碳纖維板加固鋼結構的粘結性能研究

桂志光 陶 利

在役的工程結構中存在大量鋼結構,由于腐蝕或疲勞需要對這些損傷鋼結構進行加固和修復。傳統的鋼結構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構的損傷部位。國內外對FRP加固混凝土結構進行了大量的研究和廣泛的應用,但是對FRP加固鋼結構的研究和應用則相對較少[1,2],尤其在國內,只對FRP片材加固鋼結構的試驗和理論分析進行了探索性的研究。盡管FRP加固鋼結構還未如FRP加固混凝土結構[3-6]一樣得到廣泛研究和應用,但是就目前的研究表明,FRP加固鋼結構可以在一定程度上提高原有結構的剛度和承載能力。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GB 2975-82鋼材力學及工藝性能試驗取樣規定裁制鋼板[7]。經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生粘結剪切破壞的過程、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性能的影響;碳纖維片材與鋼板的粘結長度共有五種,用來確定碳纖維板與鋼板粘結的有效粘結長度及不同的粘結長度對粘結強度的影響。

1.2 試驗目的

據文獻對影響碳纖維板和鋼板粘結性能的各因素的綜述,結合現有的試驗條件,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剪切試驗,分析了碳纖維與鋼板粘結面上的應力分布特點、粘結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件的粘結剪切試驗。

擬得到的主要研究結果為:1)碳纖維板與鋼板發生粘結剪切破壞過程以及其破壞特征;2)碳纖維板與鋼板粘結面應力分布的特點;3)碳纖維板與鋼板有效粘結長度分析;4)碳纖維板搭接長度對粘結剪切應力的影響。

2 試驗結果分析

2.1 試驗結果分析

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,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剪切破壞出現了兩種形式: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。粘結長度較短的試件,大多出現碳纖維與鋼板的剝離破壞。粘結長度較大的試件,大多發生交界處碳纖維板與鋼板交界處滑移破壞。試件破環后的鋼板斷面上只有少量的粘結劑,說明這種膠水對于粘結鋼板的作用是有限的,因此建議今后注意粘結劑的研究。

2.2 碳纖維板與鋼板粘結面應力分布的特點

表1是編號為A-5號試件的粘結面的應力分布特點。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)試件粘結面上應變分布實測值

2.3 碳纖維板的長度對粘結性能的影響

確定有效粘結長度及不同的粘結長度對界面粘結強度的影響,分別采用粘結長度為60 mm,80 mm,100 mm,140 mm和180 mm五種粘結長度而寬度均為50 mm的碳纖維板與鋼板的粘結試件。試驗中可以看到,對于CFRP粘結長度較大的試樣,在臨近極限破壞的階段,荷載變化范圍較大,而CFRP粘結長度較短的試樣,荷載值相對比較穩定,或者荷載值變化不顯著,試驗結果如表2所示。從表2的結果可以看出,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應力基本為零,把碳纖維板端部區域的這一長度稱為碳纖維板的有效粘結長度。由試驗結果可知,即隨著荷載的不斷增加(粘結長度從 60 mm～180 mm,極限粘結力從16.333 k N增加到19.97 k N,平均粘結強度卻從5.44 MPa減小到2.219 MPa),剪力一直都是在一定區域內變化,這個距離就是有效粘結長度。圖2給出了不同的粘結長度的碳纖維與鋼板粘結試驗中粘結力—粘結長度曲線。從圖2可以看出,碳纖維試件的有效粘結長度在100 mm～120 mm。

表2 碳纖維板與鋼板粘結長度對極限粘結強度的影響

由圖2可知,當碳纖維板粘結長度大于100 mm時,破壞荷載值就不會變大。

說明碳纖維板與鋼結構之間的粘結存在有效粘結長度問題,粘結長度沒有達到該長度時,極限粘結力隨著CFRP粘結長度的變大而升高,但也不是成線性關系,當粘結長度超過該長度時,極限粘結力不再隨著CFRP粘結長度的變大而增加,而是呈現水平趨勢。從圖2的試驗結果可以看出,界面剪應力主要分布在碳纖維端部一定長度的范圍內,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長度的影響

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

3 結語

1)粘結長度是影響界面粘結性能的重要因素,隨著粘結長度的增大,極限荷載增大而粘結強度減小。膠粘劑是碳纖維加固鋼結構的薄弱環節,膠粘劑及其受力性能的試驗研究是碳纖維加固鋼結構的關鍵。從圖2中可看出粘結長度超過100 mm后,極限粘結力基本不再增加,由此得出碳纖維板加固鋼結構時的有效粘結長度約為100 mm～120 mm。2)粘結劑的選取對于充分發揮CFRP材料的物理力學性能是至關重要的,粘結劑力學性能的不同,也會影響到CFRP材料極限強度的發揮。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品,如果批次不同,其力學性能指標也是有區別的,所以,在對CFRP布加固結構技術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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