CFRP在提高钢结构疲劳极限中的应用

甄国梁 商晓彤

(山东科技大学土木工程与建筑学院，山东 青岛 266590)



CFRP在提高钢结构疲劳极限中的应用

甄国梁 商晓彤

(山东科技大学土木工程与建筑学院，山东 青岛 266590)

对表面粘结碳纤维增强复合材料(CFRP)的钢结构试件进行了实验分析，研究了碳纤维复合材料加固方法对钢构件疲劳极限的影响，并分析了CFRP的粘结长度及加固前后裂缝开展情况，结果表明：CFRP是一种有效的结构加固和修复措施，由于所有的CFRP加固体系，其破坏都始于材料的脱胶，故环氧树脂胶的性能起着至关重要的作用。

CFRP，钢结构，疲劳极限，加固效果

在年久失修的钢结构中，裂缝开展是最不容忽视的问题，然而裂缝的评估、检查及修复需要花费大量的时间和金钱，Q235钢材的疲劳极限在195 MPa～290 MPa之间，应力一旦超过疲劳极限将会导致结构裂缝开展直至破坏。

碳纤维增强复合材料可有效提高钢结构的疲劳极限，类似CFRP之类的高性能建筑材料在桥梁结构的加固和修复中早已显示出其特有的优越性。碳纤维材料强度高、密度小、具有较好的抗疲劳性能，早在十几年前就被应用于铝制结构中并显示出良好的性能。2000年，Bassetti设计了小型的疲劳实验，研究用施加预应力的碳纤维复合材料修复铆固桥梁构件的疲劳裂缝，实验在构件标定的面积区域内进行32 MPa～80 MPa的应力循环，其中3个未施加预应力的CFRP构件，疲劳极限大约提高至原来的3倍，对于CFRP施加690 MPa预应力的构件，其疲劳极限提高了近6倍。实验最后使用硬度更大的碳纤维板材，并事先施加590 MPa的预应力，构件疲劳极限提高至原来的20倍。实验表明，平均应力越小，疲劳极限提高越明显。然而这些只是保守数据，并没有考虑变量的大范围改变。

研究表明，CFRP的使用不仅阻止裂缝的开展而且可以延长结构的疲劳寿命，可预防结构关键部位裂缝的形成，或者结合目前的加固技术对已形成裂缝进行修补。基于对CFRP的粘结长度、钢构件表面的处理等各种变量的研究表明，裂缝一旦形成，CFRP就开始发挥作用，在裂缝萌生区域出现脱胶现象。

1 实验装置及试件

实验试件为6.5 mm×510 mm×510 mm的Q235钢板，材料屈服强度340 MPa，极限抗拉强度483 MPa，构件实际屈服强度和极限抗拉强度分别为345 MPa，490 MPa，试件分两种型号，一种是带有裂缝的中心圆孔试件，一种是带有边缘切口的试件。加载装置使用液压加载试验机。

中心孔试件的裂缝集中在孔周围，孔周区域统一打磨成6.3 mm的厚度。带有切口的试件裂缝主要集中在与切口呈60°角的范围，试件边缘打磨至光滑。

带有中心孔洞的试件，其裂缝测量长度是从试件中心线至试件边缘，试件裂缝初始长度为5.715 mm，发生脆性破坏时最长裂缝为25.5 mm。试验过程中试件孔洞两侧裂缝的最大长度都需要记录。带有边缘切口的试件，其裂缝测量长度是从边缘到试件中心，记录时将试件两面的裂缝长度相加并记录总长度，裂缝总长度最大值为51.0 mm(初始长度11.4 mm)。实验中，中心孔试件的裂缝是关于中心孔对称开展的，而边缘缺口试件长度变化范围较大。

试件在100 kN伺服液压试验机上进行单轴拉伸实验，输入振幅恒定、频率25 Hz的正弦波，施加荷载最大值37.8 kN，最小值0.4 kN(平均荷载为19.1 kN)。所有试件有效截面的平均应力为117 Pa，对于中心孔试件，在施加荷载323 Pa时应力集中系数约为2.76，边缘缺口试件，施压305 Pa情况下应力集中系数约2.6。

中心孔和边缘缺口试件均使用宽度为255 mm的CFRP，不同的是，一部分中心孔试件的CFRP平均分成宽度相等的两部分，粘贴在裂缝两侧，关于裂缝对称，而所有边缘切口试件的CFRP保持完整即可。

本实验中用于加固使用的CFRP有S，M两种型号。S型CFRP的厚度、抗拉强度、弹性模量、伸长率分别是1.0 mm，0.72 kN，65 000 MPa，0.98%；M型CFRP的厚度、抗拉强度、弹性模量、伸长率分别是1.0 mm，0.63 kN，38 000 MPa，1.67%。

将试件分为带有中心孔洞的Z组和边缘缺口的Q组，Z组4个构件，Q组5个构件。

Z1和Q1分别是没有做任何表面清理的中心孔试件和边缘缺口试件，这些试件在不粘贴CFRP的情况下进行试验，其余试件在涂抹环氧树脂胶之前，表面都进行钢丝刷清理、打磨处理或者用丙酮彻底清洗。注意打磨时打磨方向与施加荷载方向垂直。

Z2的两面均粘贴有两层255 mm长的S型CFRP，碳纤维材料覆盖中心孔洞及裂缝萌生处，试件Z3与Z2类似，所不同的是，Z3的CFRP中间留有13 mm的空隙，将两部分CFRP粘贴在裂缝萌生处的两侧。Z4除将CFRP种类换成M型之外，其他与Z2完全相同。

