玻璃纖維增強復合材料加固海洋鋼結構理論分析和實驗研究

彭紹源 李艷臣 胡哲

摘 要：在現代工程中，鋼結構是主要的一種結構形式，在現代海洋基礎設施建設中應用次數較為頻繁。隨著我國海洋建設行業的不斷發展，大多數傳統海洋鋼結構建筑已經不能滿足當下使用需求，必須要對其進行及時處理。高強纖維增強鋼結構技術主要是將纖維片材利用粘結劑粘接于金屬結構損傷部位，通過膠層將部分荷載轉送到增強片材上，進而減輕鋼結構材質破壞及疲勞破壞程度，進一步增加海洋鋼結構使用時間。高強纖維增強鋼結構技術與傳統結構相比有明顯優勢。本文就玻璃纖維增強復合材料加固鋼結構理論進行了分析，并對其進行了試驗探究，望為后續工作者提供一些參考意見。

關鍵詞：玻璃纖維 增強復合材料 加固鋼結構

中圖分類號：P75 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2018）03（b）-0066-02

鋼結構具有多種不可替代的優點，如強度較高、抗震性能好、工業化程度高、可反復利用及自重輕等，是現代海洋工程結構中較為常用的一種結構方式。但由于影響鋼結構的因素較多（如生產制造、周圍環境、實際使用、具體施工等），致使鋼結構在使用過程中或多或少存在部分缺陷及損壞，隨著海洋鋼結構使用時間的不斷加長，其所出現的問題不斷增加與融合且其影響程度也在不斷加深，致使材料在海洋中的實際性能逐漸弱化，更有甚者，會導致海洋工程事故出現。在此背景下，如何加固鋼結構及如何加固修復損傷結構已成為現階段下海洋領域亟待解決的重要問題。

1 加固鋼結構技術

隨著現代城市化進程的不斷加深，鋼結構的應用范圍也在不斷擴大，在役鋼結構中，包括建筑物、海岸、橋梁及近海工程、管道等。若海洋鋼結構存在的差異及缺陷較為明顯或使用條件發生了改變，應對其結構強度、剛度、穩定性進行及時檢查，若檢查結果不能夠滿足當前需求，應對海洋鋼結構進行及時加固。而導致海洋鋼結構加固補強的常見原因主要有以下幾點：（1）在設計或施工中構成了鋼結構缺陷，比如桿件切口較長、焊縫長度過短等。（2）海洋鋼結構使用時間過長，或多或少地出現了銹蝕、磨損、操作失誤等情況，進而導致了結構缺陷，嚴重削弱了結構構件截面。（3）由于工藝生產條件發生變化，增加了結構上的作用荷載力，超出原有結構承受力度。（4）在海洋鋼結構制造過程中，鋼材質量較差，不能滿足當前施工需求。（5）因意外或多種自然災害對鋼結構造成嚴重損壞。（6）因地基基礎發生下沉而導致的結構變形或損傷。以上幾種因素都可能會導致鋼結構出現缺陷，進而加大質量事故發生概率。

2 玻璃纖維增強復合材料組成

水泥、砂子、纖維水是組成玻璃纖維增強復合材料的基本材料，除此之外，其中還添加了聚合物、外加劑等多種材料用于改善后續性能。（1）水泥：在玻璃纖維增強復合材料中常用水泥主要有：普通硅鹽酸水泥、快硬硫鋁酸鹽水泥、白色硅酸水泥、低堿度硫鋁酸鹽水泥。（2）纖維：在玻璃纖維增強復合材料中對纖維材料要求較高，其必須要使用耐堿玻璃纖維，主要包括耐堿玻璃纖維短切紗、耐堿玻璃纖維網格布、耐堿玻璃纖維無捻粗紗。國外其他國家對玻璃纖維增強復合材料中玻璃纖維氧化鋯含量要求要大于16.5%，而我國在使用普通硅鹽酸水泥時要求其含量必須大于16.5%。（3）聚合物：一般情況下，在玻璃纖維增強復合材料中添加丙乳為聚合物，丙乳又名丙烯酸酯共聚乳液。（4）外加劑：通常，在玻璃纖維增強復合材料中可選擇性添加塑化劑、高效減水劑、早強劑、防凍劑、緩凝劑等多種外加劑，若當前制品中包括鋼質增強材料、鋼制預埋件時，不可應用氯化鈣基作為外加劑。（5）其他材料：在玻璃纖維增強復合材料中，可依據實際情況來添加多種其他輔助材料。

