粘貼薄鋼板加固H型鋼柱軸壓性能試驗(yàn)研究

卜良桃，鐘 千

（湖南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410082）

鋼結(jié)構(gòu)自重輕，強(qiáng)度高，在工程結(jié)構(gòu)中應(yīng)用廣泛。對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的加固，是工程領(lǐng)域的一大難題，目前我國(guó)已制定相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)［1-2］來(lái)指導(dǎo)鋼結(jié)構(gòu)的改造加固，其中涉及增大截面，增設(shè)支點(diǎn)等方法。粘貼鋼板加固是其中一種高效的鋼結(jié)構(gòu)加固方法，采用結(jié)構(gòu)膠將薄鋼板與缺陷鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件粘接，形成整體受力體系，以提高原構(gòu)件強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性。相對(duì)于傳統(tǒng)焊接加固法，粘貼鋼板加固法不僅避免了焊接殘余應(yīng)力、焊接裂縫對(duì)結(jié)構(gòu)的不利影響，并且具有施工簡(jiǎn)便快捷，不產(chǎn)生高溫氣體，經(jīng)濟(jì)效益好等優(yōu)點(diǎn)，國(guó)內(nèi)外對(duì)粘貼鋼板加固鋼結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)研究較少，盧亦焱等［3-4］進(jìn)行了粘鋼加固薄壁鋼管柱試驗(yàn)研究；隋炳強(qiáng)等［5］對(duì)粘鋼加固鋼管柱進(jìn)行全過(guò)程數(shù)值模擬，然而對(duì)于粘鋼加固型鋼柱方面的試驗(yàn)研究較少，且現(xiàn)行加固規(guī)范中關(guān)于粘貼鋼板加固法的計(jì)算方法缺乏試驗(yàn)依據(jù)。鑒于上述研究?jī)H限于加固管材，對(duì)象單一，筆者設(shè)計(jì)4根足尺H型鋼柱，研究粘貼薄鋼板加固對(duì)試驗(yàn)柱軸壓承載力和變形的影響。本文試驗(yàn)成果能對(duì)相關(guān)加固規(guī)范理論公式進(jìn)行有效驗(yàn)證，并為工程鋼結(jié)構(gòu)粘貼鋼板加固技術(shù)的應(yīng)用提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試件材料

本試驗(yàn)以加固鋼板厚度和錨固螺栓間距為參數(shù)，試驗(yàn)設(shè)計(jì)了4根Q235B的H型鋼柱試件，各試件參數(shù)見(jiàn)表1。柱高均為3 000 mm，截面尺寸為250 mm×250 mm×9 mm×9 mm，加固鋼板為Q235B普通碳素鋼，長(zhǎng)2 960 mm，寬250 mm，沿H型鋼柱兩翼緣進(jìn)行加固［6］，未加固鋼柱及加固鋼柱截面示意圖如圖1所示。錨固螺栓選用M10的4.8級(jí)普通螺栓。鋼板常溫下力學(xué)性能指標(biāo)見(jiàn)表2。

表1 試件參數(shù)Table 1 Parameters.of specimen mm

圖1 試件截面示意圖Figure 1 Dimension of specimen section

表2 鋼板主要力學(xué)性能指標(biāo)Table 2 Mechanical properties of steel plates

1.2 試件制作

采用粘貼鋼板加固法對(duì)H型鋼柱兩翼緣全長(zhǎng)對(duì)稱(chēng)加固。加固前對(duì)型鋼和鋼板的粘接面進(jìn)行打磨、清洗、風(fēng)干。加固使用的結(jié)構(gòu)膠為雙組分A、B膠，按質(zhì)量比10∶3，并摻入1%的小鋼珠，攪拌均勻后立即涂抹在型鋼及鋼板的粘接面上，膠層厚度為1.5 mm［7］。膠層涂抹均勻后將鋼板粘貼在型鋼柱上并使用4.8級(jí)的普通螺栓進(jìn)行錨固，錨固方式為沿柱高方向均勻分布錨固兩列螺栓，為防止鋼板受螺栓桿擠壓發(fā)生沖剪破壞［8］，螺栓距翼緣外側(cè)邊緣30 mm。考慮到端部剝離應(yīng)力最大［9］，對(duì)端部螺栓間距進(jìn)行加密處理，螺栓布置示意圖如圖2所示。

