CFRP在提高鋼結構疲勞極限中的應用

甄國梁 商曉彤

(山東科技大學土木工程與建筑學院，山東 青島 266590)

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CFRP在提高鋼結構疲勞極限中的應用

甄國梁 商曉彤

(山東科技大學土木工程與建筑學院，山東 青島 266590)

對表面粘結碳纖維增強復合材料(CFRP)的鋼結構試件進行了實驗分析，研究了碳纖維復合材料加固方法對鋼構件疲勞極限的影響，并分析了CFRP的粘結長度及加固前后裂縫開展情況，結果表明：CFRP是一種有效的結構加固和修復措施，由于所有的CFRP加固體系，其破壞都始于材料的脫膠，故環氧樹脂膠的性能起著至關重要的作用。

CFRP，鋼結構，疲勞極限，加固效果

在年久失修的鋼結構中，裂縫開展是最不容忽視的問題，然而裂縫的評估、檢查及修復需要花費大量的時間和金錢，Q235鋼材的疲勞極限在195 MPa～290 MPa之間，應力一旦超過疲勞極限將會導致結構裂縫開展直至破壞。

碳纖維增強復合材料可有效提高鋼結構的疲勞極限，類似CFRP之類的高性能建筑材料在橋梁結構的加固和修復中早已顯示出其特有的優越性。碳纖維材料強度高、密度小、具有較好的抗疲勞性能，早在十幾年前就被應用于鋁制結構中并顯示出良好的性能。2000年，Bassetti設計了小型的疲勞實驗，研究用施加預應力的碳纖維復合材料修復鉚固橋梁構件的疲勞裂縫，實驗在構件標定的面積區域內進行32 MPa～80 MPa的應力循環，其中3個未施加預應力的CFRP構件，疲勞極限大約提高至原來的3倍，對于CFRP施加690 MPa預應力的構件，其疲勞極限提高了近6倍。實驗最后使用硬度更大的碳纖維板材，并事先施加590 MPa的預應力，構件疲勞極限提高至原來的20倍。實驗表明，平均應力越小，疲勞極限提高越明顯。然而這些只是保守數據，并沒有考慮變量的大范圍改變。

研究表明，CFRP的使用不僅阻止裂縫的開展而且可以延長結構的疲勞壽命，可預防結構關鍵部位裂縫的形成，或者結合目前的加固技術對已形成裂縫進行修補。基于對CFRP的粘結長度、鋼構件表面的處理等各種變量的研究表明，裂縫一旦形成，CFRP就開始發揮作用，在裂縫萌生區域出現脫膠現象。

1 實驗裝置及試件

實驗試件為6.5 mm×510 mm×510 mm的Q235鋼板，材料屈服強度340 MPa，極限抗拉強度483 MPa，構件實際屈服強度和極限抗拉強度分別為345 MPa，490 MPa，試件分兩種型號，一種是帶有裂縫的中心圓孔試件，一種是帶有邊緣切口的試件。加載裝置使用液壓加載試驗機。

中心孔試件的裂縫集中在孔周圍，孔周區域統一打磨成6.3 mm的厚度。帶有切口的試件裂縫主要集中在與切口呈60°角的范圍，試件邊緣打磨至光滑。

帶有中心孔洞的試件，其裂縫測量長度是從試件中心線至試件邊緣，試件裂縫初始長度為5.715 mm，發生脆性破壞時最長裂縫為25.5 mm。試驗過程中試件孔洞兩側裂縫的最大長度都需要記錄。帶有邊緣切口的試件，其裂縫測量長度是從邊緣到試件中心，記錄時將試件兩面的裂縫長度相加并記錄總長度，裂縫總長度最大值為51.0 mm(初始長度11.4 mm)。實驗中，中心孔試件的裂縫是關于中心孔對稱開展的，而邊緣缺口試件長度變化范圍較大。

