CFRP加固轴压方钢管短柱局部稳定性试验研究

刘 俊， 完海鹰

(合肥工业大学 土木与水利工程学院，安徽 合肥 230009)

加固修复钢结构一直以来都是土木工程领域研究的一项重要课题。近年来用它代替传统的加固材料在混凝土结构加固领域得到了大量应用[5]，CFRP加固钢结构技术也受到重视并在进行研究[3]。

本文是CFRP加固轴压方钢管柱局部稳定性的试验研究，分析不同长细比和CFRP粘贴方向对加固后钢管柱稳定极限承载力的影响，并利用ANSYS有限元分析软件对CFRP加固轴压试验进行数值模拟分析。

1 试验设计

1.1 试验材料

本次试验共设计了12根轴压方管柱试件，试件长度L分别为460mm、920mm、1380mm和1840mm。

图1 方管截面设计尺寸示意图

型号屈服强度/MPa弹性模量/GPa泊松比抗拉强度/MPaQ1952881990.3354

方钢管截面设计宽度B为150mm，管壁设计厚度t为2.8mm，试件长细比λ分别为7、14、21和28，试件具体设计截面尺寸如图1所示。试验采用的碳纤维织物是日本东丽UT70-30高性能碳纤维单向布，试验用结构胶为日本进口小西碳纤维浸渍树脂E2500S型碳布胶。材料力学性能参数如表1所列。

1.2 试验设计

分析不同长细比和CFRP粘贴方向对加固后钢管柱稳定极限承载力的影响。各试件的实际测量参数及相应编号如表2所列。

表2 试件尺寸及编号表

1.3 试验现象

列举部分试件破坏现象照片。如图2所示。

图2 试验现象

加载初期，CFRP与钢管变形协调同步，胶层所受剪切力小于胶层剪切强度，二者粘接较好。柱底、柱中和柱顶管壁和CFRP应变片读数平稳增长。荷载增加到临近极限荷载时，开始传出间断的噼里啪啦脆响，判断声响来源方钢管柱纵向粘贴的CFRP与管材外壁间发生剥离和胶层脱落，当荷载达到极限承载力时，试件突然传出连续的CFRP剥离的噼啪脆响，方钢管丧失局部稳定，此时管壁凹曲面和凸曲面的变形量迅速增长，并不断向上下两侧扩展形成连续的凹陷凸起变形状态。加载结束，噼啪脆响随即迅速消失。

通过观察12根试件破坏现象，试件沿纵向出现3个屈曲半波，而环向仅出现1个屈曲半波，相邻两面破坏波形相反，非加载边均产生一定程度的转角。其中8根加固试件破坏后CFRP与钢管均有不同程度的剥离现象。

2 数值分析模型

图3 整体模型单元划分

整体模型单元划分如图3所示。在钢管单元节点与钢管-胶层界面节点、CFRP单元节点与CFRP-胶层界面节点之间，分别建立2对约束方程以确保变形协调，约束方程以节点坐标系为基准[7]。采用映射划分网格单元。建立模型时平移复制节点，使端板、钢管柱、CFRP以及胶层上的节点能够对应，方便接触界面上节点约束方程的建立。

3 结果分析

通过试验研究发现，各试件的破坏模式均为丧失局部稳定性破坏。提取试件A-460L1NA、A-460L1NC、A-920L1NA与A-920L1NC破坏部位应变片数据，如图4所示。各个试件的极限承载力如表3所列。

图4 荷载-CFRP应变关系曲线

表3 试件极限承载力试验结果

3.1 试验结果

当试件长细比为7，纵向加固1层CFRP时，试件极限承载力提高3.8%；环向加固1层CFRP时，极限承载力提高9.0%。当试件长细比为14，纵向加固1层CFRP时，试件极限承载力提高4.7%；环向加固1层CFRP时，极限承载力提高7.9%。当试件长细比为21，纵向加固1层CFRP时，试件极限承载力提高6.4%；环向加固1层CFRP时，极限承载力提高7.3%。当试件长细比为28，纵向加固1层CFRP时，试件极限承载力提高7.8%；环向加固1层CFRP时，极限承载力提高6.5%。

3.2 模拟结果

表4 ANSYS分析极限承载力结果与试验结果对比

ANSYS模拟的各试件极限稳定承载力具体数值如表4所列。对比试验结果和数值模拟结果，两者之间差别不大，两者相互印证了各自的准确性和有效性；在极限承载力方面，通过有限元模拟结果与试验结果相对比相对误差最大为8.9%，本文建立的有限元模型可以较好的模拟试验情况。

4 结论

(1)纵向粘贴CFRP。加固机理如下：加载初CFRP沿轴向全截面受压，分担一小部分压应力，无法充分发挥CFRP的抗拉强度优势。随着荷载继续增加，部分CFRP为了限制方钢管局部向外凸曲变形，开始从压应力状态逐渐向拉应力状态转换。当荷载达到钢管极限承载力时，钢管局部变形量迅速增长，胶层剪切应力超过胶层抗剪强度，导致CFRP与钢管管壁间发生相对错动而剥离破坏。

(2)环向粘贴。CFRP加固机理如下：加载初CFRP沿环向受拉，随着方钢管局部向外凸曲变形的产生，该部位CFRP通过环箍作用限制向外凸曲变形的发展，管壁向内凹曲部位的CFRP将发生应力状态转换，从受拉状态逐渐过渡到受压状态。当荷载达到钢管极限承载力时，钢管变形量迅速增长，部分CFRP被拉断，胶层剪切应力超过胶层抗剪强度，导致CFRP与方钢管管壁间发生相对错动而剥离破坏。

(3)长细比。试验中方钢管柱随长细比增加，纵贴CFRP加固后钢管极限承载力提高幅度逐渐上升，环贴CFRP加固后钢管极限承载力提高幅度逐渐下降。因此本文建议当方钢管柱长细比不大于23时，采用环向粘贴CFRP加固钢管，当长细比大于23时，采用纵向粘贴CFRP加固钢管。

本文研究内容为我国新编国家标准《钢结构加固设计规范》和相关工程设计方法提供理论分析和试验依据。