CFRP在提高鋼結(jié)構(gòu)疲勞極限中的應(yīng)用

甄國梁 商曉彤

(山東科技大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，山東 青島 266590)

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CFRP在提高鋼結(jié)構(gòu)疲勞極限中的應(yīng)用

甄國梁 商曉彤

(山東科技大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，山東 青島 266590)

對表面粘結(jié)碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(CFRP)的鋼結(jié)構(gòu)試件進(jìn)行了實驗分析，研究了碳纖維復(fù)合材料加固方法對鋼構(gòu)件疲勞極限的影響，并分析了CFRP的粘結(jié)長度及加固前后裂縫開展情況，結(jié)果表明：CFRP是一種有效的結(jié)構(gòu)加固和修復(fù)措施，由于所有的CFRP加固體系，其破壞都始于材料的脫膠，故環(huán)氧樹脂膠的性能起著至關(guān)重要的作用。

CFRP，鋼結(jié)構(gòu)，疲勞極限，加固效果

在年久失修的鋼結(jié)構(gòu)中，裂縫開展是最不容忽視的問題，然而裂縫的評估、檢查及修復(fù)需要花費(fèi)大量的時間和金錢，Q235鋼材的疲勞極限在195 MPa～290 MPa之間，應(yīng)力一旦超過疲勞極限將會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)裂縫開展直至破壞。

碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料可有效提高鋼結(jié)構(gòu)的疲勞極限，類似CFRP之類的高性能建筑材料在橋梁結(jié)構(gòu)的加固和修復(fù)中早已顯示出其特有的優(yōu)越性。碳纖維材料強(qiáng)度高、密度小、具有較好的抗疲勞性能，早在十幾年前就被應(yīng)用于鋁制結(jié)構(gòu)中并顯示出良好的性能。2000年，Bassetti設(shè)計了小型的疲勞實驗，研究用施加預(yù)應(yīng)力的碳纖維復(fù)合材料修復(fù)鉚固橋梁構(gòu)件的疲勞裂縫，實驗在構(gòu)件標(biāo)定的面積區(qū)域內(nèi)進(jìn)行32 MPa～80 MPa的應(yīng)力循環(huán)，其中3個未施加預(yù)應(yīng)力的CFRP構(gòu)件，疲勞極限大約提高至原來的3倍，對于CFRP施加690 MPa預(yù)應(yīng)力的構(gòu)件，其疲勞極限提高了近6倍。實驗最后使用硬度更大的碳纖維板材，并事先施加590 MPa的預(yù)應(yīng)力，構(gòu)件疲勞極限提高至原來的20倍。實驗表明，平均應(yīng)力越小，疲勞極限提高越明顯。然而這些只是保守數(shù)據(jù)，并沒有考慮變量的大范圍改變。

研究表明，CFRP的使用不僅阻止裂縫的開展而且可以延長結(jié)構(gòu)的疲勞壽命，可預(yù)防結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位裂縫的形成，或者結(jié)合目前的加固技術(shù)對已形成裂縫進(jìn)行修補(bǔ)?；趯FRP的粘結(jié)長度、鋼構(gòu)件表面的處理等各種變量的研究表明，裂縫一旦形成，CFRP就開始發(fā)揮作用，在裂縫萌生區(qū)域出現(xiàn)脫膠現(xiàn)象。

1 實驗裝置及試件

實驗試件為6.5 mm×510 mm×510 mm的Q235鋼板，材料屈服強(qiáng)度340 MPa，極限抗拉強(qiáng)度483 MPa，構(gòu)件實際屈服強(qiáng)度和極限抗拉強(qiáng)度分別為345 MPa，490 MPa，試件分兩種型號，一種是帶有裂縫的中心圓孔試件，一種是帶有邊緣切口的試件。加載裝置使用液壓加載試驗機(jī)。

中心孔試件的裂縫集中在孔周圍，孔周區(qū)域統(tǒng)一打磨成6.3 mm的厚度。帶有切口的試件裂縫主要集中在與切口呈60°角的范圍，試件邊緣打磨至光滑。

帶有中心孔洞的試件，其裂縫測量長度是從試件中心線至試件邊緣，試件裂縫初始長度為5.715 mm，發(fā)生脆性破壞時最長裂縫為25.5 mm。試驗過程中試件孔洞兩側(cè)裂縫的最大長度都需要記錄。帶有邊緣切口的試件，其裂縫測量長度是從邊緣到試件中心，記錄時將試件兩面的裂縫長度相加并記錄總長度，裂縫總長度最大值為51.0 mm(初始長度11.4 mm)。實驗中，中心孔試件的裂縫是關(guān)于中心孔對稱開展的，而邊緣缺口試件長度變化范圍較大。

