碳纤维板加固钢结构的粘结性能研究

桂志光 陶 利

在役的工程结构中存在大量钢结构,由于腐蚀或疲劳需要对这些损伤钢结构进行加固和修复。传统的钢结构加固方法主要是将钢板或型钢采用焊接或栓接的方法连接于原结构的损伤部位。国内外对FRP加固混凝土结构进行了大量的研究和广泛的应用,但是对FRP加固钢结构的研究和应用则相对较少[1,2],尤其在国内,只对FRP片材加固钢结构的试验和理论分析进行了探索性的研究。尽管FRP加固钢结构还未如FRP加固混凝土结构[3-6]一样得到广泛研究和应用,但是就目前的研究表明,FRP加固钢结构可以在一定程度上提高原有结构的刚度和承载能力。本文对粘贴碳纤维布加固钢板进行了静力拉伸试验,测量了碳纤维板的应变分布。

1 试验概述

1.1 试验材料

本次试验选用3 mm厚的Q235钢板,根据GB 2975-82钢材力学及工艺性能试验取样规定裁制钢板[7]。经试验得到钢材的屈服强度为 388.2 MPa,拉伸强度为517.1 MPa,弹性模量为216.2 GPa。碳纤维板采用OVM.CFP50-1.2型高强CFRP板,规格:50 mm×1.2 mm,拉伸强度为2.57×103MPa,拉伸强度模量为1.73×105MPa,拉伸断裂伸长率为1.70%。试件由钢板加工成楔形,两块对拼后,在缝隙两侧单面对称粘贴一整条碳纤维板而成,试件如图1所示。钢板试验部分的宽度为60 mm,试验部分长度为180 mm。试验主要研究碳纤维板与钢板发生粘结剪切破坏的过程、破坏机理。碳纤维片材的宽度共有三种,用来研究碳纤维片材宽度对粘结性能的影响;碳纤维片材与钢板的粘结长度共有五种,用来确定碳纤维板与钢板粘结的有效粘结长度及不同的粘结长度对粘结强度的影响。

1.2 试验目的

据文献对影响碳纤维板和钢板粘结性能的各因素的综述,结合现有的试验条件,针对金属界面和混凝土界面存在很大不同,通过碳纤维与钢板的粘结剪切试验,分析了碳纤维与钢板粘结面上的应力分布特点、粘结剪切破坏过程和破坏特征,进行了33个碳纤维板与钢板粘贴后的复合构件的粘结剪切试验。

拟得到的主要研究结果为:1)碳纤维板与钢板发生粘结剪切破坏过程以及其破坏特征;2)碳纤维板与钢板粘结面应力分布的特点;3)碳纤维板与钢板有效粘结长度分析;4)碳纤维板搭接长度对粘结剪切应力的影响。

2 试验结果分析

2.1 试验结果分析

试验在材料万能试验机上进行,将准备好的试件安装在试验机的夹具内,使试件中心线和钳口里的中心线吻合。

在本次试验中,碳纤维板与钢板的粘结剪切破坏出现了两种形式:1)测试端碳纤维板与钢板的完全剥离破坏;2)碳纤维板与钢板交界处滑移破坏。粘结长度较短的试件,大多出现碳纤维与钢板的剥离破坏。粘结长度较大的试件,大多发生交界处碳纤维板与钢板交界处滑移破坏。试件破环后的钢板断面上只有少量的粘结剂,说明这种胶水对于粘结钢板的作用是有限的,因此建议今后注意粘结剂的研究。

2.2 碳纤维板与钢板粘结面应力分布的特点

表1是编号为A-5号试件的粘结面的应力分布特点。应变片的位置指的是应变片的中心距钢板交界面的距离,从试件交界面处开始,应变片编号从1号开始依次排列。

表1 A-5号(50～180)试件粘结面上应变分布实测值

2.3 碳纤维板的长度对粘结性能的影响

确定有效粘结长度及不同的粘结长度对界面粘结强度的影响,分别采用粘结长度为60 mm,80 mm,100 mm,140 mm和180 mm五种粘结长度而宽度均为50 mm的碳纤维板与钢板的粘结试件。试验中可以看到,对于CFRP粘结长度较大的试样,在临近极限破坏的阶段,荷载变化范围较大,而CFRP粘结长度较短的试样,荷载值相对比较稳定,或者荷载值变化不显著,试验结果如表2所示。从表2的结果可以看出,离开碳纤维板端部一段距离后,碳纤维板与钢板之间的粘结应力基本为零,把碳纤维板端部区域的这一长度称为碳纤维板的有效粘结长度。由试验结果可知,即随着荷载的不断增加(粘结长度从 60 mm～180 mm,极限粘结力从16.333 k N增加到19.97 k N,平均粘结强度却从5.44 MPa减小到2.219 MPa),剪力一直都是在一定区域内变化,这个距离就是有效粘结长度。图2给出了不同的粘结长度的碳纤维与钢板粘结试验中粘结力—粘结长度曲线。从图2可以看出,碳纤维试件的有效粘结长度在100 mm～120 mm。

表2 碳纤维板与钢板粘结长度对极限粘结强度的影响

由图2可知,当碳纤维板粘结长度大于100 mm时,破坏荷载值就不会变大。

说明碳纤维板与钢结构之间的粘结存在有效粘结长度问题,粘结长度没有达到该长度时,极限粘结力随着CFRP粘结长度的变大而升高,但也不是成线性关系,当粘结长度超过该长度时,极限粘结力不再随着CFRP粘结长度的变大而增加,而是呈现水平趋势。从图2的试验结果可以看出,界面剪应力主要分布在碳纤维端部一定长度的范围内,超过该范围界面剪应力基本为零。

2.4 碳纤维的宽度对有效粘结长度的影响

本试验目的是研究CFRP粘结长度相同的条件下,CFRP的宽度对极限粘结力的影响。试验一共设计了0.798,0.894,1.0三种宽度比(碳纤维板宽度与钢板宽度),三组试件的极限粘结力的试验结果见图3。

3 结语

1)粘结长度是影响界面粘结性能的重要因素,随着粘结长度的增大,极限荷载增大而粘结强度减小。胶粘剂是碳纤维加固钢结构的薄弱环节,胶粘剂及其受力性能的试验研究是碳纤维加固钢结构的关键。从图2中可看出粘结长度超过100 mm后,极限粘结力基本不再增加,由此得出碳纤维板加固钢结构时的有效粘结长度约为100 mm～120 mm。2)粘结剂的选取对于充分发挥CFRP材料的物理力学性能是至关重要的,粘结剂力学性能的不同,也会影响到CFRP材料极限强度的发挥。3)试验中加荷速度的快慢和试验夹具的差异,也会影响到试验的最终结果。另外,CFRP材料物理力学性能有一定的离散性,即使是同一厂家的产品,如果批次不同,其力学性能指标也是有区别的,所以,在对CFRP布加固结构技术进行试验研究和实际工程应用时,建立一套固定的试验方法是十分重要的。

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