碳纖維板加固鋼結(jié)構(gòu)的粘結(jié)性能研究

桂志光 陶 利

在役的工程結(jié)構(gòu)中存在大量鋼結(jié)構(gòu),由于腐蝕或疲勞需要對(duì)這些損傷鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固和修復(fù)。傳統(tǒng)的鋼結(jié)構(gòu)加固方法主要是將鋼板或型鋼采用焊接或栓接的方法連接于原結(jié)構(gòu)的損傷部位。國(guó)內(nèi)外對(duì)FRP加固混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行了大量的研究和廣泛的應(yīng)用,但是對(duì)FRP加固鋼結(jié)構(gòu)的研究和應(yīng)用則相對(duì)較少[1,2],尤其在國(guó)內(nèi),只對(duì)FRP片材加固鋼結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)和理論分析進(jìn)行了探索性的研究。盡管FRP加固鋼結(jié)構(gòu)還未如FRP加固混凝土結(jié)構(gòu)[3-6]一樣得到廣泛研究和應(yīng)用,但是就目前的研究表明,FRP加固鋼結(jié)構(gòu)可以在一定程度上提高原有結(jié)構(gòu)的剛度和承載能力。本文對(duì)粘貼碳纖維布加固鋼板進(jìn)行了靜力拉伸試驗(yàn),測(cè)量了碳纖維板的應(yīng)變分布。

1 試驗(yàn)概述

1.1 試驗(yàn)材料

本次試驗(yàn)選用3 mm厚的Q235鋼板,根據(jù)GB 2975-82鋼材力學(xué)及工藝性能試驗(yàn)取樣規(guī)定裁制鋼板[7]。經(jīng)試驗(yàn)得到鋼材的屈服強(qiáng)度為 388.2 MPa,拉伸強(qiáng)度為517.1 MPa,彈性模量為216.2 GPa。碳纖維板采用OVM.CFP50-1.2型高強(qiáng)CFRP板,規(guī)格:50 mm×1.2 mm,拉伸強(qiáng)度為2.57×103MPa,拉伸強(qiáng)度模量為1.73×105MPa,拉伸斷裂伸長(zhǎng)率為1.70%。試件由鋼板加工成楔形,兩塊對(duì)拼后,在縫隙兩側(cè)單面對(duì)稱粘貼一整條碳纖維板而成,試件如圖1所示。鋼板試驗(yàn)部分的寬度為60 mm,試驗(yàn)部分長(zhǎng)度為180 mm。試驗(yàn)主要研究碳纖維板與鋼板發(fā)生粘結(jié)剪切破壞的過(guò)程、破壞機(jī)理。碳纖維片材的寬度共有三種,用來(lái)研究碳纖維片材寬度對(duì)粘結(jié)性能的影響;碳纖維片材與鋼板的粘結(jié)長(zhǎng)度共有五種,用來(lái)確定碳纖維板與鋼板粘結(jié)的有效粘結(jié)長(zhǎng)度及不同的粘結(jié)長(zhǎng)度對(duì)粘結(jié)強(qiáng)度的影響。

1.2 試驗(yàn)?zāi)康?/h3>

據(jù)文獻(xiàn)對(duì)影響碳纖維板和鋼板粘結(jié)性能的各因素的綜述,結(jié)合現(xiàn)有的試驗(yàn)條件,針對(duì)金屬界面和混凝土界面存在很大不同,通過(guò)碳纖維與鋼板的粘結(jié)剪切試驗(yàn),分析了碳纖維與鋼板粘結(jié)面上的應(yīng)力分布特點(diǎn)、粘結(jié)剪切破壞過(guò)程和破壞特征,進(jìn)行了33個(gè)碳纖維板與鋼板粘貼后的復(fù)合構(gòu)件的粘結(jié)剪切試驗(yàn)。

擬得到的主要研究結(jié)果為:1)碳纖維板與鋼板發(fā)生粘結(jié)剪切破壞過(guò)程以及其破壞特征;2)碳纖維板與鋼板粘結(jié)面應(yīng)力分布的特點(diǎn);3)碳纖維板與鋼板有效粘結(jié)長(zhǎng)度分析;4)碳纖維板搭接長(zhǎng)度對(duì)粘結(jié)剪切應(yīng)力的影響。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 試驗(yàn)結(jié)果分析

