碳纤维布包裹层数与钢管粘结性能试验研究

2022-09-01程建伟

山西建筑 2022年18期

王永，程建伟

(徐州工业职业技术学院，江苏徐州 221400)

1 概述

工程检测过程中发现，不少钢网架工程存在杆件接长现象(见图1)。杆件接长的原因很多，常见的是由于现场安装出现偏差，导致杆件安装不上，只能采取接长措施。如杆件确需截断后焊接，应确保满足JGJ 7—2010中的条件：

1)杆件截断不超过1次，接长杆件数不超过杆件总数的10%，并不得集中布置，截断位置距节点或端头的最短距离不得小于500 mm。2)钢管与钢管的对接焊缝应为一级焊缝。当网架关键部位或有数量较多杆件存在截断后焊接时，对网架结构的承载能力影响比较大，如某网架支座附近有1根杆件被拉断(见图2)，原因就是接长处焊接质量不符合规范要求造成的。因此，对于焊缝质量不合格的接长杆件有必要进行补强或加固处理。

查阅相关文献资料，有一些学者对碳纤维布在钢结构加固中的应用进行了研究，但是针对钢管类薄壁构件的碳纤维加固方法研究深度还不够[1-5]。

本文针对接长杆件的加固，研究用碳纤维布包裹接长杆件焊缝位置以提高焊缝承载能力的方法(见图3)。通过对有焊接缺陷的实验试件外包不同层数的碳纤维布，进行单向拉伸试验，分析试件破坏时的破坏模式、力学性能等，探讨碳纤维布与钢管的粘结性能，以期能为网架工程加固提供一定参考。

2 实验准备

2.1 材料材性

研究采用天津某公司生产的碳纤维布和浸渍胶，该碳纤维布是以聚丙烯腈基12K小丝束碳纤维为原料生产而成，厚度0.167 mm，浸渍胶以改性环氧树脂主要原料生产，质量均符合GB 50728—2011工程结构加固材料安全性鉴定技术规范的要求。碳纤维布和浸渍胶的有关材性试验数据见表1，表2。

表1 碳纤维布材性试验结果

表2 浸渍胶材性试验结果

2.2 试验目的与试件制作

为研究碳纤维布与钢管的粘结性能，制作3组试件，试件规格及材质见表3。试件加工制作时，钢管在中间处锯断，然后外包碳纤维布，碳纤维布顺丝沿钢管长度方向，为保证粘结效果，在两端部另加横向约束，试验完成后记录试件的破坏模式、力学性能等数据，分析研究碳纤维布与钢管的粘结性能。粘贴碳纤维布前，先测量每个试件两段钢管的长度，用于计算钢管的锚固长度，破坏力值除以锚固范围内钢管的外表面积，可得到碳纤维布和钢管的粘结破坏强度。试件制作见图4～图7。

表3 试件规格

2.3 仪器及加载制度

本次试验采用100 t万能伺服拉力试验机对试件进行单向拉伸试验(见图8)，以一定的加载速率对试件一次性连续加载直至破坏。

3 实验数据与结果分析

3.1 试验数据

对试验数据进行分析和处理，可以得到各试验试件的粘结强度和破坏模式，具体结果见表4，试验试件破坏前后对比见图9～图11。

表4 试验数据统计

3.2 破坏过程及模式

试件的破坏有两种情况：1)约束失效。随着试验力值的增加，试样开始出现“啪啪”声，且“啪啪”声越来越剧烈，直至碳纤维布横向断裂，无法对钢管形成有效粘结，钢管和碳纤维布之间出现滑移，粘结失效(见图12)。

2)粘结失效。随着试验力值的增加，试样开始出现“啪啪”声，且“啪啪”声越来越剧烈，横向碳纤维布未断裂，直至钢管和碳纤维布之间出现滑移，粘结失效，破坏时碳纤维布完好(见图13)。

试样加载过程中出现的剧烈“啪啪”声是由于碳纤维布与钢管之间发生剥离撕裂所致。钢管受力不大时，钢管拉伸变形量很小，碳纤维布与钢管变形协调同步，胶层所受剪切应力未达到其粘结强度，二者粘结较好[6]。随着拉力增加，钢管拉伸变形量开始较快增长，胶层剪切应力随之增大，碳纤维布与钢管间发生相对滑移，故开始发出“啪啪”声，碳纤维布与钢管迅速分离，“噼啪”声随即停止。

根据上述分析，试件的破坏特征可归纳为：1)碳纤维布与钢管之间一旦开始剥离，在较短时间内即破坏。2)碳纤维布与钢管之间的粘结失效破坏为脆性破坏。

3.3 碳纤维包裹层数与承载能力关系

根据表4中的粘结强度计算结果，可以定性得出以下结论：1)碳纤维布与钢管的粘结性能与碳纤维布的包裹层数有一定关系，对于同一规格试件，碳纤维布包裹层数越多，试件的粘结强度越大。2)对于碳纤维包裹层数相同的试件，随着试件规格的增大，试件的粘结强度基本相同。3)端部横向碳纤维布对于加强粘结有重要作用，可以起到加强端部锚固的作用。

将碳纤维布包裹层数作x坐标，粘结强度作y坐标，对包裹层数与粘结强度进行定量分析，可以得到图14。从图14中可以看出，碳纤维布包裹层数与粘结强度基本呈线性关系，且3种规格试件的数据较理想。当包裹1层碳纤维布时，粘结强度约为2 MPa；当包裹2层碳纤维布时，粘结强度约为3 MPa；当包裹3层碳纤维布时，粘结强度约为4 MPa；当包裹4层碳纤维布时，仅做了1组试验，粘结强度为4.75 MPa。