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這些損傷鋼結(jié)構(gòu)進行加固和修復。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。國內(nèi)外對FRP加固混凝土結(jié)構(gòu)進行了大量的研究和廣泛的應用,但是對FRP加固鋼結(jié)構(gòu)的研究和應用則相對較少[1,2],尤其在國內(nèi),只對FRP片材加固鋼結(jié)構(gòu)的試驗和理論分析進行了探索性的研究。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。本文對粘貼碳纖維布加固鋼板進行了靜力拉伸試驗,測量了碳纖維板的應變分布。

1 試驗概述

1.1 試驗材料

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

1.2 試驗目的

據(jù)文獻對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)有的試驗條件,針對金屬界面和混凝土界面存在很大不同,通過碳纖維與鋼板的粘結(jié)剪切試驗,分析了碳纖維與鋼板粘結(jié)面上的應力分布特點、粘結(jié)剪切破壞過程和破壞特征,進行了33個碳纖維板與鋼板粘貼后的復合構(gòu)件的粘結(jié)剪切試驗。

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)剪切破壞過程以及其破壞特征;2)碳纖維板與鋼板粘結(jié)面應力分布的特點;3)碳纖維板與鋼板有效粘結(jié)長度分析;4)碳纖維板搭接長度對粘結(jié)剪切應力的影響。

2 試驗結(jié)果分析

2.1 試驗結(jié)果分析

試驗在材料萬能試驗機上進行,將準備好的試件安裝在試驗機的夾具內(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,說明這種膠水對于粘結(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)面應力分布的特點

表1是編號為A-5號試件的粘結(jié)面的應力分布特點。應變片的位置指的是應變片的中心距鋼板交界面的距離,從試件交界面處開始,應變片編號從1號開始依次排列。

表1 A-5號(50～180)試件粘結(jié)面上應變分布實測值

2.3 碳纖維板的長度對粘結(jié)性能的影響

確定有效粘結(jié)長度及不同的粘結(jié)長度對界面粘結(jié)強度的影響,分別采用粘結(jié)長度為60 mm,80 mm,100 mm,140 mm和180 mm五種粘結(jié)長度而寬度均為50 mm的碳纖維板與鋼板的粘結(jié)試件。試驗中可以看到,對于CFRP粘結(jié)長度較大的試樣,在臨近極限破壞的階段,荷載變化范圍較大,而CFRP粘結(jié)長度較短的試樣,荷載值相對比較穩(wěn)定,或者荷載值變化不顯著,試驗結(jié)果如表2所示。從表2的結(jié)果可以看出,離開碳纖維板端部一段距離后,碳纖維板與鋼板之間的粘結(jié)應力基本為零,把碳纖維板端部區(qū)域的這一長度稱為碳纖維板的有效粘結(jié)長度。由試驗結(jié)果可知,即隨著荷載的不斷增加(粘結(jié)長度從 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,這個距離就是有效粘結(jié)長度。圖2給出了不同的粘結(jié)長度的碳纖維與鋼板粘結(jié)試驗中粘結(jié)力—粘結(jié)長度曲線。從圖2可以看出,碳纖維試件的有效粘結(jié)長度在100 mm～120 mm。

表2 碳纖維板與鋼板粘結(jié)長度對極限粘結(jié)強度的影響

由圖2可知,當碳纖維板粘結(jié)長度大于100 mm時,破壞荷載值就不會變大。

說明碳纖維板與鋼結(jié)構(gòu)之間的粘結(jié)存在有效粘結(jié)長度問題,粘結(jié)長度沒有達到該長度時,極限粘結(jié)力隨著CFRP粘結(jié)長度的變大而升高,但也不是成線性關(guān)系,當粘結(jié)長度超過該長度時,極限粘結(jié)力不再隨著CFRP粘結(jié)長度的變大而增加,而是呈現(xiàn)水平趨勢。從圖2的試驗結(jié)果可以看出,界面剪應力主要分布在碳纖維端部一定長度的范圍內(nèi),超過該范圍界面剪應力基本為零。

2.4 碳纖維的寬度對有效粘結(jié)長度的影響

本試驗目的是研究CFRP粘結(jié)長度相同的條件下,CFRP的寬度對極限粘結(jié)力的影響。試驗一共設(shè)計了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)力的試驗結(jié)果見圖3。

3 結(jié)語

1)粘結(jié)長度是影響界面粘結(jié)性能的重要因素,隨著粘結(jié)長度的增大,極限荷載增大而粘結(jié)強度減小。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)長度超過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)時的有效粘結(jié)長度約為100 mm～120 mm。2)粘結(jié)劑的選取對于充分發(fā)揮CFRP材料的物理力學性能是至關(guān)重要的,粘結(jié)劑力學性能的不同,也會影響到CFRP材料極限強度的發(fā)揮。3)試驗中加荷速度的快慢和試驗夾具的差異,也會影響到試驗的最終結(jié)果。另外,CFRP材料物理力學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,其力學性能指標也是有區(qū)別的,所以,在對CFRP布加固結(jié)構(gòu)技術(shù)進行試驗研究和實際工程應用時,建立一套固定的試驗方法是十分重要的。

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