碳纖維板材增強(qiáng)鋼體梁力學(xué)性能的靜載試驗(yàn)研究

龍?zhí)K強(qiáng)

（江西省公路工程檢測中心，江西 南昌 330013）

0 引言

借助黏結(jié)膠的黏結(jié)和固化功效，將碳纖維板材（Carbon Fiber Reinforced Plastic,CFRP）黏合到鋼結(jié)構(gòu)表面，可以把CFRP與鋼結(jié)構(gòu)黏結(jié)成一個(gè)整體，從而使鋼結(jié)構(gòu)得到加固。加固后部分外載荷會通過膠層傳遞給碳纖維復(fù)合材料，從而緩解鋼結(jié)構(gòu)受力，延緩橋梁裂隙的發(fā)展速度。本文就鋼體梁的纖維強(qiáng)化技術(shù)功效開展靜載試驗(yàn)研究，以為同類工程應(yīng)用提供參考。

1 試件的設(shè)計(jì)與制作

1.1 試件設(shè)計(jì)

試驗(yàn)梁為H形熱軋鋼體梁，鋼標(biāo)號Q235。梁長2500mm，梁高194mm，翼緣厚度和寬度分別為9mm和150mm，腹板厚度為6mm。支撐座與端部的距離為100mm。在支撐座位置增設(shè)了10mm厚的加力肋，以避免翼緣發(fā)生屈曲狀況，同時(shí)，在距支撐座900mm與650mm位置增設(shè)加勁肋，這個(gè)位置是反拱的受力點(diǎn)，也是下一次破壞加荷的受力點(diǎn)。

CFRP板預(yù)應(yīng)力強(qiáng)化試驗(yàn)梁試件主要設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。表中所列千斤頂壓力系為一個(gè)千斤頂?shù)捻斖屏?。試?yàn)梁采取預(yù)應(yīng)力反拱CFRP加固方式。檢測試驗(yàn)共設(shè)計(jì)參試鋼梁結(jié)構(gòu)4個(gè)，分成2組，A組是非CFRP預(yù)應(yīng)力強(qiáng)化試驗(yàn)梁試樣，用來作為對照組。B組在拉伸區(qū)底部貼一層厚1.2mm、寬100mm、長800mm的CFRP板材。通過千斤頂施加不同幅度的壓力，分析研究CFRP預(yù)應(yīng)力措施對試驗(yàn)梁的強(qiáng)化功效影響。

表1 CFRP板強(qiáng)化試驗(yàn)梁主要參數(shù)

1.2 試件預(yù)處理

（1）梁體表面預(yù)處理。對試驗(yàn)梁結(jié)構(gòu)表面開展磨砂處理，之后再以棉球進(jìn)一步擦拭。這種表面預(yù)處理方法，能夠去除梁體表面原有的氧化物、鐵銹等雜質(zhì)，有利于形成梁體表面的黏結(jié)活性，是獲得和增強(qiáng)梁體初始黏結(jié)強(qiáng)度的結(jié)構(gòu)面條件保證。

（2）CFRP板預(yù)處理。粘貼前只需使用干凈抹布把CFRP板材表面抹凈即可滿足要求。如遇CFRP板材存在油漬等情況，可用棉球蘸丙酮溶液把油漬擦拭至干凈。

1.3 配置應(yīng)變感受片

靜載試驗(yàn)需記載的數(shù)據(jù)包括：載荷數(shù)據(jù)、CFRP板材縱方向應(yīng)變數(shù)據(jù)、跨中部位腹板各高度應(yīng)變數(shù)據(jù)、跨中撓度數(shù)據(jù)等。所采用的應(yīng)變感受片規(guī)格為3mm×2mm，型號BX120-3AA，靈敏度為2.05，電阻值為120Ω，采集儀采用電阻靜態(tài)應(yīng)變儀?？缰性O(shè)置測量點(diǎn)1個(gè)，左右以125mm的間距設(shè)置測量點(diǎn)2個(gè)。因?yàn)槎瞬渴芰ψ兓容^大，在錨固端邊緣每隔25mm設(shè)置測量點(diǎn)1個(gè)。在試驗(yàn)梁跨中部的上下方，各配置1個(gè)撓度測量點(diǎn)。

2 加荷操作過程與要點(diǎn)

2.1 施加預(yù)應(yīng)力

（1）預(yù)應(yīng)力施加準(zhǔn)備。將試驗(yàn)梁放在支撐座上，然后置放分配梁和千斤頂。為避免梁體發(fā)生傾覆，必須確保分配梁和千斤頂所在位置對中。

