止裂孔与碳纤维复材（CFRP）板组合修复带单边裂纹钢板的疲劳性能

王延明; 林静瑜; 王海涛; 史健喆; 郭聪聪; 陈治吉

doi:10.3724/j.gyjzG26031403

止裂孔与碳纤维复材（CFRP）板组合修复带单边裂纹钢板的疲劳性能

doi: 10.3724/j.gyjzG26031403

1. 江苏高速公路工程养护有限公司, 江苏淮安 223005;
2. 河海大学土木与交通学院, 南京 210098

基金项目:

国家自然科学基金项目（52378233，52508262）；中国博士后科学基金项目（2025M773262）。

详细信息

作者简介:
王延明,高级工程师,主要从事桥梁工程管养研究,408976122@qq.com。

通讯作者:
王海涛,博士,教授,主要从事工程结构高效加固技术研究,cewht@hhu.edu.cn。

计量
- 文章访问数: 10
- HTML全文浏览量: 4
- PDF下载量: 0
- 被引次数: 0
出版历程
- 收稿日期: 2026-03-14
- 网络出版日期: 2026-06-06

Fatigue Performance of Single-Edged Cracked Steel Plates Repaired with Combined Stop-Hole and CFRP Plate

1. Jiangsu Expressway Engineering Maintenance Limited Company, Huai'an 223005, China;
2. College of Civil and Transportation Engineering, Hohai University, Nanjing 210098, China

摘要

摘要: 钻孔止裂法是工程中常用的钢结构疲劳裂纹修复方法，但其面临修复效果不可靠、损伤截面等问题。通过将外贴碳纤维复材（CFRP）板与钻孔止裂法结合，形成组合修复方法，可以弥补单一方法的不足，实现疲劳裂纹高效修复。为探究CFRP板对止裂孔修复效果的提升作用，基于局部应力-应变法和断裂力学理论，对止裂孔与CFRP板组合修复单边开裂钢板的疲劳性能进行了数值分析，建立了组合修复钢板的两阶段疲劳寿命评估方法，通过与既有试验结果对比，验证了该评估方法的可行性。同时分析了止裂孔孔径、CFRP板厚度和弹模等参数对组合修复开裂钢板疲劳性能的影响。结果表明：相比于止裂孔修复，组合修复能够显著降低孔边应力以及裂纹再生后的应力强度因子，推迟裂纹扩展并显著降低扩展速率；相比于CFRP板修复，组合修复可贡献额外的裂纹萌生寿命，显示了组合修复方法的高效性。
- 止裂孔 /
- CFRP板 /
- 开裂钢板 /
- 疲劳性能 /
- 数值模拟
Abstract: The stop-hole method is a commonly used technique for repairing fatigue cracks of steel structures in engineering practice； however， it suffers from issues such as unreliable repair effectiveness and damage to the cross-section. By combining externally bonded CFRP plates with the stop-hole to form a combined repair method， the limitations of a single method can be compensated for， achieving efficient repair of fatigue cracks. To investigate the enhancement effect of CFRP plates on stop-hole repair， a numerical analysis of the fatigue performance was conducted on single-edged cracked steel plates repaired with combined stop-hole and CFRP plate， based on the local stress-strain approach and fracture mechanics theory. A two-stage fatigue life assessment method for combined repaired steel plates was established and validated through comparisons with existing experimental studies. The results showed that， compared with the stop-hole repair， the combined repair method significantly reduced the stress around the hole edge and the stress intensity factor after crack re-initiation， thereby delaying crack propagation and significantly reducing the crack growth rate. Compared with CFRP plate repair， the combined repair method provided additional crack initiation life， demonstrating its high repair efficiency.
- stop-hole /
- CFRP plate /
- cracked steel plate /
- fatigue performance /
- numerical simulation

HTML全文

参考文献(30)

