CFRP加固焊接钢结构的疲劳性能试验研究

刘阳?薛阳?谭俊

摘 要 焊接接头疲劳断裂失效是引起大部分焊接钢结构失效的主要原因，但是这是不可避免的现象，这主要是焊缝自身的缺陷引起的。如何预防焊接接头疲劳引起的焊接结构损坏，加固焊缝自身的老国兴，成为当前加固焊接钢结构研究的重要方向。但是目前我國对于碳纤维增强复合材料（CFRP）研究较少，本文通过对焊接钢结构的研究，对我国焊接钢结构用CFRP加固后的坚固性提供借鉴和经验支持。

关键词 钢结构；试验；焊接；碳纤维复合材料；疲劳寿命

1 我国焊接钢结构失效和CFRP实用的现状

在我国的含钢结构中，疲劳损坏是其失效的主要方式。据资料统计目前我国的焊接钢结构失效70%—90%都是由疲劳断裂引起的，在焊接钢结构的使用中，疲劳破坏严重限制了其使用年限和使用范围。在工业发达的国家，焊接用钢量几乎达到其钢材使用量的60%—70%，但是在我国，其百分比只占40%—50%，随着我国工业不断发展，未来我国的焊接结构实用两将不断增长。为了保证经济效益，提高钢材使用年限和适用范围，必须减小钢材焊接失效率大这一问题。

目前我国 CFRP修复钢结构技术主要是在损伤区域进行表面的胶黏剂的涂抹，然后再将CFRP粘贴到钢结构的表面。这一处理方法的原理主要是扩大受力面积，減小单位面积上的受力，即将原有钢材的拉应力通过胶层传递到钢材表面的CFRP片材上，这种方法大大减小了刚才结构自身的应力水平。CFRP具有高强度的耐腐蚀性，质量轻的特点，能够在不改变原结构尺寸的条件下，对不同结构形状的钢材进行加固，这种修补方法应用面极广。

目前在我国CFRP在混凝土结构中应用比较广泛，但是在钢材加固中应用还比较少，对于其研究就更少了，如何完善CFRP在钢材结构中的应用技术，成为当前CFRP技术研究的重点[1]。

2 实验材料和方法选择

2.1 实验材料的选择和处理

该实验主要采用单面V形焊，这种方法是板材对接焊中最常用，最典型的焊接方式之一，这种焊接方式在我国的实际工程中适用面非常广，但是在是实际供种，也是最经常出现问题，最薄弱的环节之一，以此为实验对象最具有代表性。实验构件的尺寸主要为440. 00mm×76.40 mm ×23.16 mm。在单面焊构件的对接处竖向只留下8mm的高度，然后做600斜坡，钢板之间的距离留有两钢板间距3mm的距离，进行固定后，在钢材构建的一面进行焊接。

实验的材料主要实训用最常见的热轧态Q345钢，这种钢材是其中最常见，最普遍使用的钢材之一。样本主要从钢板上进行切取，然后进行加工，固定，焊接，抛光等加工程序。使用的焊接材料主要是JM-70的焊丝，其直径主要是1.2 mm，保护气体为80%Ar十20%CO2。焊接供需完成后，需要对表面进行精加工，保证期平整性，这主要是为了减小刀痕对实验精确度的影响进行的。这种精加工主要使用金相砂纸对试样表面进行纵向打磨，然后再用抛光膏对表面进行打磨抛光，直到表面光洁度达到▽9（Ra≤0.06——0.32μm），实验之前需要对将钢板母材和带有焊接缝刚材进行加工，直至成为标准的钢材，对其进行静载拉伸试验，确定其力学性能。

2.2 试验方法的选择

本实验的研究方法主要是在高频疲劳机上进行三点弯曲试验，实验主要选用焊缝中最薄弱的部位——V形底部，这个部位是构件中拉应力最大的区域，在实验中将当面焊构件放到V形焊口上，保证构件两端支撑间距为170mm，在中间的焊接区域顶部进行施压应力的荷载实验，咋实验中主要是此阿勇恒福部队称循环的方式，并运用力学的公式确定荷载值，只有这样才能保证实验的正常进行[2]。

3 实验过程

实验前期对于疲劳裂纹出现主要出现在中间的焊缝底部并由下向上不断延伸。在此基础上，根据跨中焊缝截面底部拉应力为焊缝屈服值的60%进行反推实验加载值为P。并根据力学公式，确定平均负荷值，动态幅值，正弦加载和加载幅度。

由于CFRP的性能，CFRP只能承受拉应力，无法承受压应力，而构件的主要受压区域主要是在三点弯曲构件顶面，底面为受拉区域，所以在实验中，CFRP粘贴在构件顶面没有收到加固效果。

4 实验结果

（1）目前由于我国的刚才疲劳裂纹实验主要是在接焊钢板的三点弯曲的循环荷载作用下进行的，所以器试验主要在钢材的底部开展进行的。在实验中发现在进行CFRP底部加固后，疲劳裂纹依然出现，并且在原来的部位，在构件发生变形后，原来粘贴CFRP的胶层依旧发生破坏，CFRP胶层与钢板常常会发生剥离现象，由此可见，钢板和焊接结合部是构件中最薄弱的环节。

（2）CFRP的弹性模量和焊缝，钢板之间的弹性模量性差比较小，对于实验的构件进行长度方向进行CFRP的粘贴，在三点弯曲循环荷载作用下，焊缝和钢板和接触部位的最大拉应力应该控制在9900以下，循环荷载力应该保持在9700以下。

（3）通过对钢材进行CFRP的家过后，可以发现焊接钢构件的疲劳寿命明显提高。这种粘贴CFRP胶层对于原构件的疲劳寿命具有明显的延长作用，通过实验，可以得出原寿命由原来的1.25X10提高到2 46X10，大概提高了97%。由此可见，CFRP可以很好的预算钢材构建的疲劳寿命。

5 结束语

对于CFRP加固焊接钢板的疲劳性试验和研究，主要是以在CFRP降低原有构件应力的条件上进行的，通过实验，较准确地估算了构件在进行CFRP修复后的疲劳寿命，对我国钢材使用寿命进行了大概的估算，目前CFRP在混凝土方面进行了广发的应用，如何在不改变原有钢材结构的基础上，通过应用CFRP实行延长钢材结构的寿命周期是其研究的最终目的。虽然在我国发展取得了一些阶段性的成就，但是必须结合我国的基本国情和钢材结构材料现状，进行更加深入的技术理论研究和相关控制，只有这样才能为我国钢材CFRP修复技术使用后的疲劳寿命提供一个有效的估算技术。

参考文献

[1] 赵恩鹏.CFRP加固焊接钢结构的疲劳性能试验与分析研究[D].合肥：合肥工业大学，2011.

[2] 赵恩鹏，牛忠荣，胡宗军等.CFRP加固焊接钢结构的疲劳性能试验研究[J].工业建筑，2011，（s1）：354-358.