碳纤维板材增强钢体梁力学性能的静载试验研究

2022-10-14龙苏强

交通世界 2022年26期

龙苏强

（江西省公路工程检测中心，江西南昌 330013）

0 引言

借助黏结胶的黏结和固化功效，将碳纤维板材（Carbon Fiber Reinforced Plastic,CFRP）黏合到钢结构表面，可以把CFRP与钢结构黏结成一个整体，从而使钢结构得到加固。加固后部分外载荷会通过胶层传递给碳纤维复合材料，从而缓解钢结构受力，延缓桥梁裂隙的发展速度。本文就钢体梁的纤维强化技术功效开展静载试验研究，以为同类工程应用提供参考。

1 试件的设计与制作

1.1 试件设计

试验梁为H形热轧钢体梁，钢标号Q235。梁长2500mm，梁高194mm，翼缘厚度和宽度分别为9mm和150mm，腹板厚度为6mm。支撑座与端部的距离为100mm。在支撑座位置增设了10mm厚的加力肋，以避免翼缘发生屈曲状况，同时，在距支撑座900mm与650mm位置增设加劲肋，这个位置是反拱的受力点，也是下一次破坏加荷的受力点。

CFRP板预应力强化试验梁试件主要设计参数见表1。表中所列千斤顶压力系为一个千斤顶的顶推力。试验梁采取预应力反拱CFRP加固方式。检测试验共设计参试钢梁结构4个，分成2组，A组是非CFRP预应力强化试验梁试样，用来作为对照组。B组在拉伸区底部贴一层厚1.2mm、宽100mm、长800mm的CFRP板材。通过千斤顶施加不同幅度的压力，分析研究CFRP预应力措施对试验梁的强化功效影响。

表1 CFRP板强化试验梁主要参数

1.2 试件预处理

（1）梁体表面预处理。对试验梁结构表面开展磨砂处理，之后再以棉球进一步擦拭。这种表面预处理方法，能够去除梁体表面原有的氧化物、铁锈等杂质，有利于形成梁体表面的黏结活性，是获得和增强梁体初始黏结强度的结构面条件保证。

（2）CFRP板预处理。粘贴前只需使用干净抹布把CFRP板材表面抹净即可满足要求。如遇CFRP板材存在油渍等情况，可用棉球蘸丙酮溶液把油渍擦拭至干净。

1.3 配置应变感受片

静载试验需记载的数据包括：载荷数据、CFRP板材纵方向应变数据、跨中部位腹板各高度应变数据、跨中挠度数据等。所采用的应变感受片规格为3mm×2mm，型号BX120-3AA，灵敏度为2.05，电阻值为120Ω，采集仪采用电阻静态应变仪。跨中设置测量点1个，左右以125mm的间距设置测量点2个。因为端部受力变化比较大，在锚固端边缘每隔25mm设置测量点1个。在试验梁跨中部的上下方，各配置1个挠度测量点。

2 加荷操作过程与要点

2.1 施加预应力

（1）预应力施加准备。将试验梁放在支撑座上，然后置放分配梁和千斤顶。为避免梁体发生倾覆，必须确保分配梁和千斤顶所在位置对中。

（2）施加预应力。为了确保各部件间充分触接，而且受力状态良好，应先启动千斤顶预压，然后再分级加荷，每次加荷量取屈服载荷的20%标准。

（3）CFRP板粘贴。使用酒精溶液擦拭CFRP板材表面和梁体待强化位置，再把黏结胶的AB胶以2∶1的比例拌和均匀。然后用刮板将黏结胶均匀抹涂在钢板的加固面上，尽可能使其厚度相同。把CFRP板材铺置在待整固位置，使用刮板沿同一方向均匀压挤CFRP板材，将其中的残留气体排出，并将CFRP板材两侧溢出的胶液刮掉。最后用重物压在CFRP板材上，以确保黏结胶与CFRP板材充分结合，并在有连续载荷状态下保持24h。

