CFRP加固焊接鋼結構的疲勞性能試驗研究

劉陽?薛陽?譚俊

摘 要 焊接接頭疲勞斷裂失效是引起大部分焊接鋼結構失效的主要原因，但是這是不可避免的現象，這主要是焊縫自身的缺陷引起的。如何預防焊接接頭疲勞引起的焊接結構損壞，加固焊縫自身的老國興，成為當前加固焊接鋼結構研究的重要方向。但是目前我國對于碳纖維增強復合材料（CFRP）研究較少，本文通過對焊接鋼結構的研究，對我國焊接鋼結構用CFRP加固后的堅固性提供借鑒和經驗支持。

關鍵詞 鋼結構；試驗；焊接；碳纖維復合材料；疲勞壽命

1 我國焊接鋼結構失效和CFRP實用的現狀

在我國的含鋼結構中，疲勞損壞是其失效的主要方式。據資料統計目前我國的焊接鋼結構失效70%—90%都是由疲勞斷裂引起的，在焊接鋼結構的使用中，疲勞破壞嚴重限制了其使用年限和使用范圍。在工業發達的國家，焊接用鋼量幾乎達到其鋼材使用量的60%—70%，但是在我國，其百分比只占40%—50%，隨著我國工業不斷發展，未來我國的焊接結構實用兩將不斷增長。為了保證經濟效益，提高鋼材使用年限和適用范圍，必須減小鋼材焊接失效率大這一問題。

目前我國 CFRP修復鋼結構技術主要是在損傷區域進行表面的膠黏劑的涂抹，然后再將CFRP粘貼到鋼結構的表面。這一處理方法的原理主要是擴大受力面積，減小單位面積上的受力，即將原有鋼材的拉應力通過膠層傳遞到鋼材表面的CFRP片材上，這種方法大大減小了剛才結構自身的應力水平。CFRP具有高強度的耐腐蝕性，質量輕的特點，能夠在不改變原結構尺寸的條件下，對不同結構形狀的鋼材進行加固，這種修補方法應用面極廣。

目前在我國CFRP在混凝土結構中應用比較廣泛，但是在鋼材加固中應用還比較少，對于其研究就更少了，如何完善CFRP在鋼材結構中的應用技術，成為當前CFRP技術研究的重點[1]。

2 實驗材料和方法選擇

2.1 實驗材料的選擇和處理

該實驗主要采用單面V形焊，這種方法是板材對接焊中最常用，最典型的焊接方式之一，這種焊接方式在我國的實際工程中適用面非常廣，但是在是實際供種，也是最經常出現問題，最薄弱的環節之一，以此為實驗對象最具有代表性。實驗構件的尺寸主要為440. 00mm×76.40 mm ×23.16 mm。在單面焊構件的對接處豎向只留下8mm的高度，然后做600斜坡，鋼板之間的距離留有兩鋼板間距3mm的距離，進行固定后，在鋼材構建的一面進行焊接。

實驗的材料主要實訓用最常見的熱軋態Q345鋼，這種鋼材是其中最常見，最普遍使用的鋼材之一。樣本主要從鋼板上進行切取，然后進行加工，固定，焊接，拋光等加工程序。使用的焊接材料主要是JM-70的焊絲，其直徑主要是1.2 mm，保護氣體為80%Ar十20%CO2。焊接供需完成后，需要對表面進行精加工，保證期平整性，這主要是為了減小刀痕對實驗精確度的影響進行的。這種精加工主要使用金相砂紙對試樣表面進行縱向打磨，然后再用拋光膏對表面進行打磨拋光，直到表面光潔度達到▽9（Ra≤0.06——0.32μm），實驗之前需要對將鋼板母材和帶有焊接縫剛材進行加工，直至成為標準的鋼材，對其進行靜載拉伸試驗，確定其力學性能。

2.2 試驗方法的選擇

本實驗的研究方法主要是在高頻疲勞機上進行三點彎曲試驗，實驗主要選用焊縫中最薄弱的部位——V形底部，這個部位是構件中拉應力最大的區域，在實驗中將當面焊構件放到V形焊口上，保證構件兩端支撐間距為170mm，在中間的焊接區域頂部進行施壓應力的荷載實驗，咋實驗中主要是此阿勇恒福部隊稱循環的方式，并運用力學的公式確定荷載值，只有這樣才能保證實驗的正常進行[2]。

3 實驗過程

實驗前期對于疲勞裂紋出現主要出現在中間的焊縫底部并由下向上不斷延伸。在此基礎上，根據跨中焊縫截面底部拉應力為焊縫屈服值的60%進行反推實驗加載值為P。并根據力學公式，確定平均負荷值，動態幅值，正弦加載和加載幅度。

由于CFRP的性能，CFRP只能承受拉應力，無法承受壓應力，而構件的主要受壓區域主要是在三點彎曲構件頂面，底面為受拉區域，所以在實驗中，CFRP粘貼在構件頂面沒有收到加固效果。

4 實驗結果

（1）目前由于我國的剛才疲勞裂紋實驗主要是在接焊鋼板的三點彎曲的循環荷載作用下進行的，所以器試驗主要在鋼材的底部開展進行的。在實驗中發現在進行CFRP底部加固后，疲勞裂紋依然出現，并且在原來的部位，在構件發生變形后，原來粘貼CFRP的膠層依舊發生破壞，CFRP膠層與鋼板常常會發生剝離現象，由此可見，鋼板和焊接結合部是構件中最薄弱的環節。

（2）CFRP的彈性模量和焊縫，鋼板之間的彈性模量性差比較小，對于實驗的構件進行長度方向進行CFRP的粘貼，在三點彎曲循環荷載作用下，焊縫和鋼板和接觸部位的最大拉應力應該控制在9900以下，循環荷載力應該保持在9700以下。

（3）通過對鋼材進行CFRP的家過后，可以發現焊接鋼構件的疲勞壽命明顯提高。這種粘貼CFRP膠層對于原構件的疲勞壽命具有明顯的延長作用，通過實驗，可以得出原壽命由原來的1.25X10提高到2 46X10，大概提高了97%。由此可見，CFRP可以很好的預算鋼材構建的疲勞壽命。

5 結束語

對于CFRP加固焊接鋼板的疲勞性試驗和研究，主要是以在CFRP降低原有構件應力的條件上進行的，通過實驗，較準確地估算了構件在進行CFRP修復后的疲勞壽命，對我國鋼材使用壽命進行了大概的估算，目前CFRP在混凝土方面進行了廣發的應用，如何在不改變原有鋼材結構的基礎上，通過應用CFRP實行延長鋼材結構的壽命周期是其研究的最終目的。雖然在我國發展取得了一些階段性的成就，但是必須結合我國的基本國情和鋼材結構材料現狀，進行更加深入的技術理論研究和相關控制，只有這樣才能為我國鋼材CFRP修復技術使用后的疲勞壽命提供一個有效的估算技術。

參考文獻

[1] 趙恩鵬.CFRP加固焊接鋼結構的疲勞性能試驗與分析研究[D].合肥：合肥工業大學，2011.

[2] 趙恩鵬，牛忠榮，胡宗軍等.CFRP加固焊接鋼結構的疲勞性能試驗研究[J].工業建筑，2011，（s1）：354-358.