試件在100 kN伺服液壓試驗機(jī)上進(jìn)行單軸拉伸實驗，輸入振幅恒定、頻率25 Hz的正弦波，施加荷載最大值37.8 kN，最小值0.4 kN(平均荷載為19.1 kN)。所有試件有效截面的平均應(yīng)力為117 Pa，對于中心孔試件，在施加荷載323 Pa時應(yīng)力集中系數(shù)約為2.76，邊緣缺口試件，施壓305 Pa情況下應(yīng)力集中系數(shù)約2.6。

中心孔和邊緣缺口試件均使用寬度為255 mm的CFRP，不同的是，一部分中心孔試件的CFRP平均分成寬度相等的兩部分，粘貼在裂縫兩側(cè)，關(guān)于裂縫對稱，而所有邊緣切口試件的CFRP保持完整即可。

本實驗中用于加固使用的CFRP有S，M兩種型號。S型CFRP的厚度、抗拉強(qiáng)度、彈性模量、伸長率分別是1.0 mm，0.72 kN，65 000 MPa，0.98%；M型CFRP的厚度、抗拉強(qiáng)度、彈性模量、伸長率分別是1.0 mm，0.63 kN，38 000 MPa，1.67%。

將試件分為帶有中心孔洞的Z組和邊緣缺口的Q組，Z組4個構(gòu)件，Q組5個構(gòu)件。

Z1和Q1分別是沒有做任何表面清理的中心孔試件和邊緣缺口試件，這些試件在不粘貼CFRP的情況下進(jìn)行試驗，其余試件在涂抹環(huán)氧樹脂膠之前，表面都進(jìn)行鋼絲刷清理、打磨處理或者用丙酮徹底清洗。注意打磨時打磨方向與施加荷載方向垂直。

Z2的兩面均粘貼有兩層255 mm長的S型CFRP，碳纖維材料覆蓋中心孔洞及裂縫萌生處，試件Z3與Z2類似，所不同的是，Z3的CFRP中間留有13 mm的空隙，將兩部分CFRP粘貼在裂縫萌生處的兩側(cè)。Z4除將CFRP種類換成M型之外，其他與Z2完全相同。

同樣對于Q組試件，Q2兩面各粘貼兩層255 mm長的S型CFRP，Q3在使用鋼絲刷清理構(gòu)件表面之前用砂輪打磨機(jī)進(jìn)行了打磨，其余與Q2相同，這是為了研究構(gòu)件表面處理措施對加固效果的影響。構(gòu)件Q4與Q2類似，但是其CFRP的粘結(jié)長度比Q2增加50%，這是為了研究CFRP的粘結(jié)長度對加固效果的影響。試件Q5是將CFRP種類換成M型，其他與Q2相同。實驗過程中定期測量焊縫長度。

2 試驗結(jié)果

將試驗進(jìn)行至試件破壞，由實驗結(jié)果可知：所有試件的破壞都始于CFRP的脫膠，這將導(dǎo)致構(gòu)件應(yīng)力突變而發(fā)生破壞，但CFRP并不會發(fā)生斷裂。疲勞裂紋的產(chǎn)生和發(fā)展均發(fā)生在CFRP剝落后，CFRP底部的裂縫開展后脫膠現(xiàn)象隨之產(chǎn)生。實驗停止后，裂縫清晰可見，在中心孔試件中裂縫是沿中心口兩側(cè)對稱開展的，邊緣缺口試件各邊的裂縫開展模式在前期大體相似，一旦裂縫開展至3 mm，貫穿整個試件的裂縫就成為最關(guān)鍵的，并且隨后所有的裂縫都會集中在貫穿裂縫的附近開展。CFRP的脫膠現(xiàn)象開始于中心部位而后逐漸延伸至邊緣，因此環(huán)氧樹脂膠的性能對CFRP加固效果非常關(guān)鍵。

