碳纖維材料粘貼加固損傷建筑鋼結構梁受力性能研究

摘要：為確保結構安全，提升加固效果，研究碳纖維材料粘貼加固損傷建筑鋼結構梁的受力性能。使用腐蝕方法準備損傷建筑鋼結構梁，選擇碳纖維布作為粘貼材料，分別采用0、1、2層和是否箍筋錨固的搭配加固方式制備5個試件，測試不同加固方式后鋼結構梁的受力性能變化。試驗結果表明，2層碳纖維布結合箍筋錨固加固的試件AN-4在不同粘接長度下，始終保持較高承載力，且與其他試件相比，該試件裂縫的長度和寬度更小，裂縫分布更為舒朗不影響使用，其他加固方式下的試件AN-0～AN-3裂縫較多且寬，影響正常使用。AN-4試件即使在加高溫度處理后仍舊保持較高軸拉強度，適合極端環境建筑鋼結構梁使用。

關鍵詞：碳纖維材料；粘貼加固；損傷建筑；鋼結構梁；受力性能

中圖分類號：TQ342+.742；TU375文獻標志碼：A文章編號：1001-5922（2025）02-0056-04

Research on the mechanical performance of steel structurebeams damaged by carbon fiber materialpasting and reinforcement

WANG Xun

（CCTEG Chongqing Engineering（Group）Co.，Ltd.，Chongqing 400016，China）

Abstract：In order to ensure the safety of the structure and improve the reinforcement effect，the mechanical perfor-mance of the steel structure beam of the building damaged by the pasting and reinforcement of carbon fiber material was studied.The corrosion method was used to prepare the damaged steel structure beam，and the carbon fiber cloth was selected as the pasting material，and five specimens were prepared by using the matching reinforcement meth-ods of 0，1，and 2 layers and whether the stirrups were anchored，and the mechanical performance of the steel struc-ture beam after different reinforcement methods was tested.The test results showed that the specimen AN-4 rein-forced by two-layer carbon fiber cloth combined with stirrup anchoring always maintained a high bearing capacity under different bonding lengths，and compared with other specimens，the length and width of the cracks of the speci-men were smaller，and the crack distribution was more comfortable and did not affect the use，while the specimen AN-0～AN-3 under other reinforcement methods had more cracks and wider，which affected the normal use.The AN-4 specimen retained high axial tensile strength even after high temperature treatment，which was suitable for the use of steel structure beams in extreme environments.

Key words：carbon fiber materials；paste reinforcement；damage to buildings；steel structure beams；stress perfor-mance

碳纖維材料粘貼加固損傷建筑鋼結構梁，這種加固方法不僅能夠有效提升鋼結構的承載力和剛度，還能顯著改善其疲勞性能和耐久性[1]。碳纖維材料與鋼材相比，碳纖維的彈性模量相近，但強度是鋼筋的5倍，這意味著在相同質量下，碳纖維能提供更高的抗拉強度[2]。通過結構膠（如環氧樹脂）將碳纖維片材或布材粘貼在損傷部位的表面，使碳纖維與鋼結構形成一個新的復合體[3]。這個復合體在受力時，碳纖維與鋼結構共同承擔荷載，減緩裂紋的擴展，甚至在某些情況下能夠阻止裂紋的進一步發展[4]。

國內外已有大量研究和實踐證明，碳纖維加固技術在鋼結構修復加固中具有顯著效果。提出使用碳纖維布結合膠粘劑，經過熱壓，提升粘接效果，加強混凝土結構的承載力，且確定膠粘樹脂的流變性不會影響加固后混凝土的抗壓強度[5]。研究使用碳纖維板加固后的銹損鋼梁，分析預應力大小對于加固后鋼梁的承載力影響，試驗確定加載外部荷載會撕裂碳纖維布，最大剪切力出現在加載點之上[6]。使用碳纖維加固混凝土框架，通過地震振動臺測試加固后混凝土框架的動力學性能，驗證加固后框架的抗震性能，試驗確定加速度峰值在0.788 g時仍舊未出現倒塌，證明加固效果較為良好[7]。使用碳纖維增強鋼管，將加固后的材料置于逆斷層之中，測試加固后管線的力學性能變化，確定碳纖維加固能夠提升鋼管的抗壓性能[8]。基于此，研究碳纖維材料粘貼加固損傷建筑鋼結構梁的受力性能，為今后建筑結構性能提升提供參考。

1實驗材料與方法

1.1實驗材料

1.1.1原材料

建筑鋼結構梁：陜西恒碩特鋼金屬材料有限公司，合金含量0.05%，Q235B鋼，無裂紋高強度；碳纖維布：重慶果宛新材料科技有限公司，抗高溫且蠕變性能強；粘接樹脂：無錫市致遠化學品有限公司，灰分小于0.5%，軟化點120℃。

1.1.2設備詳情

SYD-0713軸壓試驗機：滄州筑龍工程儀器有限公司；MTA100液壓疲勞試驗機：山東泉之源液壓技術有限公司；ZOT-80L恒溫試驗機：廣東中天儀器有限公司。

1.2實驗方法

1.2.1鋼結構梁損傷設計

選取5根建筑鋼結構梁，該梁的基本結構參數如表1所示。將5根建筑鋼結構梁（鋼號：Q235B）置于潮濕、腐蝕性環境中，使得鋼結構梁表面出現銹蝕損傷，以這些銹蝕損傷的鋼結構梁作為加固試驗對象。

1.2.2建筑鋼結構梁表面處理

先使用角磨機在鋼結構梁上磨平銹蝕損傷位置，將疏松脫落位置清除，再使用砂紙精細打磨銹蝕位置，保證損傷位置達到光滑平整狀態[9-10]。使用丙酮溶液沖洗打磨后位置，清除鋼結構梁表面的油污，丙酮沖刷完成后，使用去離子水再次沖刷破損位置，完成沖刷后，使用脫脂棉擦拭鋼結構梁表面，恢復結構表面干燥性。

