碳纖維板材加固鋼板拉伸與彎曲性能研究

寧榮 劉小山

摘要：對采用碳纖維板材加固后的試樣進行單軸拉伸與抗彎性能試驗，獲取有效的試驗數據。單軸拉伸試驗數據表明，碳纖維板材加強后，試樣極限承載能力顯著提升。基材鋼板屈服之前，碳纖維板與鋼板共同承擔載荷，鋼板屈服后，由于兩者應變的差距，碳纖維板迅速發生界面分離或斷股現象。彎曲性能測試數據表明，碳纖維板材加固后的4mm鋼板與6mm基材鋼板的抗彎性能基本一致，而其重量只是基材鋼板的68%。

Abstract： The tensile and bending experiments of steel members strengthened by CFRP sheets have been carried out. The tensile experiment results show that the ultimate bearing capacity of the specimens strengthened by CFRP sheets are obviously improved. The CFRP sheet and steel plate can beer load together until the steel plate yield. Due to the gap between the strain， interface separation or broken strand take place quickly with the steel plate yield. The results of the bending experiment show that the bending properties are almost consistent between the 4mm steel plate strengthened by CFRP and 6mm steel plate. The weight of the 4mm steel plate? strengthened by CFRP sheet is 68% of that of the 6mm steel plate.

關鍵詞：碳纖維板材;極限承載力;彎曲正應力

Key words： CFRP sheet;ultimate bearing capacity;bending normal stress

中圖分類號：U445.72? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）20-0052-03

0? 引言

傳統的焊接加固技術是目前普遍采用的金屬結構加固修復方法，但由于現場焊接會帶來一系列問題，如焊接缺陷帶來的疲勞問題、焊接加強筋帶來的重量問題，同時焊縫附近易于發生電偶腐蝕等[1];近年來隨著纖維增強復合材料（Fiber Reinforced Polymers，簡稱FRP）的開發應用與高性能粘接劑的不斷改進，人們研究發展了粘接FRP加固損傷結構的技術。碳纖維增強復合材料（Carbon Fiber Reinforced Polymers，簡稱CFRP ）加固修復混凝土結構技術已經成熟并應用于混凝土梁、板、梁柱節點和橋墩等工程結構的加固中，而對粘接CFRP加固修復金屬結構這一技術的研究、試驗和應用相對來說比較少[2-4]。本文對粘貼了碳纖維板的基材鋼板進行單軸拉伸和抗彎性能試驗，研究基材鋼板與碳纖維板之間的相互作用、樣件的破壞現象、纖維板材提高極限載荷的程度等，為碳纖維板材加固鋼構件或大型機械設備提供了理論分析與數據支撐，對于金屬構件減重具有一定的實際意義。

1? 試驗方案設計

1.1 材料性能

碳纖維板材采用高強度條形板，其性能指標見表1。粘接劑采用與碳纖維板配套的混合粘鋼膠。

基材鋼板材料Q345，其性能指標見表2。

1.2 碳纖維板材粘貼方案

為了驗證試驗結果的一致性，每種試樣分別制作3件，同時為了檢驗碳纖維板材的加固效果，制作了不同厚度的彎曲性能試樣，具體的試樣制作方案如表3所示。

1.3 彎曲性能試驗應變片布置

應變片具體粘貼位置及加載方案如圖1所示，試驗時將板材一端固定，另一端施加載荷。本次試驗只涉及靜態應力測試，采用無線應力測試儀器采集數據，并進行數據處理。

2? 試驗結果及分析

2.1 單軸拉伸試驗結果及分析

單軸拉伸試驗的主要結果如表4所示。

由表4試驗結果可看出，所有試樣斷于試樣中部，結果符合《低合金高強度結構鋼》相關標準規定，試驗數據有效。對于未粘貼碳纖維板材的基材Q345，其受力過程明顯分為彈性變形、屈服、強化和縮頸4個階段，呈現典型的金屬樣件受力曲線，其拉伸載荷-形變曲線如圖2所示，斷裂位置如圖3所示。