圖2 型鋼翼緣螺栓布置示意圖Figure 2 The arrangement of bolt hole

1.3 加載方案

本試驗(yàn)采用500 t千斤頂加載。在試件兩端各焊接20 mm厚的端板以保證鋼柱受壓均勻，并安放在單刀鉸支座上。采用高精度激光投線儀進(jìn)行幾何對(duì)中。正式加載前進(jìn)行預(yù)加載，檢查各儀器儀表正常工作。正式加載采用分級(jí)加載的方式，荷載增量為100 kN，每級(jí)荷載持荷10 min后進(jìn)行讀數(shù)記錄。

1.4 測(cè)試方案

在各試件的1／2柱高和端部截面布置應(yīng)變片，用于分析臨界截面的應(yīng)變隨荷載變化情況。對(duì)于加固構(gòu)件，在型鋼翼緣和對(duì)應(yīng)位置的加固層鋼板上分別布置應(yīng)變片，實(shí)測(cè)兩者在軸力作用下的應(yīng)變差異，可分析其共同工作性能。各試件的應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置如圖3所示。

圖3 試件截面應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置Figure 3 Layout of strain gauges

各試件柱布置4個(gè)百分表，編號(hào)為B1～B4。B1、B2分別測(cè)量試件1／2柱高處弱軸、強(qiáng)軸方向的橫向位移；B3、B4測(cè)量鋼柱的軸向壓縮變形。加載裝置示意圖如圖4所示。

圖4 加載裝置示意圖Figure 4 Schematic diagram of loading device

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 試驗(yàn)結(jié)果

實(shí)測(cè)各試件的極限承載力Pu及對(duì)應(yīng)的軸向位移 Δv，u及1／2柱高處水平位移 Δh，u如表3所示。

表3 試件極限承載力及變形Table 3 Ultimate bearing capacity and deformation

各試件的荷載P與軸向位移 Δv和1／2柱高處水平位移Δh的關(guān)系曲線分別如圖5和圖6所示。試件的軸向位移Δv包括鋼柱在軸向壓力作用下的軸向壓縮變形量Δ1和柱端由于整體彎曲變形的位移量Δ2

［3］。從圖5中可以看出，在線彈性階段軸向位移表現(xiàn)為軸向壓縮變形，而且經(jīng)過(guò)粘貼鋼板加固后，在相同的荷載作用下，鋼柱的軸向位移變小，隨著加固鋼板變厚，試件的比例極限提高［10］。這表明加固后鋼柱的軸壓剛度提高，其軸壓剛度由大到小依次為QZS2、QZS1、QZS3、QZS0。這是由于在線彈性階段加固鋼板與型鋼能很好的共同工作［1］，相當(dāng)于增大原構(gòu)件截面面積。但是型鋼與加固鋼板之間靠結(jié)構(gòu)膠傳遞剪力來(lái)實(shí)現(xiàn)變形協(xié)調(diào)，考慮結(jié)構(gòu)膠本身的剪切變形及加固柱截面受螺栓孔削弱等原因，加固鋼板的剛度會(huì)有一定折減［11］。

圖5 荷載-軸向位移曲線Figure 5 Load-axial displacement curve

由圖6可以看出柱子在線性階段處于良好的軸心受力狀態(tài)，1／2柱高處的水平位移變化不大，當(dāng)荷載增大到極限荷載的80%左右時(shí)，1／2柱高處的水平位移開(kāi)始進(jìn)入快速發(fā)展階段，達(dá)到極限荷載后，由于膠層剝離導(dǎo)致應(yīng)力重分布，試件的塑性變形急劇增加，1／2柱高處水平位移變化速度也達(dá)到峰值。此后荷載降低，變形持續(xù)增大。相對(duì)于未加固柱，加固鋼柱的水平位移得到限制。

圖6 荷載-水平位移 （1／2柱高處）曲線Figure 6 Load-horizontal displacement（1／2h）curve

各試件1／2柱高處腹板的荷載——型鋼應(yīng)變曲線如圖7所示，在線彈性階段，相對(duì)于未加固鋼柱截面，相同荷載作用下，加固后鋼柱截面應(yīng)變減?。磺?yīng)變對(duì)應(yīng)的荷載值相應(yīng)增大。表明加固鋼板與型鋼能夠共同工作，提高構(gòu)件的軸壓剛度。

2.2 破壞形態(tài)

