CFRP加固受压中长圆管柱稳定试验研究

2018-07-20完海鹰刘浩合肥工业大学土木与水利工程学院安徽合肥230009

安徽建筑 2018年3期

完海鹰，刘浩（合肥工业大学土木与水利工程学院，安徽合肥 230009）

随着钢结构的需求增长，钢结构加固方面的研究和应用成为专家学者进行关注的热点。钢结构的加固，从最初的增大截面面积加固法，到现今的粘贴纤维增强复合材料加固法，体现了在钢结构加固方面的巨大进步[1]。国内外在研究CFRP加固钢结构时，其研究对象主要是疲劳加固和受弯构件，通过试验或理论分析研究抗疲劳性能、刚度、复合构件承载力、界面的性能、稳定性、破坏模式等方面[2-4]。

正交试验设计是一种研究和处理多因素试验的经济、高效和科学方法[5]。本文利用正交试验设计，对CFPR加固偏心受压圆管柱的极限承载能力进行试验研究，探讨CFRP层数和偏心距及负载情况对极限承载力的影响程度。

1 试验设计

1.1 试验材料

试验钢管采用Q235钢，采用的碳纤维复合材料为日本东丽公司生产的UT70-30高性能碳纤维单向布，胶结材料为日本进口的型号为E2500S的碳纤维浸渍脱氧树脂胶（主剂与硬化剂混合比为2∶1）。

依据规范《金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法》（GBT228.1-2010）中有关试验的规定选取的，材性试验具体尺寸见图1。材料拉伸力学性能试验在CMT5105电子万能试验机上进行，如图2所示，钢材力学性能见表1。由于试验条件限制，所以本文参考厂家出具的出场材料的检测报告中关于碳纤维布的具体材料力学性能参数。详细的CFRP材料力学性能见表2。表1～2中fy为弹性模量；E为屈服强度；fv为极限强度；μ为泊松比；δ为断裂伸长率。

图1 材性试验尺寸

钢材力学性能表1

CFRP布力学性能表2

1.2 试验设计

本次试验采用10根长度为1500mm的Q235无缝圆钢管，所有圆管规格为102mm×4mm，构件长细比43.3，试件的截面见图1。构件CFRP布粘贴方式均为纵向粘贴两端环贴。为方便进行试验，对试件进行对应因素的编号，比如编号“B-1Z10E30C”表示试件纵向粘贴1层碳布，荷载偏心10mm，加固前30%的负载。试件详细参数见表3。

图2 试件截面示意图

本次试验中试件的两端都焊接了表面开有V型的坡口的端板，试件端板和加载刀铰支座之间主要传递力而几乎不传递弯矩，这比较真实的模拟柱两端铰接的情况。试件设计如图2和图3所示。

1.3 加载制度

本次试验分为负载试件和非负载试件两种情况，对负载试件选择在门式反力架下使用液压千斤顶按照静力加载的方式进行试验加载。非负试件加载装置为合肥工业大学结构实验室的YES-500型压力试验机，采用逐级加载的加载方式。两种情况均使用JM3813型号的多功能静态应变测试系统来采集试验中产生的应变和荷载等数值。

①预加载。试验前首先对已安装好的试件进行预加载，目的是查看试件与加载装置的接触情况和检测位移计及应变片是否正常工作

试件参数表表3

图3 圆管加工设计

图4 刀铰支座端板

图5 带刀口加载板

图6 柱端加载板设计

②正式加载。非负载试件在YES-500型压力试验机上进行加载。采用分级加载的方式进行正式加载，每级荷载增量20kN，持荷的时间为30s；当压力值达到圆管柱理论计算值的60%时，则改为每级荷载增量10kN，持荷的时间为30s；当压力值达到圆管柱理论计算值的80%时，则改为每级荷载增量5kN，持荷的时间为30s。

负载试件加载至指定的荷载值(圆管柱理论极限荷载值的30%和50%)，并对试件进行持荷。持荷的期间进行粘贴CFRP加固试件，当脱氧树脂结构胶完全固化，粘结强度达到要求，为保证试件正常受力采用分级加载的方式进行正式加载，先每一级增加荷载10kN，持荷30s；在达到理论极限荷载值80%之后每一级增加荷载5kN，持荷1min。

图7 加载装置示意图

2 试验现象

10根试件均为整体失稳破坏。试验现象基本类似。以试件B-3Z20E30C为例，加固前施加初始应力65.4KN，此时试件柱外观没有明显变化。二次加载初期，试件尚未出现明显变形，加载到237kN，发出几声清脆的剥离响声。加载到277kN左右可以听到偶尔的噼啪响声，之后荷载上升的速度较慢，每次加载，响声就会再次响起。当荷载增加到284.6kN时，连续的噼啪脱落的响声，这时圆管柱试件的柱中挠度迅速变大，钢管试件最终整体失稳破坏，破坏位置在柱子中部，弯曲内侧及其附近CFRP布剥离破坏，柱子的其他位置未见破坏，具体破坏形态如图7中所示。

图8 B-3Z20E30C整体失稳破坏

3 极限承载力分析

试件的极限承载力结果见表4。对极限承载力变化进行极差数值分析，为方便查看，将极限承载力均减去390kN,结果见表5。

表中的K1、K2和K3代表因素CFRP层数、偏心距和负载百分比在各自对应的水平下的平均提高率，用来反映各个因素的水平对极限承载力变化的影响。用极限承载力变化的极差R来反映各因素间水平条件的变化对极限承载力变化的影响程度的大小，极差值越大说明该因素越重要，越小说明该因素相对次要。根据正交表极差数据的计算方法，计算出试验结果的极差。从表5极差数值大小可以看出影响本文试验的承载力变化的因素的主次顺序是偏心距、CFRP层数、初始应力。