對于粘貼了碳纖維板材的試樣，在試樣破壞之前，其受力過程可分為兩個階段，試樣屈服前，應變隨載荷呈線性增長，其斜率與Q345基本相同，試樣處于彈性工作狀態;第二階段試樣屈服后，鋼板進入塑性工作狀態，載荷-應變曲線斜率變緩，與加載初期相比應變增長速度加大，碳纖維板承擔增加的載荷，隨著載荷的繼續增加，碳纖維板與鋼板的應變逐漸分離，兩者不再協調變形，碳纖維板材的應變滯后于鋼板，同時碳纖維板材出現輕微剝離或斷股現象，伴隨著明顯的爆裂聲，碳纖維板材被拉斷或完全剝離。隨后鋼板繼續承擔載荷，迅速發生縮頸，被拉斷。其載荷-形變曲線如圖4所示，斷裂位置如圖5所示。

同時從表3試驗結果可以看出，粘貼了碳纖維板材的試樣極限載荷有顯著的提高，提高系數達到1.3左右，說明粘貼后形成新的復合材料有更高的極限承載能力，碳纖維板材發揮了作用，與基材鋼板較好地協同工作。基材鋼板屈服之前，碳纖維板材與基材鋼板之間的應變差主要是由于粘接膠層的剪切變形產生的。由于膠層很薄，碳纖維板材與基材鋼板之間應變基本可以同步增長。鋼板屈服后，鋼板應變迅速增大，復合材料的內力重新發生分布，增加的載荷主要由碳纖維板才承擔，碳纖維板才的應變迅速增加，界面的粘接應力很快達到臨界粘接強度，同時由于加持部位有嚴重的應力集中，碳纖維板材很快從加持部位發生界面剝離。上述現象表明，只有基材鋼板屈服后，碳纖維板材才真正發揮其有效的加強作用，碳纖維板材與金屬分離時，碳纖維板材的應變也僅用到其極限應變的一小部分，大約10%左右。如何保證基材鋼板發生屈服后，兩者不發生界面剝離是非常重要的，才能極大限度地提高這種新的復合材料的承載能力。

2.2 彎曲性能試驗結果及分析

彎曲性能試驗結果如表5所示。

由表5數據可以看出，應力達到基材鋼板屈服應力時，碳纖維板材加強的試樣承載能力顯著提高。圖6所示四種試樣應力隨載荷的變化曲線。

從應力-載荷變化曲線可以看出，碳纖維板材強化后4mm的試樣與6mm基材鋼板抗彎承載能力基本一致，而重量只是基材鋼板的68%;相比5mm基材鋼板的抗彎承載能力提高了約30%，其重量降低了12%。這一結果對于需要提高承載能力，同時需控制自身重量的結構或設備均有積極的意義。

3? 結論

①用碳纖維板材加固的金屬基材，其極限承載能力顯著提高。基材鋼板屈服前，二者可以較好地協調工作，共同承擔載荷的增加。隨著載荷增加，基材鋼板發生屈服，碳纖維應變變化落后于基材鋼板，導致碳纖維板脫膠分離;

②用碳纖維板材加固的金屬板材，其彎曲性能顯示提升。碳纖維板材加固后的4mm試樣抗彎性能顯著優于5mm的基材鋼板樣品，與6mm基材鋼板性能基本一致，但重量只是基材鋼板的68%。

參考文獻：

[1]彭福明，張曉欣，岳清瑞.FRP加固金屬拉伸構件的性能分析[J].工程力學，2007（03）：189-192.

[2]楊勇新，岳清瑞.碳纖維布與混凝土粘接性能的試驗研究[J].建筑結構學報，2001（22）：39-42.

[3]徐建新.損傷金屬結構的復合材料膠接修補技術研究[D].南京：南京航空航天大學，1996.

[4]張寧.碳纖維增強復合材料加固修復損傷鋼結構靜力與疲勞應用試驗研究[D].北京.冶金工業部建筑研究總院，2003.

[5]馬建勛，宋松林，賴志生.粘貼碳纖維布加固鋼構件受拉承載力試驗研究[J].工業建筑，2003（33）：11-13.