CFRP加固焊接鋼結(jié)構(gòu)的疲勞性能試驗(yàn)研究

劉陽(yáng)?薛陽(yáng)?譚俊

摘 要 焊接接頭疲勞斷裂失效是引起大部分焊接鋼結(jié)構(gòu)失效的主要原因，但是這是不可避免的現(xiàn)象，這主要是焊縫自身的缺陷引起的。如何預(yù)防焊接接頭疲勞引起的焊接結(jié)構(gòu)損壞，加固焊縫自身的老國(guó)興，成為當(dāng)前加固焊接鋼結(jié)構(gòu)研究的重要方向。但是目前我國(guó)對(duì)于碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（CFRP）研究較少，本文通過(guò)對(duì)焊接鋼結(jié)構(gòu)的研究，對(duì)我國(guó)焊接鋼結(jié)構(gòu)用CFRP加固后的堅(jiān)固性提供借鑒和經(jīng)驗(yàn)支持。

關(guān)鍵詞 鋼結(jié)構(gòu)；試驗(yàn)；焊接；碳纖維復(fù)合材料；疲勞壽命

1 我國(guó)焊接鋼結(jié)構(gòu)失效和CFRP實(shí)用的現(xiàn)狀

在我國(guó)的含鋼結(jié)構(gòu)中，疲勞損壞是其失效的主要方式。據(jù)資料統(tǒng)計(jì)目前我國(guó)的焊接鋼結(jié)構(gòu)失效70%—90%都是由疲勞斷裂引起的，在焊接鋼結(jié)構(gòu)的使用中，疲勞破壞嚴(yán)重限制了其使用年限和使用范圍。在工業(yè)發(fā)達(dá)的國(guó)家，焊接用鋼量幾乎達(dá)到其鋼材使用量的60%—70%，但是在我國(guó)，其百分比只占40%—50%，隨著我國(guó)工業(yè)不斷發(fā)展，未來(lái)我國(guó)的焊接結(jié)構(gòu)實(shí)用兩將不斷增長(zhǎng)。為了保證經(jīng)濟(jì)效益，提高鋼材使用年限和適用范圍，必須減小鋼材焊接失效率大這一問(wèn)題。

目前我國(guó) CFRP修復(fù)鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)主要是在損傷區(qū)域進(jìn)行表面的膠黏劑的涂抹，然后再將CFRP粘貼到鋼結(jié)構(gòu)的表面。這一處理方法的原理主要是擴(kuò)大受力面積，減小單位面積上的受力，即將原有鋼材的拉應(yīng)力通過(guò)膠層傳遞到鋼材表面的CFRP片材上，這種方法大大減小了剛才結(jié)構(gòu)自身的應(yīng)力水平。CFRP具有高強(qiáng)度的耐腐蝕性，質(zhì)量輕的特點(diǎn)，能夠在不改變?cè)Y(jié)構(gòu)尺寸的條件下，對(duì)不同結(jié)構(gòu)形狀的鋼材進(jìn)行加固，這種修補(bǔ)方法應(yīng)用面極廣。

目前在我國(guó)CFRP在混凝土結(jié)構(gòu)中應(yīng)用比較廣泛，但是在鋼材加固中應(yīng)用還比較少，對(duì)于其研究就更少了，如何完善CFRP在鋼材結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用技術(shù)，成為當(dāng)前CFRP技術(shù)研究的重點(diǎn)[1]。

2 實(shí)驗(yàn)材料和方法選擇

2.1 實(shí)驗(yàn)材料的選擇和處理

該實(shí)驗(yàn)主要采用單面V形焊，這種方法是板材對(duì)接焊中最常用，最典型的焊接方式之一，這種焊接方式在我國(guó)的實(shí)際工程中適用面非常廣，但是在是實(shí)際供種，也是最經(jīng)常出現(xiàn)問(wèn)題，最薄弱的環(huán)節(jié)之一，以此為實(shí)驗(yàn)對(duì)象最具有代表性。實(shí)驗(yàn)構(gòu)件的尺寸主要為440. 00mm×76.40 mm ×23.16 mm。在單面焊構(gòu)件的對(duì)接處豎向只留下8mm的高度，然后做600斜坡，鋼板之間的距離留有兩鋼板間距3mm的距離，進(jìn)行固定后，在鋼材構(gòu)建的一面進(jìn)行焊接。

實(shí)驗(yàn)的材料主要實(shí)訓(xùn)用最常見(jiàn)的熱軋態(tài)Q345鋼，這種鋼材是其中最常見(jiàn)，最普遍使用的鋼材之一。樣本主要從鋼板上進(jìn)行切取，然后進(jìn)行加工，固定，焊接，拋光等加工程序。使用的焊接材料主要是JM-70的焊絲，其直徑主要是1.2 mm，保護(hù)氣體為80%Ar十20%CO2。焊接供需完成后，需要對(duì)表面進(jìn)行精加工，保證期平整性，這主要是為了減小刀痕對(duì)實(shí)驗(yàn)精確度的影響進(jìn)行的。這種精加工主要使用金相砂紙對(duì)試樣表面進(jìn)行縱向打磨，然后再用拋光膏對(duì)表面進(jìn)行打磨拋光，直到表面光潔度達(dá)到▽9（Ra≤0.06——0.32μm），實(shí)驗(yàn)之前需要對(duì)將鋼板母材和帶有焊接縫剛材進(jìn)行加工，直至成為標(biāo)準(zhǔn)的鋼材，對(duì)其進(jìn)行靜載拉伸試驗(yàn)，確定其力學(xué)性能。

