CFRP加固腐蝕T型管節(jié)點(diǎn)靜力承載力試驗

邵永波，陳振明，周子璐

(1.西南石油大學(xué) 土木工程與測繪學(xué)院，四川 成都 610500；2.中建科工集團(tuán)有限公司，廣東 深圳 518000；3.中國建筑第四工程局有限公司，廣東 廣州 510665)

焊接管結(jié)構(gòu)是大型體育場、機(jī)場、車站、展覽館、橋梁以及海洋平臺中常見的結(jié)構(gòu)形式，這種結(jié)構(gòu)是將鋼管構(gòu)件通過相貫焊接的方式連接成整體。在管件連接部位的節(jié)點(diǎn)由于存在應(yīng)力集中、焊接殘余應(yīng)力等原因而容易發(fā)生失效，因此是管結(jié)構(gòu)設(shè)計中的關(guān)鍵部位。引起管節(jié)點(diǎn)失效的另外一個原因是環(huán)境影響，如海洋環(huán)境下管結(jié)構(gòu)容易發(fā)生腐蝕。腐蝕會削弱管件的厚度，導(dǎo)致管節(jié)點(diǎn)承載力降低而引發(fā)結(jié)構(gòu)失效。為了防止由于腐蝕引起的承載力不足，需要對管節(jié)點(diǎn)進(jìn)行加固。

雖然傳統(tǒng)上的灌漿、卡箍和焊接鋼板等方式均能提高管節(jié)點(diǎn)的承載力，但這些加固方式均存在各種明顯的不足之處，如：增加自重、增加焊接殘余應(yīng)力和影響美觀等，尤其是焊接鋼板的加固方式本質(zhì)上并未提高管節(jié)點(diǎn)的防腐性能。CFRP(Carbon Fiber Reinforced Polymer/Plastic)由于強(qiáng)度高、自重輕、防腐性能好、施工方便等優(yōu)點(diǎn)，在土木工程領(lǐng)域得到青睞和應(yīng)用。但與混凝土結(jié)構(gòu)相比，鋼結(jié)構(gòu)采用CFRP維修加固方面的研究相對滯后，大約10年前開始系統(tǒng)研究CFRP加固鋼結(jié)構(gòu)[1～4]，而對CFRP加固管結(jié)構(gòu)的研究則在近幾年才開始，主要從CFRP維修加固管道開始[5]，后來逐漸擴(kuò)展到一般的鋼管構(gòu)件[6～11]。近五年來，國內(nèi)外學(xué)者開始研究CFRP加固管節(jié)點(diǎn)后性能，包括靜力強(qiáng)度[12～16]、疲勞性能[17,18]和滯回性能[19]等，但對CFRP維修加固含腐蝕缺陷的管節(jié)點(diǎn)方面的研究，目前尚未見相關(guān)報道。因此，進(jìn)行這方面的試驗測試，其結(jié)果可為CFRP在修復(fù)含腐蝕缺陷管節(jié)點(diǎn)方面的應(yīng)用提供參考依據(jù)。

1 CFRP加固含腐蝕T節(jié)點(diǎn)的靜力試驗

1.1 T節(jié)點(diǎn)試件設(shè)計與CFRP加固方案

試驗測試中選取的試件尺寸如圖1所示，其中主管為Φ168×5的鋼管，支管為95×4的鋼管。T節(jié)點(diǎn)主管兩端焊接上兩塊端板，端板厚度為20 mm，試件與端板通過坡口熔透焊縫連接形成整體。焊接管結(jié)構(gòu)在節(jié)點(diǎn)部位發(fā)生腐蝕后，節(jié)點(diǎn)外表面產(chǎn)生的腐銹會大片脫落，如圖2a所示，導(dǎo)致管節(jié)點(diǎn)的管壁厚度減小。設(shè)計試件時，在節(jié)點(diǎn)相貫處主管外表面采用人工切割的方法加工出長度為520 mm、深度為0.3 mm的凹坑模擬腐蝕缺陷，腐蝕凹坑的具體位置和尺寸如圖2b所示。