（2）施加預(yù)應(yīng)力。為了確保各部件間充分觸接，而且受力狀態(tài)良好，應(yīng)先啟動(dòng)千斤頂預(yù)壓，然后再分級加荷，每次加荷量取屈服載荷的20%標(biāo)準(zhǔn)。

（3）CFRP板粘貼。使用酒精溶液擦拭CFRP板材表面和梁體待強(qiáng)化位置，再把黏結(jié)膠的AB膠以2∶1的比例拌和均勻。然后用刮板將黏結(jié)膠均勻抹涂在鋼板的加固面上，盡可能使其厚度相同。把CFRP板材鋪置在待整固位置，使用刮板沿同一方向均勻壓擠CFRP板材，將其中的殘留氣體排出，并將CFRP板材兩側(cè)溢出的膠液刮掉。最后用重物壓在CFRP板材上，以確保黏結(jié)膠與CFRP板材充分結(jié)合，并在有連續(xù)載荷狀態(tài)下保持24h。

（4）預(yù)應(yīng)力施加設(shè)備收撤。分級逐漸降低千斤頂?shù)膲毫Γ⒉鹣录雍裳b置，將檢測試驗(yàn)梁翻轉(zhuǎn)過來。

2.2 加荷破壞

檢測試驗(yàn)采取三分點(diǎn)單調(diào)集中靜力加荷方法，能夠確保結(jié)構(gòu)中間部分有較大的純撓度段。由千斤頂實(shí)施加荷，通過在千斤頂上端放一個(gè)感受器來控制頂升力的大小，梁體試加荷以后，千斤頂油泵需始終保持開啟狀態(tài)，否則頂推力會被卸載而降低。

2.3 加荷控制要點(diǎn)

（1）檢測試驗(yàn)具體操作前，借助工程有限元軟件或通過理論計(jì)算，對梁體強(qiáng)化加固前后的屈服載荷、破壞載荷、極限載荷、特征載荷給予估算。

（2）梁體加荷采取分級加荷方式。為控制和保證載荷加施進(jìn)度，加施過程必須盡量緩慢均勻。每級加荷應(yīng)該至少要保持2～3min以上，當(dāng)加荷到所需的載荷時(shí)，應(yīng)靜止一段時(shí)間，以利于梁體順利發(fā)生形變。當(dāng)加荷值與理論值較為接近時(shí)，宜適當(dāng)控制和降低加荷量。由于具體加荷與理論狀態(tài)間存在一定偏差，適當(dāng)控制和降低加荷量利于防止試驗(yàn)過程中錯(cuò)過特征載荷狀態(tài)。當(dāng)梁體面臨損壞時(shí)，應(yīng)控制和降低加荷進(jìn)度并采取安全防范措施。

（3）卸荷時(shí)也應(yīng)該采取分級卸荷操作，取相反于加荷過程的載荷量，分級給予卸荷。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 試驗(yàn)檢測結(jié)果

試驗(yàn)梁A1系未施加CFRP板材預(yù)應(yīng)力強(qiáng)化的試驗(yàn)梁，僅對其實(shí)施抗彎毀壞。在到達(dá)屈服載荷以前，載荷應(yīng)變和載荷撓度曲線均呈直線關(guān)聯(lián)變化。當(dāng)載荷增加至168.04kN，撓度值增長速度加快，說明梁體部分結(jié)構(gòu)已經(jīng)開始呈現(xiàn)塑性。當(dāng)載荷增加至175kN，已經(jīng)可以聽到梁體形變所引發(fā)的輕微聲響，經(jīng)過查看，系為黏結(jié)膠有所破壞。但是因?yàn)槎隋^固作用，所以CFRP板材還在繼續(xù)發(fā)揮作用，CFRP板材的應(yīng)變?nèi)匀辉诩哟?。繼續(xù)加荷至187.68kN，梁體撓度值到達(dá)11.5mm，這是梁體正常應(yīng)用的極限狀態(tài)。繼續(xù)加荷至205.14kN，此時(shí)結(jié)構(gòu)發(fā)出“咔嚓”聲響，CFRP板材測量點(diǎn)的應(yīng)變急速降低，說明黏結(jié)膠全部損壞，此時(shí)CFRP板材端部出現(xiàn)剝離，梁結(jié)構(gòu)已經(jīng)遭受破壞。

試驗(yàn)梁B1、B2、B3是CFRP板材預(yù)應(yīng)力強(qiáng)化梁，應(yīng)先對其進(jìn)行反彎，并且在載荷作用下粘貼CFRP板材。黏結(jié)膠固化完成后，固定其端部并卸載千斤頂壓力。