試件從加載到破壞可分為3個(gè)階段：

線彈性階段：當(dāng)荷載低于極限荷載約80%時(shí)，荷載-應(yīng)變曲線呈現(xiàn)線性關(guān)系。荷載通過(guò)結(jié)構(gòu)膠從型鋼傳遞到鋼板上使鋼板與型鋼變形協(xié)調(diào)［3］，兩者能較好的共同工作。此時(shí)鋼柱整體處于彈性工作階段。由于膠層本身的剪切變形會(huì)導(dǎo)致加固鋼板有一定的應(yīng)變滯后［8-9］。

圖7 荷載-腹板應(yīng)變曲線Figure 7 Load-strain curve

彈塑性階段：當(dāng)荷載超過(guò)極限荷載的80%后，隨著荷載增大，型鋼截面應(yīng)變不再隨荷載線性變化，每級(jí)荷載作用下的應(yīng)變?cè)隽孔兇?，荷載加載速度開(kāi)始變慢。當(dāng)翼緣邊緣達(dá)到屈服應(yīng)變后，1／2柱高處橫向變形開(kāi)始快速發(fā)展，構(gòu)件整體彎曲變形。由于加固鋼板還未屈服，荷載仍緩慢增長(zhǎng)。

破壞階段：隨著變形繼續(xù)增大，受壓側(cè)加固鋼板也達(dá)到屈服，荷載不再繼續(xù)增大，變形持續(xù)增長(zhǎng)。端部膠層的剪應(yīng)力最先達(dá)到容許剪應(yīng)力，膠層破壞后鋼板與型鋼出現(xiàn)剝離，可以聽(tīng)見(jiàn)清脆的剝離聲響，剝離部位鋼板應(yīng)力部分釋放，應(yīng)力重分布導(dǎo)致型鋼翼緣急速變形，構(gòu)件喪失承載力，荷載開(kāi)始回落。在兩排螺栓間隔區(qū)域，加固鋼板與型鋼翼緣發(fā)生剝離，剝離區(qū)域逐漸向柱中部發(fā)展，加固鋼板逐漸退出工作，型鋼塑性變形急劇增大，荷載迅速降低。卸載后殘余變形明顯。典型的破壞模式如圖8所示。

2.3 協(xié)同工作性能

本試驗(yàn)對(duì)比柱QZS0（未加固柱）荷載應(yīng)變曲線如圖9（a）所示；各加固柱1／2柱高處截面型鋼與加固鋼板的荷載應(yīng)變關(guān)系分別如圖9（b）、（c）、（d）所示，由圖9可知，加固鋼板與型鋼翼緣能夠良好的協(xié)調(diào)變形，共同承擔(dān)截面應(yīng)力，在相同荷載作用下，加固后構(gòu)件應(yīng)力水平明顯降低。但截面壓應(yīng)變并非均勻分布。由于膠層剪切變形，在線彈性階段，每級(jí)荷載作用下加固鋼板的應(yīng)變?cè)隽繒?huì)略低于型鋼應(yīng)變?cè)隽浚弯摃?huì)比加固鋼板先達(dá)到屈服應(yīng)變此時(shí)加固鋼板應(yīng)變接近屈服應(yīng)變，所以在型鋼應(yīng)變達(dá)到屈服應(yīng)變后，荷載仍可緩慢增加。在彈塑性階段，加固鋼板應(yīng)變會(huì)隨著型鋼屈服而迅速增長(zhǎng)至屈服應(yīng)變，此后由于塑性變形過(guò)大導(dǎo)致膠層剝離破壞、錨固螺栓剪斷，加固鋼板退出工作，應(yīng)力重分布，型鋼應(yīng)變大幅增加。

圖8 典型的破壞形態(tài)圖Figure 8 Typical failure mode

2.4 承載力計(jì)算

由圖5荷載與軸向位移曲線可知加固后鋼柱的軸壓剛度隨加固鋼板厚度增大而提高。但是其剛度提升并非線性變化，以未加固柱QZS0剛度當(dāng)做“1”，根據(jù)線性階段1／2柱高處截面的應(yīng)變值計(jì)算試件軸壓剛度試驗(yàn)值；以截面面積計(jì)算出3根加固試件的軸壓剛度計(jì)算值，計(jì)算出剛度折減系數(shù)ξ如表4所示。

各加固試件的穩(wěn)定承載力參照文獻(xiàn)［6］的計(jì)算方法，對(duì)于實(shí)腹式軸心受壓構(gòu)件，其整體穩(wěn)定性計(jì)算公式為：