試驗(yàn)在材料萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行,將準(zhǔn)備好的試件安裝在試驗(yàn)機(jī)的夾具內(nèi),使試件中心線和鉗口里的中心線吻合。

在本次試驗(yàn)中,碳纖維板與鋼板的粘結(jié)剪切破壞出現(xiàn)了兩種形式:1)測(cè)試端碳纖維板與鋼板的完全剝離破壞;2)碳纖維板與鋼板交界處滑移破壞。粘結(jié)長(zhǎng)度較短的試件,大多出現(xiàn)碳纖維與鋼板的剝離破壞。粘結(jié)長(zhǎng)度較大的試件,大多發(fā)生交界處碳纖維板與鋼板交界處滑移破壞。試件破環(huán)后的鋼板斷面上只有少量的粘結(jié)劑,說(shuō)明這種膠水對(duì)于粘結(jié)鋼板的作用是有限的,因此建議今后注意粘結(jié)劑的研究。

2.2 碳纖維板與鋼板粘結(jié)面應(yīng)力分布的特點(diǎn)

表1是編號(hào)為A-5號(hào)試件的粘結(jié)面的應(yīng)力分布特點(diǎn)。應(yīng)變片的位置指的是應(yīng)變片的中心距鋼板交界面的距離,從試件交界面處開(kāi)始,應(yīng)變片編號(hào)從1號(hào)開(kāi)始依次排列。

表1 A-5號(hào)(50～180)試件粘結(jié)面上應(yīng)變分布實(shí)測(cè)值

2.3 碳纖維板的長(zhǎng)度對(duì)粘結(jié)性能的影響

確定有效粘結(jié)長(zhǎng)度及不同的粘結(jié)長(zhǎng)度對(duì)界面粘結(jié)強(qiáng)度的影響,分別采用粘結(jié)長(zhǎng)度為60 mm,80 mm,100 mm,140 mm和180 mm五種粘結(jié)長(zhǎng)度而寬度均為50 mm的碳纖維板與鋼板的粘結(jié)試件。試驗(yàn)中可以看到,對(duì)于CFRP粘結(jié)長(zhǎng)度較大的試樣,在臨近極限破壞的階段,荷載變化范圍較大,而CFRP粘結(jié)長(zhǎng)度較短的試樣,荷載值相對(duì)比較穩(wěn)定,或者荷載值變化不顯著,試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。從表2的結(jié)果可以看出,離開(kāi)碳纖維板端部一段距離后,碳纖維板與鋼板之間的粘結(jié)應(yīng)力基本為零,把碳纖維板端部區(qū)域的這一長(zhǎng)度稱為碳纖維板的有效粘結(jié)長(zhǎng)度。由試驗(yàn)結(jié)果可知,即隨著荷載的不斷增加(粘結(jié)長(zhǎng)度從 60 mm～180 mm,極限粘結(jié)力從16.333 k N增加到19.97 k N,平均粘結(jié)強(qiáng)度卻從5.44 MPa減小到2.219 MPa),剪力一直都是在一定區(qū)域內(nèi)變化,這個(gè)距離就是有效粘結(jié)長(zhǎng)度。圖2給出了不同的粘結(jié)長(zhǎng)度的碳纖維與鋼板粘結(jié)試驗(yàn)中粘結(jié)力—粘結(jié)長(zhǎng)度曲線。從圖2可以看出,碳纖維試件的有效粘結(jié)長(zhǎng)度在100 mm～120 mm。

表2 碳纖維板與鋼板粘結(jié)長(zhǎng)度對(duì)極限粘結(jié)強(qiáng)度的影響

由圖2可知,當(dāng)碳纖維板粘結(jié)長(zhǎng)度大于100 mm時(shí),破壞荷載值就不會(huì)變大。

說(shuō)明碳纖維板與鋼結(jié)構(gòu)之間的粘結(jié)存在有效粘結(jié)長(zhǎng)度問(wèn)題,粘結(jié)長(zhǎng)度沒(méi)有達(dá)到該長(zhǎng)度時(shí),極限粘結(jié)力隨著CFRP粘結(jié)長(zhǎng)度的變大而升高,但也不是成線性關(guān)系,當(dāng)粘結(jié)長(zhǎng)度超過(guò)該長(zhǎng)度時(shí),極限粘結(jié)力不再隨著CFRP粘結(jié)長(zhǎng)度的變大而增加,而是呈現(xiàn)水平趨勢(shì)。從圖2的試驗(yàn)結(jié)果可以看出,界面剪應(yīng)力主要分布在碳纖維端部一定長(zhǎng)度的范圍內(nèi),超過(guò)該范圍界面剪應(yīng)力基本為零。