試驗(yàn)梁B1的抗彎過程所發(fā)生的試驗(yàn)現(xiàn)象基本類似于試驗(yàn)梁A1在相同階段的試驗(yàn)現(xiàn)象。當(dāng)載荷增加至172.82kN，撓度值的增長速度加快。當(dāng)載荷增加至180kN，黏結(jié)膠有部分被損壞。當(dāng)載荷增加至190.3kN，試驗(yàn)梁的撓度值達(dá)11.5mm，達(dá)到試驗(yàn)梁的正常應(yīng)用極限狀態(tài)。當(dāng)載荷繼續(xù)增加并達(dá)到208.47kN，試驗(yàn)梁被損壞。梁體最后毀壞模式為CFRP板材強(qiáng)化處理的跨中區(qū)域發(fā)生剝離毀壞。

試驗(yàn)梁B2，當(dāng)載荷為174.15kN，撓度值增長速度加快。當(dāng)載荷增加到182kN，黏結(jié)膠有部分被損壞。當(dāng)載荷增加到190.64kN，試驗(yàn)梁的撓度值達(dá)到11.5mm，達(dá)到試驗(yàn)梁的正常應(yīng)用極限狀態(tài)。繼續(xù)加荷到209.14kN，CFRP板材此時(shí)發(fā)生剝落，試驗(yàn)梁已經(jīng)發(fā)生損壞。完成加荷卸載時(shí)，CFRP板材已經(jīng)被撕裂。

試驗(yàn)梁B3，當(dāng)載荷增加至175.54kN，梁體撓度值增長速度加快。當(dāng)加荷到180kN，黏結(jié)膠發(fā)生部分損壞。當(dāng)載荷增加到190.99kN，梁體撓度值是11.5mm，達(dá)到試驗(yàn)梁的正常應(yīng)用極限狀態(tài)。當(dāng)載荷持續(xù)增加到206.85kN，梁體被損壞，最后毀壞模式為CFRP板材強(qiáng)化處理的跨中區(qū)域發(fā)生剝離毀壞。

3.2 載荷影響分析

（1）屈服載荷。試驗(yàn)梁A1的屈服載荷為168.04kN，試驗(yàn)梁B1的屈服載荷為172.82kN，試驗(yàn)梁B2的屈服載荷為174.15kN，試驗(yàn)梁B3的屈服載荷為175.54kN。預(yù)應(yīng)力強(qiáng)化梁B1～B3的屈服載荷比未曾預(yù)應(yīng)力強(qiáng)化的試驗(yàn)梁A1分別增加了2.84%、3.64%和4.46%。

（2）正常工況的極限載荷。《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50017—2003）中，跨中位置撓度值達(dá)到梁體理論跨距的1/200時(shí)，則認(rèn)定梁體達(dá)到其載承力的最大值。試驗(yàn)梁B1～B3和試驗(yàn)梁A1的最大載荷分別為190.3kN、190.64kN、190.99kN和187.68kN。試驗(yàn)梁B1～B2的最大載荷比未經(jīng)預(yù)應(yīng)力加強(qiáng)的試驗(yàn)梁A1分別增加了1.76%、1.58%和1.40%?？梢缘贸鼋Y(jié)論，與未經(jīng)預(yù)應(yīng)力加強(qiáng)的試驗(yàn)梁相比，采取預(yù)應(yīng)力強(qiáng)化措施的試驗(yàn)梁的最大載荷顯著增強(qiáng)。

（3）破壞載荷。試驗(yàn)現(xiàn)象顯示，此次檢測試驗(yàn)中的所有破壞都是CFRP板材剝離破壞。試驗(yàn)梁A1和B1～B3的 破 壞 載 荷 分 別 是205.13kN、208.46kN、209.13kN和206.84kN。試驗(yàn)梁的破壞不但取決于載荷狀態(tài)，還取決于相關(guān)結(jié)構(gòu)端的固定水平和黏結(jié)膠的黏結(jié)功效。由于檢測精度等原因，不能確保這兩個(gè)變量完全一致，所以只可以粗略得知，預(yù)應(yīng)力CFRP板材能夠大幅度提升應(yīng)用該技術(shù)的強(qiáng)化梁的毀損載荷。

3.3 撓度與載荷的關(guān)系分析

反拱與卸荷階段，因?yàn)榧雍奢^小，載荷跨中撓度關(guān)系曲線呈線性變化。在加荷破壞階段，加荷到試驗(yàn)梁屈服載荷之前，撓度曲線呈直線演變狀態(tài)。預(yù)應(yīng)力強(qiáng)化梁體的屈服載荷比未經(jīng)預(yù)應(yīng)力強(qiáng)化的梁體的屈服載荷大，并且屈服載荷會隨預(yù)應(yīng)力的增加而增大。