試件在100 kN伺服液壓試驗機上進行單軸拉伸實驗，輸入振幅恒定、頻率25 Hz的正弦波，施加荷載最大值37.8 kN，最小值0.4 kN(平均荷載為19.1 kN)。所有試件有效截面的平均應力為117 Pa，對于中心孔試件，在施加荷載323 Pa時應力集中系數約為2.76，邊緣缺口試件，施壓305 Pa情況下應力集中系數約2.6。

中心孔和邊緣缺口試件均使用寬度為255 mm的CFRP，不同的是，一部分中心孔試件的CFRP平均分成寬度相等的兩部分，粘貼在裂縫兩側，關于裂縫對稱，而所有邊緣切口試件的CFRP保持完整即可。

本實驗中用于加固使用的CFRP有S，M兩種型號。S型CFRP的厚度、抗拉強度、彈性模量、伸長率分別是1.0 mm，0.72 kN，65 000 MPa，0.98%；M型CFRP的厚度、抗拉強度、彈性模量、伸長率分別是1.0 mm，0.63 kN，38 000 MPa，1.67%。

將試件分為帶有中心孔洞的Z組和邊緣缺口的Q組，Z組4個構件，Q組5個構件。

Z1和Q1分別是沒有做任何表面清理的中心孔試件和邊緣缺口試件，這些試件在不粘貼CFRP的情況下進行試驗，其余試件在涂抹環氧樹脂膠之前，表面都進行鋼絲刷清理、打磨處理或者用丙酮徹底清洗。注意打磨時打磨方向與施加荷載方向垂直。

Z2的兩面均粘貼有兩層255 mm長的S型CFRP，碳纖維材料覆蓋中心孔洞及裂縫萌生處，試件Z3與Z2類似，所不同的是，Z3的CFRP中間留有13 mm的空隙，將兩部分CFRP粘貼在裂縫萌生處的兩側。Z4除將CFRP種類換成M型之外，其他與Z2完全相同。

同樣對于Q組試件，Q2兩面各粘貼兩層255 mm長的S型CFRP，Q3在使用鋼絲刷清理構件表面之前用砂輪打磨機進行了打磨，其余與Q2相同，這是為了研究構件表面處理措施對加固效果的影響。構件Q4與Q2類似，但是其CFRP的粘結長度比Q2增加50%，這是為了研究CFRP的粘結長度對加固效果的影響。試件Q5是將CFRP種類換成M型，其他與Q2相同。實驗過程中定期測量焊縫長度。

2 試驗結果

將試驗進行至試件破壞，由實驗結果可知：所有試件的破壞都始于CFRP的脫膠，這將導致構件應力突變而發生破壞，但CFRP并不會發生斷裂。疲勞裂紋的產生和發展均發生在CFRP剝落后，CFRP底部的裂縫開展后脫膠現象隨之產生。實驗停止后，裂縫清晰可見，在中心孔試件中裂縫是沿中心口兩側對稱開展的，邊緣缺口試件各邊的裂縫開展模式在前期大體相似，一旦裂縫開展至3 mm，貫穿整個試件的裂縫就成為最關鍵的，并且隨后所有的裂縫都會集中在貫穿裂縫的附近開展。CFRP的脫膠現象開始于中心部位而后逐漸延伸至邊緣，因此環氧樹脂膠的性能對CFRP加固效果非常關鍵。

實驗數據顯示，對于沒有經過任何處理或者加固措施的試件，進行30 000次～50 000次應力循環時就開始出現裂縫開展，對于使用S型CFRP加固的試件，在應力循環進行到100 000次左右時裂縫開展。構件粘貼CFRP后，不僅疲勞壽命得到延長，也較好地阻止了裂縫的開展。

對4個中心孔試件進行試驗，其中Z1不作任何處理，Z2，Z3表面粘貼S型CFRP，Z4表面粘貼M型CFRP，實驗結果顯示，試件Z1在350 799次循環時達到疲勞極限。對于Z2，中心孔部位及裂縫萌生處均被CFRP覆蓋，其疲勞極限比Z1提高了約50%，試件Z3，CFRP粘貼在裂縫萌生處的兩側，疲勞極限比Z1提高約23%。

