CFRP加固軸壓方鋼管短柱局部穩定性試驗研究

劉 俊， 完海鷹

(合肥工業大學 土木與水利工程學院，安徽 合肥 230009)

加固修復鋼結構一直以來都是土木工程領域研究的一項重要課題。近年來用它代替傳統的加固材料在混凝土結構加固領域得到了大量應用[5]，CFRP加固鋼結構技術也受到重視并在進行研究[3]。

本文是CFRP加固軸壓方鋼管柱局部穩定性的試驗研究，分析不同長細比和CFRP粘貼方向對加固后鋼管柱穩定極限承載力的影響，并利用ANSYS有限元分析軟件對CFRP加固軸壓試驗進行數值模擬分析。

1 試驗設計

1.1 試驗材料

本次試驗共設計了12根軸壓方管柱試件，試件長度L分別為460mm、920mm、1380mm和1840mm。

圖1 方管截面設計尺寸示意圖

型號屈服強度/MPa彈性模量/GPa泊松比抗拉強度/MPaQ1952881990.3354

方鋼管截面設計寬度B為150mm，管壁設計厚度t為2.8mm，試件長細比λ分別為7、14、21和28，試件具體設計截面尺寸如圖1所示。試驗采用的碳纖維織物是日本東麗UT70-30高性能碳纖維單向布，試驗用結構膠為日本進口小西碳纖維浸漬樹脂E2500S型碳布膠。材料力學性能參數如表1所列。

1.2 試驗設計

分析不同長細比和CFRP粘貼方向對加固后鋼管柱穩定極限承載力的影響。各試件的實際測量參數及相應編號如表2所列。

表2 試件尺寸及編號表

1.3 試驗現象

列舉部分試件破壞現象照片。如圖2所示。

圖2 試驗現象

加載初期，CFRP與鋼管變形協調同步，膠層所受剪切力小于膠層剪切強度，二者粘接較好。柱底、柱中和柱頂管壁和CFRP應變片讀數平穩增長。荷載增加到臨近極限荷載時，開始傳出間斷的噼里啪啦脆響，判斷聲響來源方鋼管柱縱向粘貼的CFRP與管材外壁間發生剝離和膠層脫落，當荷載達到極限承載力時，試件突然傳出連續的CFRP剝離的噼啪脆響，方鋼管喪失局部穩定，此時管壁凹曲面和凸曲面的變形量迅速增長，并不斷向上下兩側擴展形成連續的凹陷凸起變形狀態。加載結束，噼啪脆響隨即迅速消失。

通過觀察12根試件破壞現象，試件沿縱向出現3個屈曲半波，而環向僅出現1個屈曲半波，相鄰兩面破壞波形相反，非加載邊均產生一定程度的轉角。其中8根加固試件破壞后CFRP與鋼管均有不同程度的剝離現象。

2 數值分析模型

圖3 整體模型單元劃分

整體模型單元劃分如圖3所示。在鋼管單元節點與鋼管-膠層界面節點、CFRP單元節點與CFRP-膠層界面節點之間，分別建立2對約束方程以確保變形協調，約束方程以節點坐標系為基準[7]。采用映射劃分網格單元。建立模型時平移復制節點，使端板、鋼管柱、CFRP以及膠層上的節點能夠對應，方便接觸界面上節點約束方程的建立。

3 結果分析

通過試驗研究發現，各試件的破壞模式均為喪失局部穩定性破壞。提取試件A-460L1NA、A-460L1NC、A-920L1NA與A-920L1NC破壞部位應變片數據，如圖4所示。各個試件的極限承載力如表3所列。

圖4 荷載-CFRP應變關系曲線

表3 試件極限承載力試驗結果

3.1 試驗結果

當試件長細比為7，縱向加固1層CFRP時，試件極限承載力提高3.8%；環向加固1層CFRP時，極限承載力提高9.0%。當試件長細比為14，縱向加固1層CFRP時，試件極限承載力提高4.7%；環向加固1層CFRP時，極限承載力提高7.9%。當試件長細比為21，縱向加固1層CFRP時，試件極限承載力提高6.4%；環向加固1層CFRP時，極限承載力提高7.3%。當試件長細比為28，縱向加固1層CFRP時，試件極限承載力提高7.8%；環向加固1層CFRP時，極限承載力提高6.5%。

3.2 模擬結果

表4 ANSYS分析極限承載力結果與試驗結果對比

ANSYS模擬的各試件極限穩定承載力具體數值如表4所列。對比試驗結果和數值模擬結果，兩者之間差別不大，兩者相互印證了各自的準確性和有效性；在極限承載力方面，通過有限元模擬結果與試驗結果相對比相對誤差最大為8.9%，本文建立的有限元模型可以較好的模擬試驗情況。

4 結論

(1)縱向粘貼CFRP。加固機理如下：加載初CFRP沿軸向全截面受壓，分擔一小部分壓應力，無法充分發揮CFRP的抗拉強度優勢。隨著荷載繼續增加，部分CFRP為了限制方鋼管局部向外凸曲變形，開始從壓應力狀態逐漸向拉應力狀態轉換。當荷載達到鋼管極限承載力時，鋼管局部變形量迅速增長，膠層剪切應力超過膠層抗剪強度，導致CFRP與鋼管管壁間發生相對錯動而剝離破壞。

(2)環向粘貼。CFRP加固機理如下：加載初CFRP沿環向受拉，隨著方鋼管局部向外凸曲變形的產生，該部位CFRP通過環箍作用限制向外凸曲變形的發展，管壁向內凹曲部位的CFRP將發生應力狀態轉換，從受拉狀態逐漸過渡到受壓狀態。當荷載達到鋼管極限承載力時，鋼管變形量迅速增長，部分CFRP被拉斷，膠層剪切應力超過膠層抗剪強度，導致CFRP與方鋼管管壁間發生相對錯動而剝離破壞。

(3)長細比。試驗中方鋼管柱隨長細比增加，縱貼CFRP加固后鋼管極限承載力提高幅度逐漸上升，環貼CFRP加固后鋼管極限承載力提高幅度逐漸下降。因此本文建議當方鋼管柱長細比不大于23時，采用環向粘貼CFRP加固鋼管，當長細比大于23時，采用縱向粘貼CFRP加固鋼管。

本文研究內容為我國新編國家標準《鋼結構加固設計規范》和相關工程設計方法提供理論分析和試驗依據。