表面裂纹是金属结构中的常见缺陷，广泛存在于石油天然气管道、钢桥、海洋钻井平台、航空机械等金属结构中。尺寸较小时，表面裂纹对结构的承载力影响较小，但在环境与载荷的反复作用下容易发生扩展，并最终造成结构的破坏。如果不能及时发现，甚至会造成重大灾难。因此，表面裂纹是金属结构中一个不可小视的安全隐患。为了减少或杜绝该类安全隐患，采用纤维增强复合材料（FRP）加固含表面裂纹的钢结构无疑是一种先进的技术，也是钢结构加固领域的前沿课题。为此，本文采用本课题组发明的新型FRP片材——碳纤维薄板（CFL），对含三维表面裂纹的钢板进行了加固，并对加固后三维表面裂纹的应力强度因子进行了数值分析，然后在此基础上，对CFL加固钢板中三维表面裂纹的疲劳扩展规律进行了探讨。本文主要研究内容和结论如下：1)CFL加固钢板中三维表面裂纹应力强度因子的数值分析方法。根据表面裂纹前缘所处的应力状态，对不同应力状态下I型裂纹的应力强度因子采用不同的计算公式，提出了CFL加固钢板中三维表面I型裂纹的应力强度因子的有限元计算方法；通过Python语言进行参数化建模，编制了以Python语言为基础的Abaqus接口程序，并开发了三维表面I型裂纹的应力强度因子求解器。采用上述计算方法和程序，可以显著地降低应用Abaqus在求解表面裂纹应力强度因子时的计算误差，省去了GUI界面操作的重复而繁重工作，可以方便地对有限元计算模型进行修改和重建，提高了计算工作效率。2)CFL厚度对应力强度因子（加固效果）的影响规律。采用上述数值计算方法和应力强度因子求解器，通过对拉伸、弯曲、弯拉组合载荷作用下、不同厚度的CFL加固钢板中三维表面裂纹的应力强度因子进行有限元分析，探讨了表面裂纹的应力强度因子随CFL厚度的变化规律。研究结果表明，CFL加固可以显著降低表面裂纹的应力强度因子；随着CFL厚度的增加，加固效果的提升幅度（应力强度因子降低幅度）逐渐减小，尤其是当CFL厚度大于0.6mm以后，加固效果几乎不再提高，即过多地使用加固材料将会造成材料的浪费；在最大拉应力相同的条件下，三种载荷下CFL对应力强度因子的加固效果从高到低依次为：弯曲载荷、弯拉组合载荷、拉伸载荷。3)裂纹参数对应力强度因子的影响规律。利用上述应力强度因子求解器进行有限元分析，分别探讨了在拉伸、弯曲、弯拉组合载荷作用下，不同裂纹参数对应力强度因子（加固效果）的影响规律。研究结果表明，在拉伸、弯曲、弯拉组合载荷下，随着离心角θ和裂纹形状比a/c的增加，CFL加固效果的提高幅度（应力强度因子的降低幅度）逐渐减小；随着裂纹相对深度a/B的增大，在靠近试件表面附近（θ较小）CFL的加固效果显著，但当a/B＜0.3时，加固效果略有下降；当a/B＞0.3以后，加固效果又有所提高；在最大应力相等的情况下，弯拉组合载荷下，随着弯拉应力比σt/σb的增大，CFL的加固效果呈缓慢下降的趋势。4)CFL加固钢板中三维表面裂纹的应力强度因子的半经验公式。利用上述应力强度因子求解器，对在各种载荷下、不同CFL厚度、不同的裂纹形状比a/c和裂纹相对深度a/B的CFL加固钢板中三维表面裂纹的应力强度因子进行大量的有限元计算，并对计算结果进行分析和拟合，提出了在拉伸、弯曲、弯拉组合载荷作用下CFL加固钢板中半椭圆表面裂纹的应力强度因子的系列表达式。与有限元计算结果相比，这些表达式的平均相对误差约为2.5%。5)CFL加固钢板中三维表面裂纹的疲劳扩展实验研究。结合本项目的研究背景，采用管道用材X80高强钢设计和制作试件，探讨了在弯曲载荷作用下、不同的裂纹形状比a/c和裂纹相对深度a/B的CFL加固钢板中三维表面裂纹的疲劳扩展实验方法，成功地将“位移控制勾线法”应用于该类裂纹扩展实验。实验研究结果表明，CFL加固可以显著提高试件的疲劳裂纹扩展寿命（提高2倍以上）。6)CFL加固钢板中三维表面裂纹的疲劳扩展规律。对上述疲劳裂纹扩展实验数据进行分析，建立了采用表面疲劳裂纹在其长度和深度方向的扩展速率作为该裂纹扩展规律的评判准则；结合前述表面裂纹问题的应力强度因子的研究成果，提出了相应的疲劳裂纹扩展速率的表达式。研究结果表明，在三点弯曲载荷作用下，CFL加固钢板中三维表面疲劳裂纹在其长度和深度方向的扩展速率都可以采用Paris公式来描述。然而，对于未加固试件，表面裂纹在其深度方向上的扩展规律比较复杂，不能简单地用Paris公式来描述。