當(dāng)載荷繼續(xù)增加，在超出屈服載荷但仍未達(dá)到極限載荷的區(qū)域時(shí)，跨中載荷撓度曲線會發(fā)生顯著的曲變段，此時(shí)曲線的斜率逐步加大，幾乎呈現(xiàn)二次曲線發(fā)展?fàn)顟B(tài)。通觀4根試驗(yàn)梁，曲線發(fā)展趨勢基本一致，只是拐點(diǎn)所對應(yīng)的載荷不同。

3.4 應(yīng)變狀態(tài)分析

在彈塑反應(yīng)階段，試驗(yàn)梁CFRP板材的最大應(yīng)變值出現(xiàn)在加荷點(diǎn)處，最小應(yīng)變出現(xiàn)在端部，跨中則相對較小。試驗(yàn)梁在200kN反拱力作用時(shí)發(fā)生塑性影響關(guān)系，這時(shí)CFRP板材的應(yīng)變急劇增加。但端區(qū)應(yīng)變存在一定程度的滑移，而中間部分的應(yīng)變不會增加太多。試驗(yàn)梁B1～B3經(jīng)歷反拱階段后，仍保持了起始應(yīng)變。CFRP板中部的起始微應(yīng)變對應(yīng)為549、713和878?？梢钥闯觯垂傲υ酱?，則CFRP板材得到的起始微應(yīng)變就會越大。

CFRP板材用于整固結(jié)構(gòu)時(shí)，判斷整固功效的主要技術(shù)指標(biāo)就是強(qiáng)度利用率。依據(jù)此次CFRP板材中心應(yīng)變測點(diǎn)剝離時(shí)的應(yīng)變數(shù)據(jù)和達(dá)強(qiáng)度極限時(shí)的CFRP板應(yīng)變比值，計(jì)算得出CFRP板材的功效發(fā)揮利用率，見表2。

表2 CFRP板材的功效利用率

4 理論計(jì)算與分析

假定全部材料均處在理想的彈塑狀態(tài)，因CFRP板材端部的錨固作用，當(dāng)錨固與CFRP板端部距離超出0.1m時(shí)，可以不考慮膠層界面的剪應(yīng)力。因此可以視為CFRP板材與試驗(yàn)梁間不存在滑移，并且CFRP板材頂部的應(yīng)變與試驗(yàn)梁底部的應(yīng)變基本一致。且CFRP板彎矩值較小，可認(rèn)為彎矩值對應(yīng)變的影響作用不大。

對比梁體屈服彎矩的檢測值與計(jì)算值，見表3。

表3 梁體屈服彎矩的檢測值與計(jì)算值

從表3數(shù)據(jù)可知，理論計(jì)算與試驗(yàn)檢測結(jié)果基本一致?？梢钥闯觯珻FRP板材加固鋼體梁屈服載荷較純鋼體梁有顯著提高。把純鋼體梁屈服載荷計(jì)算值和檢測試驗(yàn)梁的檢測試驗(yàn)值進(jìn)行比較，可以得到預(yù)應(yīng)力強(qiáng)化梁A1相較于純鋼體梁的屈服載荷增加了6.63%，并且預(yù)應(yīng)力強(qiáng)化試驗(yàn)梁B1～B3比純鋼體梁提升功效分別為9.66%、10.50%和11.14%。

5 結(jié)論

本文開展了碳纖維板材增強(qiáng)鋼體梁力學(xué)性能的靜載檢測研究，主要結(jié)論如下：

（1）預(yù)應(yīng)力碳纖維復(fù)合材料可以有效增強(qiáng)鋼體梁的極限載荷和屈服載荷。試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，100kN、130kN和160kN的反拱預(yù)應(yīng)力碳纖維強(qiáng)化鋼體梁相較于常規(guī)純鋼體梁，其極限載荷提升了1.40%、1.58%和1.76%，屈服載荷提升了2.84%、3.64%和4.46%。

（2）預(yù)應(yīng)力強(qiáng)化梁A1的屈服載荷比純鋼體梁增加6.63%，預(yù)應(yīng)力強(qiáng)化梁B1、B2和B3的屈服載荷分別比純鋼體梁增加9.66%、10.50%和11.14%。可以得出結(jié)論，CFRP板材增強(qiáng)鋼體梁技術(shù)可以有效提升鋼體梁的屈服載荷。