1.2.3粘貼碳纖維材料基本情況

使用碳纖維布（CFRP）作為研究的加固損傷建筑鋼結構梁的粘貼碳纖維材料，使用基底樹脂作為碳纖維布和鋼結構梁之間的粘接材料[11]。碳纖維布的基礎性能如表2所示。

1.2.4加固方式設計

為了驗證加固方式對于鋼結構梁的影響，使用不同加固方式加固腐蝕損傷后的建筑鋼結構梁，其中編號為AN-0的試件不用任何加固方式，作為對照組。各試驗組加固方式如表3所示。

1.3性能測試

1.3.1加固粘貼界面承載力分析

在損傷鋼結構梁上使用碳纖維材料粘貼加固時，碳纖維的粘貼長度對于加固后界面承載力乃至整個試件的承載力都會產生直接影響[12-14]，使用式（1）計算粘貼界面的極限承載力（Pu）：

Pu= βl′ bf′ 2Gf Ef tf（1）

式中：Gf表示界面斷裂能；Ef與bf分別表示碳纖維布的彈性模量與粘接寬度；tf表示碳纖維布的厚度。

1.3.2疲勞荷載作用下試件裂紋變化

使用液壓疲勞試驗機向各個試件施加荷載，加載方式為正弦波常幅應力，設定加載頻率為10 Hz，疲勞應力幅值與極限應力幅值分別設定為150 MPa和180 MPa，設定應力比值為0.3，最低應力設定為20 MPa[15]。待達到極限荷載時，停止加載；為了確定碳纖維加固后位置的裂縫變化，測量并觀察裂縫長度變化及分布變化。當循環加載至一定次數后，停止向試件施加疲勞荷載，加載速度設定為3 kN/s[16]。

1.3.3溫度條件對軸拉強度性能影響

鋼結構梁應用在建筑之中，除了自然環境中的高溫條件會影響鋼結構梁的力學性能，如果遇到火災等災害，還會出現變形破壞的情況。因此，需要分析溫度條件變化對于拉力作用影響。為了加速試驗進程，溫度條件選擇100～600℃[17-18]，使用大型恒溫箱處理各個試件，升溫速率設定為4℃，保溫3 h以后，使用液壓試驗機向各個試件施加拉應力，測試各個試件的軸拉強度。

2結果與討論

2.1不同粘貼長度對承載力影響

試驗測試過程中，調整粘接長度，測試不同碳纖維粘貼長度下，試件的極限荷載承載力變化如圖1所示。

由圖1可知，粘貼長度在0～120 mm時，隨著粘貼長度變化，各個試件的承載力呈現出上升變化趨勢，但是繼續增加粘貼長度至120～360 mm，各個試件的承載力幾乎沒有發生變化。說明粘貼長度在較大范圍變化時，并不會對試件的界面承載力產生明顯變化。經過綜合分析后確定，為降低成本，實際應用時選取粘貼長度為120 mm最佳。綜合圖1中的試驗結果可以看出，盡管各個試件的承載力變化較為接近，但是AN-4試件的承載力顯著高于其他試件，其中未經加固的AN-0承載力最低。對比來看，AN-4試件方法加固損傷鋼結構梁在不同粘貼長度下，承載力最佳。

2.2疲勞荷載作用下試件裂紋分布結果

向各個試件施加不同等級的疲勞荷載，加載完成后，拆除粘接加固的碳纖維材料及錨固材料，測量各個試件裂縫寬度與長度變化，試驗結果如圖2所示。

由圖2可知，各個試件所承受的荷載越大，試件上加固位置的裂縫長度和寬度都發生增加，說明盡管有碳纖維布和其他材料的加固，但是在較大荷載作用下，導致鋼結構梁發生破壞。對比來看，不加固的鋼結構梁裂縫既寬且長，使用兩層碳纖維布同時搭配箍筋錨固，雖然在較大荷載破壞下也會出現裂縫；但相對來看，裂縫的寬度與長度更小，受力性能也更加可觀。

各個試件在卸載以后出現的裂縫分布情況如圖3所示。

圖3中裂縫的實際觀測效果與圖2中的測量結果基本一致，AN-0未加固和AN-1一層碳纖維加固的試件受到荷載影響出現較大、較密裂縫，受力性能較差，對比各個試件，AN-4試件的裂縫最少，受力性能相對更好。

2.3溫度條件對軸拉強度影響

各個試件經過高溫處理后，軸拉強度相關數值變化如圖4所示。

由圖4可知，升高處理試件的溫度，會導致試件的軸拉強度相關參數發生明顯下降變化，說明所研究的鋼結構梁受到高溫影響，承受拉力的性能降低。對比各個試件的軸拉強度變化，使用兩層碳纖維結合箍筋錨固加固后的試件AN-4軸拉強度相對較好，更加適合長期使用。

3結語

研究碳纖維材料粘貼加固損傷建筑鋼結構梁的受力性能，選擇碳纖維布作為粘貼加固材料，使用不同粘貼方式在鋼結構梁上纏繞粘貼碳纖維布材料，制備5個不同試件，測試各個試件的受力性能。相比于未加固鋼結構梁，使用2層碳纖維并箍筋錨固加固的試件具有更加良好的承載力，且該試件在循環荷載下出現的裂縫也更少，沒有發生明顯破壞，同時使用該加固方式的試件即使在高溫條件下，依舊保持較為良好的軸拉強度，具有良好的應用價值。

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（責任編輯：蘇幔，平海）