圖1 T節(jié)點(diǎn)試件尺寸/mm

圖2 T節(jié)點(diǎn)試件腐蝕位置及尺寸

設(shè)計的2個T節(jié)點(diǎn)試件包括未經(jīng)CFRP加固的試件T-1和經(jīng)CFRP加固的試件T-1-C。圖3為試件T-1-C的CFRP加固示意圖。對于CFRP修復(fù)的長度，參考傅宇光等[20]提出的《一種采用纖維增強(qiáng)復(fù)合材料加固金屬管節(jié)點(diǎn)的方法》中對不含腐蝕缺陷的T型管節(jié)點(diǎn)所提出的公式：

(1)

Lcfrp2=le+dcotθ

(2)

式中：Lcfrp1為CFRP在主管上的粘貼長度；Lcfrp2為CFRP在支管上的粘貼長度；D為主管外徑；T為主管壁厚；le為CFRP與金屬結(jié)構(gòu)之間的有效粘結(jié)長度；d為直管外徑；θ為主管與支管軸線夾角。

對含腐蝕缺陷的管節(jié)點(diǎn)，軸向包裹長度一般會超過缺陷，因此試驗中取Lcfrp1=1200 mm，Lcfrp2=300 mm。試驗采用單向碳纖維布，單層厚度為0.167 mm。共采用6層CFRP加固，CFRP的鋪設(shè)順序見表1，其中鋪設(shè)方向的定義如圖3所示。

表1 CFRP加固方案

圖3 T節(jié)點(diǎn)上CFRP加固區(qū)域及鋪設(shè)方向

1.2 材料屬性

T節(jié)點(diǎn)試件中的主管與支管均采用20號鋼，試件的材料屬性由材料拉伸試驗確定。對主管Φ168×5和支管Φ95×4分別取3個相同尺寸的標(biāo)準(zhǔn)試樣進(jìn)行材料拉伸試驗，圖4為所測得的拉伸試樣的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，測得的鋼管管材性能參數(shù)如表2所列，其中v，E，σy分別為泊松比、彈性模量和屈服應(yīng)力。

圖4 T節(jié)點(diǎn)試件鋼管的拉伸曲線

表2 鋼管材料性能

試驗所采用的碳纖維和膠黏劑(環(huán)氧浸漬膠)基本材料參數(shù)由廠家試驗測得，其材料屬性見表3。

表3 CFRP和填膠粘劑屬性

1.3 加載方案

對2個T節(jié)點(diǎn)試件(T-1和T-1-C)分別進(jìn)行支管軸向壓力作用下的失效過程測試。試件在四立柱實驗機(jī)上進(jìn)行，如圖5所示。試件主管兩端的端板固定在下橫梁左右兩端的支座上，實驗機(jī)在支管端板上施加豎直向下的荷載，直至達(dá)到試件的極限承載力(或過大變形)為止。試驗加載過程中，實時監(jiān)測施加在加載板上的荷載以及豎向加載位移。對軸向壓力作用下的失效過程進(jìn)行監(jiān)測，以分析未加固和CFRP加固含腐蝕缺陷T節(jié)點(diǎn)在軸向壓力作用下的極限承載力，評估CFRP對含腐蝕缺陷T節(jié)點(diǎn)的加固效果。

圖5 T節(jié)點(diǎn)試驗測試方案

試驗測試過程中，施加荷載由加載系統(tǒng)自動監(jiān)測。為了測得加載過程中節(jié)點(diǎn)豎向位移以及節(jié)點(diǎn)變形，如圖6所示，在加載板的下表面布置一個位移計(圖中5)用來檢測支管端部位移，在主管上表面布置4個位移計(圖中1～4)，下表面布置1個位移計(圖中6)來檢測節(jié)點(diǎn)局部變形，即節(jié)點(diǎn)的變形可用上表面4個位移計測得的位移平均值與下表面位移計(圖中6)測得的位移值之差計算得到。

