碳纤维板材加固钢板拉伸与弯曲性能研究

宁荣 刘小山

摘要：对采用碳纤维板材加固后的试样进行单轴拉伸与抗弯性能试验，获取有效的试验数据。单轴拉伸试验数据表明，碳纤维板材加强后，试样极限承载能力显著提升。基材钢板屈服之前，碳纤维板与钢板共同承担载荷，钢板屈服后，由于两者应变的差距，碳纤维板迅速发生界面分离或断股现象。弯曲性能测试数据表明，碳纤维板材加固后的4mm钢板与6mm基材钢板的抗弯性能基本一致，而其重量只是基材钢板的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.

关键词：碳纤维板材;极限承载力;弯曲正应力

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

中图分类号：U445.72                                    文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2021）20-0052-03

0  引言

传统的焊接加固技术是目前普遍采用的金属结构加固修复方法，但由于现场焊接会带来一系列问题，如焊接缺陷带来的疲劳问题、焊接加强筋带来的重量问题，同时焊缝附近易于发生电偶腐蚀等[1];近年来随着纤维增强复合材料（Fiber Reinforced Polymers，简称FRP）的开发应用与高性能粘接剂的不断改进，人们研究发展了粘接FRP加固损伤结构的技术。碳纤维增强复合材料（Carbon Fiber Reinforced Polymers，简称CFRP ）加固修复混凝土结构技术已经成熟并应用于混凝土梁、板、梁柱节点和桥墩等工程结构的加固中，而对粘接CFRP加固修复金属结构这一技术的研究、试验和应用相对来说比较少[2-4]。本文对粘贴了碳纤维板的基材钢板进行单轴拉伸和抗弯性能试验，研究基材钢板与碳纤维板之间的相互作用、样件的破坏现象、纤维板材提高极限载荷的程度等，为碳纤维板材加固钢构件或大型机械设备提供了理论分析与数据支撑，对于金属构件减重具有一定的实际意义。

1  试验方案设计

1.1 材料性能

碳纤维板材采用高强度条形板，其性能指标见表1。粘接剂采用与碳纤维板配套的混合粘钢胶。

基材钢板材料Q345，其性能指标见表2。

1.2 碳纤维板材粘贴方案

为了验证试验结果的一致性，每种试样分别制作3件，同时为了检验碳纤维板材的加固效果，制作了不同厚度的弯曲性能试样，具体的试样制作方案如表3所示。

1.3 弯曲性能试验应变片布置

应变片具体粘贴位置及加载方案如图1所示，试验时将板材一端固定，另一端施加载荷。本次试验只涉及静态应力测试，采用无线应力测试仪器采集数据，并进行数据处理。

2  试验结果及分析

2.1 单轴拉伸试验结果及分析

单轴拉伸试验的主要结果如表4所示。

由表4试验结果可看出，所有试样断于试样中部，结果符合《低合金高强度结构钢》相关标准规定，试验数据有效。对于未粘贴碳纤维板材的基材Q345，其受力过程明显分为弹性变形、屈服、强化和缩颈4个阶段，呈现典型的金属样件受力曲线，其拉伸载荷-形变曲线如图2所示，断裂位置如图3所示。

对于粘贴了碳纤维板材的试样，在试样破坏之前，其受力过程可分为两个阶段，试样屈服前，应变随载荷呈线性增长，其斜率与Q345基本相同，试样处于弹性工作状态;第二阶段试样屈服后，钢板进入塑性工作状态，载荷-应变曲线斜率变缓，与加载初期相比应变增长速度加大，碳纤维板承担增加的载荷，随着载荷的继续增加，碳纤维板与钢板的应变逐渐分离，两者不再协调变形，碳纤维板材的应变滞后于钢板，同时碳纤维板材出现轻微剥离或断股现象，伴随着明顯的爆裂声，碳纤维板材被拉断或完全剥离。随后钢板继续承担载荷，迅速发生缩颈，被拉断。其载荷-形变曲线如图4所示，断裂位置如图5所示。

同时从表3试验结果可以看出，粘贴了碳纤维板材的试样极限载荷有显著的提高，提高系数达到1.3左右，说明粘贴后形成新的复合材料有更高的极限承载能力，碳纤维板材发挥了作用，与基材钢板较好地协同工作。基材钢板屈服之前，碳纤维板材与基材钢板之间的应变差主要是由于粘接胶层的剪切变形产生的。由于胶层很薄，碳纤维板材与基材钢板之间应变基本可以同步增长。钢板屈服后，钢板应变迅速增大，复合材料的内力重新发生分布，增加的载荷主要由碳纤维板才承担，碳纤维板才的应变迅速增加，界面的粘接应力很快达到临界粘接强度，同时由于加持部位有严重的应力集中，碳纤维板材很快从加持部位发生界面剥离。上述现象表明，只有基材钢板屈服后，碳纤维板材才真正发挥其有效的加强作用，碳纤维板材与金属分离时，碳纤维板材的应变也仅用到其极限应变的一小部分，大约10%左右。如何保证基材钢板发生屈服后，两者不发生界面剥离是非常重要的，才能极大限度地提高这种新的复合材料的承載能力。

2.2 弯曲性能试验结果及分析

弯曲性能试验结果如表5所示。

由表5数据可以看出，应力达到基材钢板屈服应力时，碳纤维板材加强的试样承载能力显著提高。图6所示四种试样应力随载荷的变化曲线。

从应力-载荷变化曲线可以看出，碳纤维板材强化后4mm的试样与6mm基材钢板抗弯承载能力基本一致，而重量只是基材钢板的68%;相比5mm基材钢板的抗弯承载能力提高了约30%，其重量降低了12%。这一结果对于需要提高承载能力，同时需控制自身重量的结构或设备均有积极的意义。

3  结论

①用碳纤维板材加固的金属基材，其极限承载能力显著提高。基材钢板屈服前，二者可以较好地协调工作，共同承担载荷的增加。随着载荷增加，基材钢板发生屈服，碳纤维应变变化落后于基材钢板，导致碳纤维板脱胶分离;

②用碳纤维板材加固的金属板材，其弯曲性能显示提升。碳纤维板材加固后的4mm试样抗弯性能显著优于5mm的基材钢板样品，与6mm基材钢板性能基本一致，但重量只是基材钢板的68%。

参考文献：

[1]彭福明，张晓欣，岳清瑞.FRP加固金属拉伸构件的性能分析[J].工程力学，2007（03）：189-192.

[2]杨勇新，岳清瑞.碳纤维布与混凝土粘接性能的试验研究[J].建筑结构学报，2001（22）：39-42.

[3]徐建新.损伤金属结构的复合材料胶接修补技术研究[D].南京：南京航空航天大学，1996.

[4]张宁.碳纤维增强复合材料加固修复损伤钢结构静力与疲劳应用试验研究[D].北京.冶金工业部建筑研究总院，2003.

[5]马建勋，宋松林，赖志生.粘贴碳纤维布加固钢构件受拉承载力试验研究[J].工业建筑，2003（33）：11-13.