钢结构建筑粘结界面的受力性能研究

孙晓艳

（上海震旦职业学院，上海 201900）

0 引言

随着各种需求的增加，建筑的功能性越来越多样化。随之而来的是建筑建造模式越来越多，不再仅限于混凝土建筑建造模型。钢结构建筑就是近年来新兴的一种建筑模式，这种模式打破了房地产业、建筑业、冶金业之间的壁垒，实现了建筑的集成化建设。与传统建筑结构相比，这种建筑中由于大量使用了钢板或型钢替代了钢筋混凝土，因此强度更高[1]。另外，当建筑废弃后，建筑中所使用的钢材还可以回收再利用，不仅节省了钢材资源，减少资源浪费，同时也能减少建筑垃圾的产生。钢结构建筑也存在一定的缺陷，即无法有效地均衡受力，使得结构容易损伤[2]。面对这种情况，通常情况下会在建筑高度应力部分粘贴某些特殊材料，以缓冲这一部分受到的破坏力，从而提高钢结构建筑安全性[3]。在上述背景下，研究钢结构建筑粘结界面的受力性能是十分必要的。杨怡等人[4]，在其研究中首先制备了实验试件，然后对其实施了拉伸剪切荷载实验，通过粘贴的应变片采集试件的应变值，以此为基础分析了试件剪应力分布情况，计算试件刚度，确定了抗拉能力。李聪等人[5]，在其研究中，首先制备了两种试件，即抗剪试件和抗拉试件，然后对试件加载荷载并利用位移计与应变片读取加载过程中试件的受力数据，以最后得到的数据为基础，分析了粘结界面的抗剪与抗拉性能。虽然前人研究都取得了一定成果，但是普遍没有将温度、湿度等考虑在内，由于是通过粘结剂将某些特殊材料与钢结构粘结在一起的，粘结剂在一定程度会受到温度、湿度的影响，影响粘结效果，从而影响受力性能。对于这种情况，结合前人研究经验，以实验测试的方式进行钢结构建筑粘结界面的受力性能分析。通过本研究以期分析不同影响因素下的钢结构建筑粘结界面的受力性能。

1 实验材料与设备

1.1 实验材料

钢结构建筑粘结界面的受力性能实验中主要用到三类材料，即钢板、加固材料以及粘结剂[6]。其中，所选择的实验基材钢板型号为Q235，加固材料为日本生产UT70-30 碳纤维布，粘结剂包括界面剂和浸渍胶两种，前者为西卡Sikadur-330CN 环氧树脂胶，后者为卡本公司生产的CFRP 浸渍胶。材料的性能如表1 所示。

1.2 实验设备

钢结构建筑粘结界面的受力性能实验中主要用到的设备如表2 所示。

表2 实验设备表Table 2 The experimental equipment

2 试件制作

基于表1 和表2 给出的相关材料、设备以及试剂，制作受力性能实验所需要的试件，具体制备过程如下：

（1）试件材料处理

针对钢板这一材料，处理分为3 步。1）试件切割：首先设计试件尺寸，即30 cm×15 cm×5 cm，在一块大的钢材上画出该尺寸。利用切割机切割出来，得到若干个尺寸为30 cm×15 cm×5 cm 的钢板。2）脱脂去尘处理：未经处理的钢片表面上附着着一层灰层油渍，其存在会妨碍粘结剂液体在钢板表面的浸润，因此需要去除掉钢板表面的灰层油渍[7]。在这里可以通过丙酮溶液来实现，将钢板放入到装有丙酮溶液的容器中，浸泡5 min。这一处理过程需要注意两点，一是浸泡时间不宜过长，丙酮具有一定的腐蚀性，浸泡时间过长会损害钢板的本体，二是清洗过程中要佩戴塑胶手套和防护服，防止与身体皮肤直接接触。浸泡完后，取出钢板，用清水冲洗干净并放入电热鼓风干燥箱中烘干表面的水分[8]。3）钢板喷砂：喷砂的作用是在钢板表面形成致密层，防止生锈以及生成氧化皮。由于喷砂过程中棕刚玉细砂会向着四面八方喷溅，容易造成伤害，所以工作人员需穿戴好防护服以及防护面罩。将棕刚玉细砂装入喷砂罐中，利用空气压缩机向着钢板表面喷棕刚玉细砂。喷射完成后，等待钢板表面棕刚玉细砂凝固[9]。

针对碳纤维布，处理分为两个步骤：1）碳纤维布裁剪：按照钢板切割的尺寸，划分好裁剪的界线并进行碳纤维布剪裁。2）表面擦洗：利用干净的布将碳纤维布表面擦洗干净，去除表面的灰尘[10]。