2.2 試驗(yàn)方法的選擇

本實(shí)驗(yàn)的研究方法主要是在高頻疲勞機(jī)上進(jìn)行三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)主要選用焊縫中最薄弱的部位——V形底部，這個(gè)部位是構(gòu)件中拉應(yīng)力最大的區(qū)域，在實(shí)驗(yàn)中將當(dāng)面焊構(gòu)件放到V形焊口上，保證構(gòu)件兩端支撐間距為170mm，在中間的焊接區(qū)域頂部進(jìn)行施壓應(yīng)力的荷載實(shí)驗(yàn)，咋實(shí)驗(yàn)中主要是此阿勇恒福部隊(duì)稱循環(huán)的方式，并運(yùn)用力學(xué)的公式確定荷載值，只有這樣才能保證實(shí)驗(yàn)的正常進(jìn)行[2]。

3 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

實(shí)驗(yàn)前期對(duì)于疲勞裂紋出現(xiàn)主要出現(xiàn)在中間的焊縫底部并由下向上不斷延伸。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)跨中焊縫截面底部拉應(yīng)力為焊縫屈服值的60%進(jìn)行反推實(shí)驗(yàn)加載值為P。并根據(jù)力學(xué)公式，確定平均負(fù)荷值，動(dòng)態(tài)幅值，正弦加載和加載幅度。

由于CFRP的性能，CFRP只能承受拉應(yīng)力，無(wú)法承受壓應(yīng)力，而構(gòu)件的主要受壓區(qū)域主要是在三點(diǎn)彎曲構(gòu)件頂面，底面為受拉區(qū)域，所以在實(shí)驗(yàn)中，CFRP粘貼在構(gòu)件頂面沒(méi)有收到加固效果。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

（1）目前由于我國(guó)的剛才疲勞裂紋實(shí)驗(yàn)主要是在接焊鋼板的三點(diǎn)彎曲的循環(huán)荷載作用下進(jìn)行的，所以器試驗(yàn)主要在鋼材的底部開(kāi)展進(jìn)行的。在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)在進(jìn)行CFRP底部加固后，疲勞裂紋依然出現(xiàn)，并且在原來(lái)的部位，在構(gòu)件發(fā)生變形后，原來(lái)粘貼CFRP的膠層依舊發(fā)生破壞，CFRP膠層與鋼板常常會(huì)發(fā)生剝離現(xiàn)象，由此可見(jiàn)，鋼板和焊接結(jié)合部是構(gòu)件中最薄弱的環(huán)節(jié)。

（2）CFRP的彈性模量和焊縫，鋼板之間的彈性模量性差比較小，對(duì)于實(shí)驗(yàn)的構(gòu)件進(jìn)行長(zhǎng)度方向進(jìn)行CFRP的粘貼，在三點(diǎn)彎曲循環(huán)荷載作用下，焊縫和鋼板和接觸部位的最大拉應(yīng)力應(yīng)該控制在9900以下，循環(huán)荷載力應(yīng)該保持在9700以下。

（3）通過(guò)對(duì)鋼材進(jìn)行CFRP的家過(guò)后，可以發(fā)現(xiàn)焊接鋼構(gòu)件的疲勞壽命明顯提高。這種粘貼CFRP膠層對(duì)于原構(gòu)件的疲勞壽命具有明顯的延長(zhǎng)作用，通過(guò)實(shí)驗(yàn)，可以得出原壽命由原來(lái)的1.25X10提高到2 46X10，大概提高了97%。由此可見(jiàn)，CFRP可以很好的預(yù)算鋼材構(gòu)建的疲勞壽命。

5 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)于CFRP加固焊接鋼板的疲勞性試驗(yàn)和研究，主要是以在CFRP降低原有構(gòu)件應(yīng)力的條件上進(jìn)行的，通過(guò)實(shí)驗(yàn)，較準(zhǔn)確地估算了構(gòu)件在進(jìn)行CFRP修復(fù)后的疲勞壽命，對(duì)我國(guó)鋼材使用壽命進(jìn)行了大概的估算，目前CFRP在混凝土方面進(jìn)行了廣發(fā)的應(yīng)用，如何在不改變?cè)袖摬慕Y(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，通過(guò)應(yīng)用CFRP實(shí)行延長(zhǎng)鋼材結(jié)構(gòu)的壽命周期是其研究的最終目的。雖然在我國(guó)發(fā)展取得了一些階段性的成就，但是必須結(jié)合我國(guó)的基本國(guó)情和鋼材結(jié)構(gòu)材料現(xiàn)狀，進(jìn)行更加深入的技術(shù)理論研究和相關(guān)控制，只有這樣才能為我國(guó)鋼材CFRP修復(fù)技術(shù)使用后的疲勞壽命提供一個(gè)有效的估算技術(shù)。

參考文獻(xiàn)

[1] 趙恩鵬.CFRP加固焊接鋼結(jié)構(gòu)的疲勞性能試驗(yàn)與分析研究[D].合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2011.

[2] 趙恩鵬，牛忠榮，胡宗軍等.CFRP加固焊接鋼結(jié)構(gòu)的疲勞性能試驗(yàn)研究[J].工業(yè)建筑，2011，（s1）：354-358.