實驗數(shù)據(jù)顯示，對于沒有經(jīng)過任何處理或者加固措施的試件，進(jìn)行30 000次～50 000次應(yīng)力循環(huán)時就開始出現(xiàn)裂縫開展，對于使用S型CFRP加固的試件，在應(yīng)力循環(huán)進(jìn)行到100 000次左右時裂縫開展。構(gòu)件粘貼CFRP后，不僅疲勞壽命得到延長，也較好地阻止了裂縫的開展。

對4個中心孔試件進(jìn)行試驗，其中Z1不作任何處理，Z2，Z3表面粘貼S型CFRP，Z4表面粘貼M型CFRP，實驗結(jié)果顯示，試件Z1在350 799次循環(huán)時達(dá)到疲勞極限。對于Z2，中心孔部位及裂縫萌生處均被CFRP覆蓋，其疲勞極限比Z1提高了約50%，試件Z3，CFRP粘貼在裂縫萌生處的兩側(cè)，疲勞極限比Z1提高約23%。

對5個邊緣缺口的試件進(jìn)行試驗，其中Q1不作任何處理，Q2，Q3，Q4表面粘貼S型CFRP，Q5表面粘貼M型CFRP，實驗結(jié)果顯示，Q1在175 951次循環(huán)時達(dá)到疲勞極限，Q2，Q3，Q4，Q5的疲勞極限與Q1相比都有不同比例的增長，尤其是對于CFRP粘貼長度增加了50%的構(gòu)件Q4，疲勞極限比Q1增長了110%，由此可見，增加CFRP的長度加固效果更加明顯。試件Q3先后用打磨機(jī)和鋼絲刷進(jìn)行處理，使CFRP與構(gòu)件表面更好地貼合，破壞時疲勞極限提高了75%。

兩組試件中，Z4和Q5均改用M型碳纖維復(fù)合材料進(jìn)行試驗，Z4，Q5疲勞極限分別提高了16%和25%，疲勞極限有所提高但并不明顯。數(shù)據(jù)只針對本次試驗，如若在其他的加固體系中有較好的加固效果也未可知。

對試件的橫截面分析可知，CFRP層的覆蓋大大增加了構(gòu)件破壞前裂縫開展的橫截面積，延遲了試件的開裂破壞。例如，在試件Q4中，試件破壞時只保留有原始橫截面積的7%，而無CFRP加固的Q1，破壞時保留有原始橫截面積的48%。

3 結(jié)語

CFRP的應(yīng)用可以大大提高鋼結(jié)構(gòu)試件的疲勞極限，CFRP覆蓋長度大的構(gòu)件，疲勞極限明顯提高。然而在諸多構(gòu)件的關(guān)鍵部位，如連接節(jié)點(diǎn)處，CFRP的粘結(jié)長度是非常受限的。

使用CFRP修補(bǔ)裂縫的試件，使用壽命有了大幅增長，這表明碳纖維復(fù)合材料不僅阻止裂縫的開展并可對已產(chǎn)生裂縫的構(gòu)件起到加固作用，在裂縫的萌生處粘貼CFRP效果會更好。

構(gòu)件的表面處理對CFRP最大化發(fā)揮其作用是至關(guān)重要的，油漆、油脂等污染物在CFRP粘貼前要清理干凈，與工作強(qiáng)度較大的砂輪打磨相比，鋼絲刷清理更可取。

實驗結(jié)果顯示，并不是所有種類的碳纖維復(fù)合材料有相同的加固效果，CFRP所能承受的荷載取決于環(huán)氧樹脂層傳遞的剪力大小，CFRP剛度越高，需要環(huán)氧樹脂膠層傳遞的剪力越多，這就易導(dǎo)致膠層與構(gòu)件之間的過早脫離，進(jìn)而使CFRP與構(gòu)件脫膠剝離。M型CFRP的抗拉強(qiáng)度和彈性模量略小于S型CFRP，不需要膠層傳遞太多的剪力，使其更好地發(fā)揮粘合作用從而提高疲勞極限。這說明進(jìn)行構(gòu)件加固時，并不適宜選用抗拉強(qiáng)度太大的CFRP。

環(huán)氧樹脂膠的性能是整個CFRP加固體系的關(guān)鍵，所有試件的破壞都起始于CFRP的脫膠，因此恰當(dāng)選擇膠的類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

甄國梁(1992- )，男，在讀碩士； 商曉彤(1990- )，女，在讀碩士

TQ327.3

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