碳纖維布包裹層數與鋼管粘結性能試驗研究

王 永，程建偉

(徐州工業職業技術學院，江蘇 徐州 221400)

1 概述

工程檢測過程中發現，不少鋼網架工程存在桿件接長現象(見圖1)。桿件接長的原因很多，常見的是由于現場安裝出現偏差，導致桿件安裝不上，只能采取接長措施。如桿件確需截斷后焊接，應確保滿足JGJ 7—2010中的條件：

1)桿件截斷不超過1次，接長桿件數不超過桿件總數的10%，并不得集中布置，截斷位置距節點或端頭的最短距離不得小于500 mm。2)鋼管與鋼管的對接焊縫應為一級焊縫。當網架關鍵部位或有數量較多桿件存在截斷后焊接時，對網架結構的承載能力影響比較大，如某網架支座附近有1根桿件被拉斷(見圖2)，原因就是接長處焊接質量不符合規范要求造成的。因此，對于焊縫質量不合格的接長桿件有必要進行補強或加固處理。

查閱相關文獻資料，有一些學者對碳纖維布在鋼結構加固中的應用進行了研究，但是針對鋼管類薄壁構件的碳纖維加固方法研究深度還不夠[1-5]。

本文針對接長桿件的加固，研究用碳纖維布包裹接長桿件焊縫位置以提高焊縫承載能力的方法(見圖3)。通過對有焊接缺陷的實驗試件外包不同層數的碳纖維布，進行單向拉伸試驗，分析試件破壞時的破壞模式、力學性能等，探討碳纖維布與鋼管的粘結性能，以期能為網架工程加固提供一定參考。

2 實驗準備

2.1 材料材性

研究采用天津某公司生產的碳纖維布和浸漬膠，該碳纖維布是以聚丙烯腈基12K小絲束碳纖維為原料生產而成，厚度0.167 mm，浸漬膠以改性環氧樹脂主要原料生產，質量均符合GB 50728—2011工程結構加固材料安全性鑒定技術規范的要求。碳纖維布和浸漬膠的有關材性試驗數據見表1，表2。

表1 碳纖維布材性試驗結果

表2 浸漬膠材性試驗結果

2.2 試驗目的與試件制作

為研究碳纖維布與鋼管的粘結性能，制作3組試件，試件規格及材質見表3。試件加工制作時，鋼管在中間處鋸斷，然后外包碳纖維布，碳纖維布順絲沿鋼管長度方向，為保證粘結效果，在兩端部另加橫向約束，試驗完成后記錄試件的破壞模式、力學性能等數據，分析研究碳纖維布與鋼管的粘結性能。粘貼碳纖維布前，先測量每個試件兩段鋼管的長度，用于計算鋼管的錨固長度，破壞力值除以錨固范圍內鋼管的外表面積，可得到碳纖維布和鋼管的粘結破壞強度。試件制作見圖4～圖7。

表3 試件規格

2.3 儀器及加載制度

本次試驗采用100 t萬能伺服拉力試驗機對試件進行單向拉伸試驗(見圖8)，以一定的加載速率對試件一次性連續加載直至破壞。

3 實驗數據與結果分析

3.1 試驗數據

對試驗數據進行分析和處理，可以得到各試驗試件的粘結強度和破壞模式，具體結果見表4，試驗試件破壞前后對比見圖9～圖11。

表4 試驗數據統計

3.2 破壞過程及模式

試件的破壞有兩種情況：1)約束失效。隨著試驗力值的增加，試樣開始出現“啪啪”聲，且“啪啪”聲越來越劇烈，直至碳纖維布橫向斷裂，無法對鋼管形成有效粘結，鋼管和碳纖維布之間出現滑移，粘結失效(見圖12)。

2)粘結失效。隨著試驗力值的增加，試樣開始出現“啪啪”聲，且“啪啪”聲越來越劇烈，橫向碳纖維布未斷裂，直至鋼管和碳纖維布之間出現滑移，粘結失效，破壞時碳纖維布完好(見圖13)。

試樣加載過程中出現的劇烈“啪啪”聲是由于碳纖維布與鋼管之間發生剝離撕裂所致。鋼管受力不大時，鋼管拉伸變形量很小，碳纖維布與鋼管變形協調同步，膠層所受剪切應力未達到其粘結強度，二者粘結較好[6]。隨著拉力增加，鋼管拉伸變形量開始較快增長，膠層剪切應力隨之增大，碳纖維布與鋼管間發生相對滑移，故開始發出“啪啪”聲，碳纖維布與鋼管迅速分離，“噼啪”聲隨即停止。

根據上述分析，試件的破壞特征可歸納為：1)碳纖維布與鋼管之間一旦開始剝離，在較短時間內即破壞。2)碳纖維布與鋼管之間的粘結失效破壞為脆性破壞。

3.3 碳纖維包裹層數與承載能力關系

根據表4中的粘結強度計算結果，可以定性得出以下結論：1)碳纖維布與鋼管的粘結性能與碳纖維布的包裹層數有一定關系，對于同一規格試件，碳纖維布包裹層數越多，試件的粘結強度越大。2)對于碳纖維包裹層數相同的試件，隨著試件規格的增大，試件的粘結強度基本相同。3)端部橫向碳纖維布對于加強粘結有重要作用，可以起到加強端部錨固的作用。

將碳纖維布包裹層數作x坐標，粘結強度作y坐標，對包裹層數與粘結強度進行定量分析，可以得到圖14。從圖14中可以看出，碳纖維布包裹層數與粘結強度基本呈線性關系，且3種規格試件的數據較理想。當包裹1層碳纖維布時，粘結強度約為2 MPa；當包裹2層碳纖維布時，粘結強度約為3 MPa；當包裹3層碳纖維布時，粘結強度約為4 MPa；當包裹4層碳纖維布時，僅做了1組試驗，粘結強度為4.75 MPa。

4 結論

根據以上分析，可以得出以下結論：

1)試驗過程表明，試件的破壞模式有兩種情況：a.約束失效，即碳纖維布橫向斷裂，無法對鋼管形成有效約束，鋼管和碳纖維布之間出現相對滑移；b.粘結失效，即鋼管和碳纖維布之間出現相對滑移，破壞時碳纖維布完好。

2)試件破壞結果表明，碳纖維布與鋼管之間發生一旦開始滑移，在較短時間內試件即破壞，呈明顯的脆性破壞。

3)試驗數據定性分析結果表明，碳纖維布與鋼管的粘結性能與碳纖維布的包裹層數有一定規律，對于同一規格試件，碳纖維布包裹層數越多，試件的粘結強度越大；對于碳纖維包裹層數相同的試件，試件規格的變化對粘結強度基本無影響。

4)試驗數據定量分析結果表明，碳纖維布包裹層數與粘結強度基本呈線性關系，包裹1層碳纖維布時的粘結強度約為2 MPa，包裹2層碳纖維布時的粘結強度約為3 MPa，包裹3層碳纖維布時的粘結強度約為4 MPa。