（4）预应力施加设备收撤。分级逐渐降低千斤顶的压力，并拆下加荷装置，将检测试验梁翻转过来。

2.2 加荷破坏

检测试验采取三分点单调集中静力加荷方法，能够确保结构中间部分有较大的纯挠度段。由千斤顶实施加荷，通过在千斤顶上端放一个感受器来控制顶升力的大小，梁体试加荷以后，千斤顶油泵需始终保持开启状态，否则顶推力会被卸载而降低。

2.3 加荷控制要点

（1）检测试验具体操作前，借助工程有限元软件或通过理论计算，对梁体强化加固前后的屈服载荷、破坏载荷、极限载荷、特征载荷给予估算。

（2）梁体加荷采取分级加荷方式。为控制和保证载荷加施进度，加施过程必须尽量缓慢均匀。每级加荷应该至少要保持2～3min以上，当加荷到所需的载荷时，应静止一段时间，以利于梁体顺利发生形变。当加荷值与理论值较为接近时，宜适当控制和降低加荷量。由于具体加荷与理论状态间存在一定偏差，适当控制和降低加荷量利于防止试验过程中错过特征载荷状态。当梁体面临损坏时，应控制和降低加荷进度并采取安全防范措施。

（3）卸荷时也应该采取分级卸荷操作，取相反于加荷过程的载荷量，分级给予卸荷。

3 试验结果与分析

3.1 试验检测结果

试验梁A1系未施加CFRP板材预应力强化的试验梁，仅对其实施抗弯毁坏。在到达屈服载荷以前，载荷应变和载荷挠度曲线均呈直线关联变化。当载荷增加至168.04kN，挠度值增长速度加快，说明梁体部分结构已经开始呈现塑性。当载荷增加至175kN，已经可以听到梁体形变所引发的轻微声响，经过查看，系为黏结胶有所破坏。但是因为端锚固作用，所以CFRP板材还在继续发挥作用，CFRP板材的应变仍然在加大。继续加荷至187.68kN，梁体挠度值到达11.5mm，这是梁体正常应用的极限状态。继续加荷至205.14kN，此时结构发出“咔嚓”声响，CFRP板材测量点的应变急速降低，说明黏结胶全部损坏，此时CFRP板材端部出现剥离，梁结构已经遭受破坏。

试验梁B1、B2、B3是CFRP板材预应力强化梁，应先对其进行反弯，并且在载荷作用下粘贴CFRP板材。黏结胶固化完成后，固定其端部并卸载千斤顶压力。

试验梁B1的抗弯过程所发生的试验现象基本类似于试验梁A1在相同阶段的试验现象。当载荷增加至172.82kN，挠度值的增长速度加快。当载荷增加至180kN，黏结胶有部分被损坏。当载荷增加至190.3kN，试验梁的挠度值达11.5mm，达到试验梁的正常应用极限状态。当载荷继续增加并达到208.47kN，试验梁被损坏。梁体最后毁坏模式为CFRP板材强化处理的跨中区域发生剥离毁坏。

试验梁B2，当载荷为174.15kN，挠度值增长速度加快。当载荷增加到182kN，黏结胶有部分被损坏。当载荷增加到190.64kN，试验梁的挠度值达到11.5mm，达到试验梁的正常应用极限状态。继续加荷到209.14kN，CFRP板材此时发生剥落，试验梁已经发生损坏。完成加荷卸载时，CFRP板材已经被撕裂。

试验梁B3，当载荷增加至175.54kN，梁体挠度值增长速度加快。当加荷到180kN，黏结胶发生部分损坏。当载荷增加到190.99kN，梁体挠度值是11.5mm，达到试验梁的正常应用极限状态。当载荷持续增加到206.85kN，梁体被损坏，最后毁坏模式为CFRP板材强化处理的跨中区域发生剥离毁坏。