3 試驗方法

本次試驗選取兩點加載，四點彎曲的形式，對當前構件逐級施加荷載力。本次試驗選取液壓千斤頂為加載裝置，利用液壓控制臺控制整體實驗過程中的荷載；利用靜態應變測試系統對本次試驗中的數據進行系統記錄，撓度采取百分表進行測量，以上全部是本次試驗中所需記錄的相關

表1 荷載隨時間變化表

時間（h） 荷載（kN）

1 300

2 330

3 350

4 380

數據。詳細試驗過程如下：（1）首先，應將試驗中可能用到的所有儀器進行對中，進而有效避免在加載過程中產生偏心荷載的概率。（2）在實施加載之前必須要對所有儀器的實際性能進行檢查，并對其運行效果進行確定，所以，在正式試驗之前必須要進行一次預加載。預加載可大概分為三級，每級取構件屈服荷載的20%，而后對其進行分級卸載，2～3級卸載完成。（3）在正式加載過程中必須實施分級加載方式，其原因主要是分級加載可有效控制加載速度，與此同時，還可實時觀察結構變形實際狀態，且讀取數據過程也需要一定時間才能完成。因此各個級別的加載時間應小于4min，而兩級加載之間必須要控制在10min以上，15min以下，進而更好地發揮結構變形的實際作用。（4）以鋼梁的屈服荷載理論值為依據，并在此基礎上，工作人員合理控制其遞增加載，而后對其進行卸載，荷載力度必須要與鋼梁的屈服荷載理論值相同，而后依據鋼梁在屈服荷載下的實際狀態來決定是否繼續實施加載，加載過程中有無出現剝離現象是判斷是否繼續加載的重要依據。

4 試驗過程

通過有關實驗表明，屈服是造成構件最終破壞的主要原因。而玻璃纖維增強復合材料布并無出現明顯的剝離現象，但是玻璃纖維增強復合材料卻有明顯的剝離現象。根據本試驗中所得到的結果表明，端部應力大于剝離應力是產生剝離的主要原因，且在其加載過程中由于構建撓度的逐漸增大，其變形程度也都各不相同。

在對實驗過程中的數據進行整理分析后，我們發現，鋼梁破壞過程以彈性階段、屈服階段、破壞階段為主。剛剛加載時，荷載較小，鋼梁尚處于彈性階段，在此時玻璃纖維增強復合材料與鋼梁志堅協調工作效果較好；但隨著外界荷載力的不斷增加，使得構件撓度不斷增加，逐漸顯現出了其非彈性性質。若繼續對其增加荷載，會導致局部銹殼脫落，構件會發出劇烈響聲。撓度及變形會在荷載值與屈服荷載相同時快速增大，而在此階段后，荷載加大概率較小，但是撓度卻可不斷加大，直至構件破壞，此時，可以理解為該構件已達到了其極限荷載。

5 結語

綜上所述，使用玻璃纖維增強復合材料來加固鋼結構可有效提升構件的承載能力，進而提升海洋工程的整體效益。且隨著片材厚度及寬度的不斷加大，承載力的增加程度也逐漸增大，但與我們預期效果仍有相對出入。分析上述試驗結果可得，在玻璃纖維增強復合材料中適當采用彈性力學知識可有效提升計算玻璃纖維增強復合材料的剪切應力、剝離應力的準確性。

參考文獻

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