其中，N為構(gòu)件所受總軸心壓力；φA為軸心受壓構(gòu)件穩(wěn)定系數(shù)，按文獻(xiàn)［1］C類(lèi)截面系數(shù)表格查?。籄為構(gòu)件加固后的截面面積；ηn為軸心受力加固構(gòu)件強(qiáng)度降低系數(shù)，取0.9；f*為鋼材換算強(qiáng)度。

圖9 試件荷載-應(yīng)變曲線Figure 9 Load-strain curve

將表1、表2中試件截面參數(shù)和鋼材屈服強(qiáng)度代入公式計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如表4所示。由表4可知計(jì)算值與試驗(yàn)值吻合較好且均低于試驗(yàn)值，表明現(xiàn)行規(guī)范公式偏于安全。對(duì)工程實(shí)踐具有指導(dǎo)意義。

表4 加固試件極限承載力及剛度Table 4 Ultimate bearing capacity and rigidity

3 對(duì)比分析

3.1 粘貼鋼板厚度

由表3可知，相對(duì)于未加固柱，翼緣對(duì)稱(chēng)全長(zhǎng)粘貼鋼板加固能提升軸壓鋼柱的極限承載力，粘貼鋼板厚度對(duì)柱的極限承載能力有明顯影響，其中粘貼4 mm和6 mm鋼板的鋼柱承載力提升分別為30.9%和41.1%。但由于膠層的粘結(jié)滑移影響，當(dāng)加固鋼板厚度過(guò)大時(shí)容易發(fā)生剝離破壞［12］，此時(shí)加固鋼板釋放的應(yīng)力過(guò)大會(huì)導(dǎo)致型鋼提前進(jìn)入塑性階段，不利于結(jié)構(gòu)繼續(xù)承載。

由表4可知隨著加固鋼板厚度的增加，加固柱軸向位移和水平位移均減小，但粘貼鋼板厚度越大，其軸壓剛度折減效應(yīng)越明顯。粘貼4 mm鋼板的鋼柱QZS1和6 mm鋼板的鋼柱QZS2軸壓剛度相比較未加固柱分別提升24.8%和31.2%，軸壓剛度折減系數(shù)分別為0.957和0.902。

3.2 錨固螺栓間距

錨固螺栓主要表現(xiàn)為構(gòu)造作用，膠層剝離后，荷載基本不再增加，由表3可知，減小錨固螺栓間距對(duì)承載力提升作用不明顯，同樣粘貼4 mm鋼板的試件QZS1相對(duì)于試件QZS3，承載力提升改變量只有3.1%。

根據(jù)測(cè)得的應(yīng)變數(shù)據(jù)，當(dāng)粘貼鋼板厚度相同時(shí)，減小錨固螺栓間距可以減小線彈性階段每級(jí)荷載作用下型鋼與加固鋼板應(yīng)變差值，如圖8（b）、（d）所示。這表明減小錨固螺栓間距可以增強(qiáng)加固鋼板與型鋼的協(xié)同變形能力，由表4中剛度折減系數(shù)可知柱QZS1相對(duì)于柱QZS3剛度折減更少。但是螺栓布置過(guò)密，鋼柱截面也會(huì)受到削弱，螺栓孔附近應(yīng)力集中問(wèn)題更加嚴(yán)重［8］。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)粘貼鋼板加固H型鋼柱軸壓性能試驗(yàn)研究，可以得到以下結(jié)論：

a.粘貼鋼板加固法能有效提高H型鋼柱軸心受壓承載能力，文中3根足尺型鋼加固柱的軸心受壓極限承載能力提高幅度約27.8%～41.1%。

b.采用粘貼薄鋼板加固后，H型鋼柱軸心受壓時(shí)柱身軸向位移和水平位移得到有效控制，被加固柱剛度提高。

c.粘貼鋼板的加固效果與H型鋼柱翼緣粘貼的鋼板厚度和錨固螺栓間距有關(guān)。在一定范圍內(nèi)，粘貼鋼板厚度越大，螺栓間距越小時(shí)，被加固H型鋼柱承載力提高幅度越大，柱軸心受力性能更好。通過(guò)計(jì)算分析，驗(yàn)證了現(xiàn)行規(guī)范公式計(jì)算方法的可靠性。

d.粘貼鋼板加固法是一種有效的鋼結(jié)構(gòu)加固方法，具有重要的工程應(yīng)用價(jià)值。