3.2 载荷影响分析

（1）屈服载荷。试验梁A1的屈服载荷为168.04kN，试验梁B1的屈服载荷为172.82kN，试验梁B2的屈服载荷为174.15kN，试验梁B3的屈服载荷为175.54kN。预应力强化梁B1～B3的屈服载荷比未曾预应力强化的试验梁A1分别增加了2.84%、3.64%和4.46%。

（2）正常工况的极限载荷。《钢结构设计规范》（GB 50017—2003）中，跨中位置挠度值达到梁体理论跨距的1/200时，则认定梁体达到其载承力的最大值。试验梁B1～B3和试验梁A1的最大载荷分别为190.3kN、190.64kN、190.99kN和187.68kN。试验梁B1～B2的最大载荷比未经预应力加强的试验梁A1分别增加了1.76%、1.58%和1.40%。可以得出结论，与未经预应力加强的试验梁相比，采取预应力强化措施的试验梁的最大载荷显著增强。

（3）破坏载荷。试验现象显示，此次检测试验中的所有破坏都是CFRP板材剥离破坏。试验梁A1和B1～B3的破坏载荷分别是205.13kN、208.46kN、209.13kN和206.84kN。试验梁的破坏不但取决于载荷状态，还取决于相关结构端的固定水平和黏结胶的黏结功效。由于检测精度等原因，不能确保这两个变量完全一致，所以只可以粗略得知，预应力CFRP板材能够大幅度提升应用该技术的强化梁的毁损载荷。

3.3 挠度与载荷的关系分析

反拱与卸荷阶段，因为加荷较小，载荷跨中挠度关系曲线呈线性变化。在加荷破坏阶段，加荷到试验梁屈服载荷之前，挠度曲线呈直线演变状态。预应力强化梁体的屈服载荷比未经预应力强化的梁体的屈服载荷大，并且屈服载荷会随预应力的增加而增大。

当载荷继续增加，在超出屈服载荷但仍未达到极限载荷的区域时，跨中载荷挠度曲线会发生显著的曲变段，此时曲线的斜率逐步加大，几乎呈现二次曲线发展状态。通观4根试验梁，曲线发展趋势基本一致，只是拐点所对应的载荷不同。

3.4 应变状态分析

在弹塑反应阶段，试验梁CFRP板材的最大应变值出现在加荷点处，最小应变出现在端部，跨中则相对较小。试验梁在200kN反拱力作用时发生塑性影响关系，这时CFRP板材的应变急剧增加。但端区应变存在一定程度的滑移，而中间部分的应变不会增加太多。试验梁B1～B3经历反拱阶段后，仍保持了起始应变。CFRP板中部的起始微应变对应为549、713和878。可以看出，反拱力越大，则CFRP板材得到的起始微应变就会越大。

CFRP板材用于整固结构时，判断整固功效的主要技术指标就是强度利用率。依据此次CFRP板材中心应变测点剥离时的应变数据和达强度极限时的CFRP板应变比值，计算得出CFRP板材的功效发挥利用率，见表2。

表2 CFRP板材的功效利用率

4 理论计算与分析

假定全部材料均处在理想的弹塑状态，因CFRP板材端部的锚固作用，当锚固与CFRP板端部距离超出0.1m时，可以不考虑胶层界面的剪应力。因此可以视为CFRP板材与试验梁间不存在滑移，并且CFRP板材顶部的应变与试验梁底部的应变基本一致。且CFRP板弯矩值较小，可认为弯矩值对应变的影响作用不大。

对比梁体屈服弯矩的检测值与计算值，见表3。

表3 梁体屈服弯矩的检测值与计算值

从表3数据可知，理论计算与试验检测结果基本一致。可以看出，CFRP板材加固钢体梁屈服载荷较纯钢体梁有显著提高。把纯钢体梁屈服载荷计算值和检测试验梁的检测试验值进行比较，可以得到预应力强化梁A1相较于纯钢体梁的屈服载荷增加了6.63%，并且预应力强化试验梁B1～B3比纯钢体梁提升功效分别为9.66%、10.50%和11.14%。