[1]	张清华，李俊，崔闯，等. 钢桥面板疲劳开裂加固处治关键问题研究进展［J］. 中国公路学报，2024，37（5）：246- 266.
[2]	吉伯海，袁周致远. 钢箱梁疲劳开裂维护研究现状［J］. 工业建筑，2017，47（5）：1- 6.
[3]	FENG L P，LING L P，MENG C，et al. Analysis on stop-hole parameters for fatigue cracks at arc notch in steel bridge deck［C］// Journal of Physics:Conference Series. Albania：2022.
[4]	柯璐，李友林，李传习，等. 冷扩止裂孔修复含Ⅰ型裂纹钢板的疲劳性能试验［J］. 中国公路学报，2024，23（11）：76- 88.
[5]	FANG L，FU Z Q，JI B H，et al. Reinforcement effect of high-strength bolts for stop-hole under out-of-plane bending loads［J］. Journal of Bridge Engineering，2023，28（1）：04022129.
[6]	姜旭，吕志林，强旭红，等. 高强螺栓止裂法修复含裂纹钢板疲劳受力性能［J］. 同济大学学报，2021，49（4）：476- 486.
[7]	吴刚，刘海洋，吴智深，等. 不同纤维增强复合材料加固钢梁疲劳性能试验研究［J］. 土木工程学报，2012，45（4）：21- 28.
[8]	YU Q Q，ZHAO X L，CHEN T，et al. Crack propagation prediction of CFRP retrofitted steel plates with different degrees of damage using BEM［J］. Thin-Walled Structures，2014，82：145- 158.
[9]	WANG H T，WU G，JIANG J B. Fatigue behavior of cracked steel plates strengthened with different CFRP systems and configurations［J］. Journal of Composites for Construction，2016，20（3）：04015078.
[10]	叶华文，张超凡，邓加林，等. 预应力CFRP布置方式对加固含复合型边裂纹钢结构的疲劳性能影响［J］. 中国铁道科学，2025，46（2）：82- 92.
[11]	李传习，柯璐，陈卓异，等. 正交异性钢桥面板弧形切口及其CFRP补强的疲劳性能［J］. 中国公路学报，2021，34（5）：63- 75.
[12]	王海涛，吴刚，张磊. FRP板修复开裂钢板的应力强度因子影响因素分析［J］. 河海大学学报（自然科学版），2020，48（5）：440- 445.
[13]	WANG H T，GUO C C，TAN K H，et al. Enhancing the structural integrity of cracked steel plates using combined CFRP and stop-hole method：parametric study and failure mechanism［J］. Structures，2026，86：111466.
[14]	NAKAMURA H，JIANG W，SUZUKI H，et al. Experimental study on repair of fatigue cracks at welded web gusset joint using CFRP strips［J］. Thin-Walled Structures，2009，47（10）：1059- 1068.
[15]	JIANG X，LYU Z L，QIANG X H，et al. Improvement of stop-hole method on fatigue-cracked steel plates by using high-strength bolts and CFRP strips［J］. Advances in Civil Engineering，2021，2021：6632212.
[16]	郭聪聪. CFRP与止裂孔组合修复开裂钢板的静力及疲劳性能研究［D］. 南京：河海大学，2024.
[17]	王海涛. CFRP板加固钢结构疲劳性能及其设计方法研究［D］. 南京：东南大学，2016.
[18]	WU H，IMAD A，BENSEDDIQ N，et al. On the prediction of the residual fatigue life of cracked structures repaired by the stop-hole method［J］. International Journal of Fatigue，2010，32（4）：670- 677.
[19]	RAZAVI N，AYATOLLAHI M R，SOMMITSCH C，et al. Retardation of fatigue crack growth in high strength steel S690 using a modified stop-hole technique［J］. Engineering Fracture Mechanics，2017，169：226- 237.
[20]	MORROW J. Fatigue design handbook［M］. Pennsylvania：Society of Automotive Engineers，1968.
[21]	廖小伟. 低温环境下桥梁钢材与焊接细节的疲劳性能研究［D］. 北京：清华大学，2018.
[22]	PETERSON R E. Relation between life testing and conventional tests of materials［J］. Materials Research & Standards，1963，3（7）：547- 552.
[23]	PETERSON R E. Analytical approach to stress concentration effects in aircraft materials:technical report 59-507［R］. U.S. Air Force-WADC SYMP Fatigue Metals，Dayton，Ohio，1959.
[24]	王海涛，吴刚，吴智深. FRP布置方式对含裂纹钢板加固后的疲劳性能影响分析［J］. 土木工程学报，2015，48（1）：56- 63.
[25]	RASHNOOIE R，ZEINODDINI M，AHMADPOUR F，et al. A coupled XFEM fatigue modelling of crack growth，delamination and bridging in FRP strengthened metallic plates［J］. Engineering Fracture Mechanics，2023，279：109017.
[26]	CHEN T，LI Z X，GU X L，et al. Fatigue performance of CFRP-strengthened steel pipes with semi-elliptical surface cracks［J］. Engineering Structures，2025，340：120774.
[27]	ZHANG Y N，HU L L，CHEN T，et al. Fatigue behavior of CFRP-strengthened butt-welded high-strength steel connections with surface cracks［J］. Engineering Structures，2025，332：120090.
[28]	王贤强，杨弈，刘朵，等. 止裂孔复合加固单边裂纹钢板疲劳性能研究［J］. 建筑结构，2021，51（21）：100- 105.
[29]	黄传海. FRP与止裂孔复合修复含裂纹钢结构的疲劳性能研究［D］. 武汉：武汉理工大学，2021.
[30]	ASTM. Standard test method for measurement of fatigue crack growth rates:ASTM E647-11［S］. West Conshohocken，PA：ASTM，2011.