2.4 碳纖維的寬度對(duì)有效粘結(jié)長(zhǎng)度的影響

本試驗(yàn)?zāi)康氖茄芯緾FRP粘結(jié)長(zhǎng)度相同的條件下,CFRP的寬度對(duì)極限粘結(jié)力的影響。試驗(yàn)一共設(shè)計(jì)了0.798,0.894,1.0三種寬度比(碳纖維板寬度與鋼板寬度),三組試件的極限粘結(jié)力的試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖3。

3 結(jié)語(yǔ)

1)粘結(jié)長(zhǎng)度是影響界面粘結(jié)性能的重要因素,隨著粘結(jié)長(zhǎng)度的增大,極限荷載增大而粘結(jié)強(qiáng)度減小。膠粘劑是碳纖維加固鋼結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié),膠粘劑及其受力性能的試驗(yàn)研究是碳纖維加固鋼結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵。從圖2中可看出粘結(jié)長(zhǎng)度超過(guò)100 mm后,極限粘結(jié)力基本不再增加,由此得出碳纖維板加固鋼結(jié)構(gòu)時(shí)的有效粘結(jié)長(zhǎng)度約為100 mm～120 mm。2)粘結(jié)劑的選取對(duì)于充分發(fā)揮CFRP材料的物理力學(xué)性能是至關(guān)重要的,粘結(jié)劑力學(xué)性能的不同,也會(huì)影響到CFRP材料極限強(qiáng)度的發(fā)揮。3)試驗(yàn)中加荷速度的快慢和試驗(yàn)夾具的差異,也會(huì)影響到試驗(yàn)的最終結(jié)果。另外,CFRP材料物理力學(xué)性能有一定的離散性,即使是同一廠家的產(chǎn)品,如果批次不同,其力學(xué)性能指標(biāo)也是有區(qū)別的,所以,在對(duì)CFRP布加固結(jié)構(gòu)技術(shù)進(jìn)行試驗(yàn)研究和實(shí)際工程應(yīng)用時(shí),建立一套固定的試驗(yàn)方法是十分重要的。

[1] Al-Saidy Abdullah H,Klaiber F W,Wipf TJ.Repair of Steel Composite Beams with Carbon Fiber Reinforced Polymer Plates[J].Journal of Composites for Construction,2004,8(2):163-172.

[2] 鄧 軍,黃培彥.預(yù)應(yīng)力CFRP板加固鋼梁的承載力及預(yù)應(yīng)力損失分析[J].鐵道建筑,2007(10):4-7.

[3] 張 鵬,鄧 宇.基于ANSYS碳纖維筋混凝土梁非線性有限元分析[J].廣西工學(xué)院學(xué)報(bào),2005,16(2):5-8.

[4] 於永和,張 鵬.CFRP板側(cè)面加固鋼筋混凝土梁的抗彎性能試驗(yàn)[J].桂林工學(xué)院學(xué)報(bào),2006,26(3):353-356.

[5] 張 鵬,薛偉辰,李 冰,等.FRP筋混凝土梁變形計(jì)算及控制研究[J].廣西工學(xué)院學(xué)報(bào),2006,17(4):69-71.

[6] 張 鵬,韋樹英.碳纖維板(CFRP)加固修復(fù)混凝土結(jié)構(gòu)的研究與應(yīng)用[J].新型建筑材料,2005,25(287):9-12.

[7] 中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社第二編輯室.有色金屬工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)匯編金屬力學(xué)性能及工藝性試驗(yàn)方法[M].北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,2001.

[8] J.G.Teng.FRP-strengthened RC structure[M].New York:Wiley,2002.

[9] Yuan H.,Wu Z.S.,Yoshiazwa H..Theoretical solutions on interfacial stress transfer of Externally bonded steel/composite laminates[J].Structural Engineering/Earthquake Engineering,2001,18(1):27-39.