同样对于Q组试件，Q2两面各粘贴两层255 mm长的S型CFRP，Q3在使用钢丝刷清理构件表面之前用砂轮打磨机进行了打磨，其余与Q2相同，这是为了研究构件表面处理措施对加固效果的影响。构件Q4与Q2类似，但是其CFRP的粘结长度比Q2增加50%，这是为了研究CFRP的粘结长度对加固效果的影响。试件Q5是将CFRP种类换成M型，其他与Q2相同。实验过程中定期测量焊缝长度。

2 试验结果

将试验进行至试件破坏，由实验结果可知：所有试件的破坏都始于CFRP的脱胶，这将导致构件应力突变而发生破坏，但CFRP并不会发生断裂。疲劳裂纹的产生和发展均发生在CFRP剥落后，CFRP底部的裂缝开展后脱胶现象随之产生。实验停止后，裂缝清晰可见，在中心孔试件中裂缝是沿中心口两侧对称开展的，边缘缺口试件各边的裂缝开展模式在前期大体相似，一旦裂缝开展至3 mm，贯穿整个试件的裂缝就成为最关键的，并且随后所有的裂缝都会集中在贯穿裂缝的附近开展。CFRP的脱胶现象开始于中心部位而后逐渐延伸至边缘，因此环氧树脂胶的性能对CFRP加固效果非常关键。

实验数据显示，对于没有经过任何处理或者加固措施的试件，进行30 000次～50 000次应力循环时就开始出现裂缝开展，对于使用S型CFRP加固的试件，在应力循环进行到100 000次左右时裂缝开展。构件粘贴CFRP后，不仅疲劳寿命得到延长，也较好地阻止了裂缝的开展。

对4个中心孔试件进行试验，其中Z1不作任何处理，Z2，Z3表面粘贴S型CFRP，Z4表面粘贴M型CFRP，实验结果显示，试件Z1在350 799次循环时达到疲劳极限。对于Z2，中心孔部位及裂缝萌生处均被CFRP覆盖，其疲劳极限比Z1提高了约50%，试件Z3，CFRP粘贴在裂缝萌生处的两侧，疲劳极限比Z1提高约23%。

对5个边缘缺口的试件进行试验，其中Q1不作任何处理，Q2，Q3，Q4表面粘贴S型CFRP，Q5表面粘贴M型CFRP，实验结果显示，Q1在175 951次循环时达到疲劳极限，Q2，Q3，Q4，Q5的疲劳极限与Q1相比都有不同比例的增长，尤其是对于CFRP粘贴长度增加了50%的构件Q4，疲劳极限比Q1增长了110%，由此可见，增加CFRP的长度加固效果更加明显。试件Q3先后用打磨机和钢丝刷进行处理，使CFRP与构件表面更好地贴合，破坏时疲劳极限提高了75%。

两组试件中，Z4和Q5均改用M型碳纤维复合材料进行试验，Z4，Q5疲劳极限分别提高了16%和25%，疲劳极限有所提高但并不明显。数据只针对本次试验，如若在其他的加固体系中有较好的加固效果也未可知。

对试件的横截面分析可知，CFRP层的覆盖大大增加了构件破坏前裂缝开展的横截面积，延迟了试件的开裂破坏。例如，在试件Q4中，试件破坏时只保留有原始横截面积的7%，而无CFRP加固的Q1，破坏时保留有原始横截面积的48%。

3 结语

CFRP的应用可以大大提高钢结构试件的疲劳极限，CFRP覆盖长度大的构件，疲劳极限明显提高。然而在诸多构件的关键部位，如连接节点处，CFRP的粘结长度是非常受限的。

使用CFRP修补裂缝的试件，使用寿命有了大幅增长，这表明碳纤维复合材料不仅阻止裂缝的开展并可对已产生裂缝的构件起到加固作用，在裂缝的萌生处粘贴CFRP效果会更好。

构件的表面处理对CFRP最大化发挥其作用是至关重要的，油漆、油脂等污染物在CFRP粘贴前要清理干净，与工作强度较大的砂轮打磨相比，钢丝刷清理更可取。

实验结果显示，并不是所有种类的碳纤维复合材料有相同的加固效果，CFRP所能承受的荷载取决于环氧树脂层传递的剪力大小，CFRP刚度越高，需要环氧树脂胶层传递的剪力越多，这就易导致胶层与构件之间的过早脱离，进而使CFRP与构件脱胶剥离。M型CFRP的抗拉强度和弹性模量略小于S型CFRP，不需要胶层传递太多的剪力，使其更好地发挥粘合作用从而提高疲劳极限。这说明进行构件加固时，并不适宜选用抗拉强度太大的CFRP。

环氧树脂胶的性能是整个CFRP加固体系的关键，所有试件的破坏都起始于CFRP的脱胶，因此恰当选择胶的类型和配比是必不可少的。

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Application of CFRP in improving steel structure fatigue limit

Zhen Guoliang Shang Xiaotong

(CollegeofCivilEngineering&Building,ShandongUniversityofScience&Technology,Qingdao266590,China)

The paper carries out experimental analysis of steel structure testing components with bonding carbon fiber on the surface for improving composite material(CFRP), studies the impact of carbon fiber composite material reinforcement method upon steel structure fatigue limit, and analyzes CFRP bonding length and cracking conditions before and after the reinforcement. Results show that: CFRP is a kind of effective structure reinforcement and maintenance measure. Since the damage of all CFRP reinforcement system results from the material degumming, the performance of epoxy resin plays an important role.

CFRP, steel structure, fatigue limit, reinforcement effect

1009-6825(2016)20-0097-02

2016-05-05

甄国梁(1992- )，男，在读硕士； 商晓彤(1990- )，女，在读硕士

TQ327.3

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