（2）试件材料粘结

将上述处理好的两种试件材料粘结在一起，具体过程如下：1）酒精擦洗钢板并将其固定在试件制作平台上。2）CFRP 浸渍胶制备：利用电子天平称取CFRP 浸渍胶A 组和B 组并按照2∶1 比例混合在一起，利用搅拌器混合搅拌1 min[11]。3）涂胶：用刷子将配好的CFRP 浸渍胶均匀涂抹在钢板上。这一过程需要注意的是涂胶厚度要尽可能均匀，胶层中没有气泡。当出现厚度不均匀或有气泡问题时，要用刷子反复多刷几次。4）粘结：将碳纤维布对应粘贴到钢板上并利用油灰刀进行抹压，一方面为了保证碳纤维布与钢板充分贴合，防止二者之间存在中空气泡，另一方面也为了让浸渍胶充分浸透碳纤维布[12]。5）加压：在试件上放置压块，通过施加压力的方式让碳纤维布与钢板充分粘结到一起，同时也让粘结界面更加平整。6）溢胶处理，加压后，会有一些胶液从边缘溢出，需要用铲子小心铲除。7）固化：将试件静置24 h，等待浸渍胶凝固。8）Sikadur-330CN环氧树脂胶制备：与CFRP 浸渍胶制备步骤一样，不进行具体叙述。9）将Sikadur-330CN 环氧树脂胶涂刷到碳纤维布上，胶层厚度约为1 mm，进行粘结界面加固处理。10）等待Sikadur-330CN 环氧树脂胶干燥，完成试件制作[13]。

3 受力性能测试

针对制备好的试件，对其进行受力性能测试。测试分为三项内容，即测点布置、加载方案、受力性能分析指标[14]。

（1）测点布置

将电阻应变片以及位移传感器布设到制作好的试件上，布设方案如图1 所示。

图1 测点布置方案Fig.1 The layout of measuring points

（2）加载方案

利用液压伺服万能试验机对试件施加荷载，可以用于金属、非金属材料的拉伸、压缩、弯曲等力学性能试验，如图2 所示。

图2 液压伺服万能试验机示意图Fig. 2 The schematic diagram of hydraulic servo-universal test machine

将试件安装在试验机上，在50 ℃、20 ℃以及-10 ℃三种工况下，采用位移来控制加载，加载速率为2.0 mm/min，每次加载，停留2 s，应变片以及位移传感器采集数据，同时观察结构的变形[15]。

（3）受力性能分析指标

试件的受力性能的分析指标有很多，在本研究中主要选取7 个来分析钢结构建筑粘结界面的受力性能，分别为开裂荷载、极限荷载、荷载-应变曲线、荷载-位移曲线、抗剪强度、抗压强度以及抗弯强度[16]。其中，抗压强度计算公式如下：

式中，A 为试件破坏荷载；K 为试件承压面积。

抗弯强度计算公式如下：

式中，F 代表抗弯强度；B 代表破坏载荷；L 代表跨距；g 代表试件宽度；h 代表试件厚度。

抗剪强度计算公式如下：

式中，H 代表抗剪强度；F 代表应变；O 代表钢板弹性模量；T 代表碳纤维布的弹性模量；G 代表试件厚度。

4 受力性能结果与分析

4.1 开裂荷载与极限荷载

不同温度场工况下，试件的开裂荷载和极限荷载如图3 所示。

图3 极限荷载Fig. 3 The ultimate Load

从图3 中可以看出，温度会对钢结构建筑粘结界面的荷载承受能力产生影响。温度高、温度低都会导致试件的开裂荷载和极限荷载下降，且后者要比前者下降得更多，因为过低的温度会导致胶层和钢板的冷脆性提升，从而更容易发生开裂和破坏。

4.2 荷载-应变曲线

从图4 中可以看出，无论在何种温度工况下，荷载-应变曲线呈现的特点大致相同。开始的时候，随着荷载增加，应变值与之呈现正相关，但是当过开裂荷载节点时，应变值开始下降，然后继续呈现上述趋势，当到达极限荷载节点时，应变值直线下降。

图4 荷载-应变曲线Fig. 4 The load-strain curve

4.3 荷载-位移曲线

从图5 中可以看出，无论在何种温度工况下，荷载-应变曲线呈现的特点大致相同。在荷载加载初期，由于钢板与碳纤维布都处于线弹性工作阶段，位移随着荷载的增加而增大。当荷载增加到开裂荷载时，试件出现损伤，曲线斜率逐渐平缓。最后到达极限荷载后，界面粘结逐渐失效，荷载骤降并迅速降到0。

图5 荷载-位移曲线Fig. 5 The load-displacement curve

4.4 抗压强度、抗弯强度、抗剪强度

从表3 中可以看出：

表3 试件的抗压强度、抗弯强度、抗剪强度表Table 3 The compressive strength, bending strength and shear strength of test pieces

1）-10 ℃时试件抗压强度最低，20 ℃时试件抗压强度最高，而50 ℃相对于20 ℃有所下降，但是下降程度并不大。

2）随着温度的升高，抗弯强度随之降低。

3）不同的温度工况下，抗剪强度相差不大。

5 结束语

随着钢结构建筑的广泛应用，其粘结界面的受力能力成为关注的重点。钢结构建筑很容易出现某一部位集中受力的情况，这一部位往往需要承受很大的压力，因此为缓解压力，会粘结加固材料。在此背景下，进行粘结界面的受力性能分析。针对制备好的试件，对其施加荷载，以分析其开裂荷载、极限荷载、荷载- 应变曲线、荷载- 位移曲线、抗剪强度、抗压强度以及抗弯强度等7 项受力性能指标，明确了该试件的受力情况和受力特征，为其实际应用提供了重要参考。