對5個邊緣缺口的試件進行試驗，其中Q1不作任何處理，Q2，Q3，Q4表面粘貼S型CFRP，Q5表面粘貼M型CFRP，實驗結果顯示，Q1在175 951次循環時達到疲勞極限，Q2，Q3，Q4，Q5的疲勞極限與Q1相比都有不同比例的增長，尤其是對于CFRP粘貼長度增加了50%的構件Q4，疲勞極限比Q1增長了110%，由此可見，增加CFRP的長度加固效果更加明顯。試件Q3先后用打磨機和鋼絲刷進行處理，使CFRP與構件表面更好地貼合，破壞時疲勞極限提高了75%。

兩組試件中，Z4和Q5均改用M型碳纖維復合材料進行試驗，Z4，Q5疲勞極限分別提高了16%和25%，疲勞極限有所提高但并不明顯。數據只針對本次試驗，如若在其他的加固體系中有較好的加固效果也未可知。

對試件的橫截面分析可知，CFRP層的覆蓋大大增加了構件破壞前裂縫開展的橫截面積，延遲了試件的開裂破壞。例如，在試件Q4中，試件破壞時只保留有原始橫截面積的7%，而無CFRP加固的Q1，破壞時保留有原始橫截面積的48%。

3 結語

CFRP的應用可以大大提高鋼結構試件的疲勞極限，CFRP覆蓋長度大的構件，疲勞極限明顯提高。然而在諸多構件的關鍵部位，如連接節點處，CFRP的粘結長度是非常受限的。

使用CFRP修補裂縫的試件，使用壽命有了大幅增長，這表明碳纖維復合材料不僅阻止裂縫的開展并可對已產生裂縫的構件起到加固作用，在裂縫的萌生處粘貼CFRP效果會更好。

構件的表面處理對CFRP最大化發揮其作用是至關重要的，油漆、油脂等污染物在CFRP粘貼前要清理干凈，與工作強度較大的砂輪打磨相比，鋼絲刷清理更可取。

實驗結果顯示，并不是所有種類的碳纖維復合材料有相同的加固效果，CFRP所能承受的荷載取決于環氧樹脂層傳遞的剪力大小，CFRP剛度越高，需要環氧樹脂膠層傳遞的剪力越多，這就易導致膠層與構件之間的過早脫離，進而使CFRP與構件脫膠剝離。M型CFRP的抗拉強度和彈性模量略小于S型CFRP，不需要膠層傳遞太多的剪力，使其更好地發揮粘合作用從而提高疲勞極限。這說明進行構件加固時，并不適宜選用抗拉強度太大的CFRP。

環氧樹脂膠的性能是整個CFRP加固體系的關鍵，所有試件的破壞都起始于CFRP的脫膠，因此恰當選擇膠的類型和配比是必不可少的。

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Application of CFRP in improving steel structure fatigue limit

Zhen Guoliang Shang Xiaotong

(CollegeofCivilEngineering&Building,ShandongUniversityofScience&Technology,Qingdao266590,China)

The paper carries out experimental analysis of steel structure testing components with bonding carbon fiber on the surface for improving composite material(CFRP), studies the impact of carbon fiber composite material reinforcement method upon steel structure fatigue limit, and analyzes CFRP bonding length and cracking conditions before and after the reinforcement. Results show that: CFRP is a kind of effective structure reinforcement and maintenance measure. Since the damage of all CFRP reinforcement system results from the material degumming, the performance of epoxy resin plays an important role.

CFRP, steel structure, fatigue limit, reinforcement effect

1009-6825(2016)20-0097-02

2016-05-05

甄國梁(1992- )，男，在讀碩士； 商曉彤(1990- )，女，在讀碩士

TQ327.3

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