 Nephogram of vertical tensile stress distribution of steel plates repaired by different methods

5 試驗驗證

基于上述4種修復(fù)方案進(jìn)行靜力修復(fù)試驗以驗證有限元的可靠性，由于缺少Fe-SMA材料貼片，故此處不對第4種修復(fù)方案進(jìn)行試驗對比。試驗加載裝置采用MTS 311.31S電液伺服高性能結(jié)構(gòu)測試系統(tǒng)，下端固定，上端作動器施加荷載，如圖12所示。試件采用中點對稱加載，加載形式為軸向拉伸。靜力加載采用10 kN/級的梯度荷載，直至增加至60 kN后卸載。

圖12 試件加載裝置Fig.12 Test setup

止裂孔組(SH)在預(yù)制裂縫延伸方向雙面各對稱布置5個應(yīng)變片，應(yīng)變片敏感柵中心距止裂孔邊緣分別為2，15，30，60，90 mm，如圖13a所示。CFRP布粘貼加固止裂孔組(SCH)和NiTiNb-SMA及CFRP粘貼加固止裂孔組(SNCH)由于加固材料覆蓋了止裂孔邊緣的局部區(qū)域，故僅在預(yù)制裂縫延伸方向雙面各對稱布置3個應(yīng)變片，應(yīng)變片敏感柵中心距止裂孔邊緣分別為30，60，90 mm，如圖13b所示。

a—SH組應(yīng)變片測點布置；b—SCH和SNCH組應(yīng)變片測點布置。圖13 測點布置 mmFig.13 Arrangements of measuring points

提取各測點每級荷載作用下的應(yīng)力，與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對比，以驗證有限元模型能否準(zhǔn)確模擬各修復(fù)方案作用下試件的受力情況。圖14表明有限元計算值與試驗實測值基本一致，有限元模型能夠正確反映試件的應(yīng)力分布。其中SCH組部分測點實測值較為接近，均趨近于中間測點的有限元計算值，可能是CFRP粘貼過程中部分膠水滲入預(yù)制裂紋中，影響裂紋張開從而減小該裂紋截面彎矩，但總體上與有限元線性吻合較好。當(dāng)荷載從10 kN增加到60 kN時，SCH組距止裂孔邊緣30 mm處的應(yīng)力增加約23 MPa，距止裂孔邊緣90 mm處的應(yīng)力增加約23.4 MPa?？梢钥闯?，由于NiTiNb-SMA引入的壓縮預(yù)應(yīng)力和CFRP提供的剛度，試樣的整體應(yīng)力狀態(tài)比止孔法修復(fù)的試樣更均勻。從圖15可以發(fā)現(xiàn)，與SH組相比，SCH組和SNCH組的應(yīng)力在30 mm點處可分別降低40.5%和30.3%。表明鋼板的拉應(yīng)力在引入SMA后可以大大降低，從而提高結(jié)構(gòu)的疲勞性能。

a—SH組；b—SCH組；c—SNCH組。圖14 靜載試驗和有限元對比Fig.14 Comparisons of experimental results and FEM values

圖15 荷載60 kN下各種修復(fù)模型的實測應(yīng)力Fig.15 Stresses on various repairing models under the load of 60 kN

6 結(jié)束語

1)從SMA單向拉伸和熱力學(xué)性能試驗結(jié)果來看，國產(chǎn)NiTiNb-SMA材料在低溫和高溫條件下的應(yīng)力、應(yīng)變歷程有較大差別，但是彈性模量和極限強(qiáng)度較為接近，平均值分別為75.2 GPa和1 172 MPa。與NiTiNb-SMA相比，F(xiàn)e-SMA的本構(gòu)關(guān)系不存在屈服平臺。在激活溫度為170 ℃下，預(yù)應(yīng)變?yōu)?6%的NiTiNb-SMA的恢復(fù)應(yīng)力為274 MPa，高出Fe-SMA(預(yù)應(yīng)變4%)約96 MPa。

2)有限元分析結(jié)果表明，相比止裂孔修復(fù)，CFRP、NiTiNb-SMA及CFRP復(fù)合貼片和Fe-SMA的加入能使最不利位置拉應(yīng)力分別降低58.8%、87.0%和122.4%。引入SMA對損傷鋼板施加預(yù)壓應(yīng)力，能有效改善孔邊高應(yīng)力狀態(tài)，而采用Fe-SMA修復(fù)效果最佳。

3)NiTiNb-SMA及CFRP復(fù)合貼片修復(fù)帶裂紋鋼板中，NiTiNb-SMA起到施加預(yù)應(yīng)力作用，對截面剛度貢獻(xiàn)不大，故需采用CFRP提高截面剛度。而Fe-SMA貼片由于同時具有形狀記憶效應(yīng)和較大剛度，因而可以兼顧起到施加預(yù)應(yīng)力和提高截面剛度的作用。

4)靜載試驗結(jié)果表明實測結(jié)果與有限元計算結(jié)果總體上吻合較好，說明本文中建立的有限元模型能夠較為準(zhǔn)確地模擬各修復(fù)材料的工作性能。采用形狀記憶合金對損傷鋼板進(jìn)行加固具有較高的可行性和廣闊的應(yīng)用前景。