圖6 T節(jié)點(diǎn)位移及變形測試方案

2 試驗測試結(jié)果及分析

2.1 失效模式

圖7所示為T節(jié)點(diǎn)試件T-1和T-1-C最終失效模式的對比圖。未加固試件(T-1)在支管承受軸向壓力作用下最終發(fā)生的失效模式是主管表面沿著相貫焊縫周圍的局部凹陷，說明主管表面局部形成封閉的塑性鉸線而發(fā)生轉(zhuǎn)動，導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)失去承載力，如圖7a所示。加固試件T-1-C在荷載增加到一定程度時(大約85 kN)，CFRP在節(jié)點(diǎn)的鞍點(diǎn)下面局部開裂，發(fā)出噼啪的斷裂聲。隨著荷載的繼續(xù)增加，主管表面靠近相貫部位區(qū)域也開始發(fā)生局部凹陷，最終失效也是主管表面局部形成塑性區(qū)域而發(fā)生較大的轉(zhuǎn)動，不能繼續(xù)承受荷載作用。

圖7 T節(jié)點(diǎn)的失效模式

2.2 節(jié)點(diǎn)變形

基于圖6所示的位移計布置方案，位移計1和4距離節(jié)點(diǎn)冠點(diǎn)大約10 mm，位移計2和3距離節(jié)點(diǎn)冠點(diǎn)大約5 mm，節(jié)點(diǎn)冠點(diǎn)位移大小可認(rèn)為和支管端板相同(即忽略支管軸向壓縮位移)，從而冠點(diǎn)處的位移可由位移計5測得的值表示。將位移計1～5測得的位移值減去位移計6測得的位移值，即可認(rèn)為是節(jié)點(diǎn)靠近冠點(diǎn)區(qū)域主管表面的局部變形(即節(jié)點(diǎn)的變形)。

兩個T節(jié)點(diǎn)試件在荷載為102 kN(未加固節(jié)點(diǎn)達(dá)到極限承載力時對應(yīng)的荷載值)時的變形值比較如圖8所示(0 mm表示T節(jié)點(diǎn)的冠點(diǎn)位置)。未加固節(jié)點(diǎn)試件T-1冠點(diǎn)的變形約為2.5 mm，而CFRP加固后的節(jié)點(diǎn)試件T-1-C在冠點(diǎn)的變形降低為約1.34 mm，說明CFRP有效地約束了節(jié)點(diǎn)的變形，增大了節(jié)點(diǎn)的剛度，從而提高了節(jié)點(diǎn)的承載力。需要說明的是：在節(jié)點(diǎn)達(dá)到極限承載力時，未加固節(jié)點(diǎn)和經(jīng)CFRP加固的節(jié)點(diǎn)變形均未超過正常使用狀態(tài)所規(guī)定的變形值(一般為6%的主管直徑，即10 mm)，因此節(jié)點(diǎn)承載力按照所承受的最大荷載計算。

圖8 T節(jié)點(diǎn)變形比較

2.3 荷載-位移曲線

兩個試件在加載過程中的荷載-位移曲線如圖9所示，圖中的位移采用的是支管端部位移，即位移計5測得的位移。在加載初期，隨著荷載的增大，加載端板的位移也隨之線性增長。當(dāng)荷載達(dá)到125 kN左右時，加固試件T-1-C的位移繼續(xù)增長但荷載仍舊徘徊在125 kN左右，節(jié)點(diǎn)試件不能繼續(xù)承受荷載作用，因此可認(rèn)為125 kN即為加固試件T-1-C的極限承載力。對于未加固試件T-1，從荷載-位移曲線中也可以確定其極限承載力為102 kN。因此，采用CFRP加固后，含腐蝕的T節(jié)點(diǎn)的極限承載力提升了22.5%。

圖9 T節(jié)點(diǎn)荷載-位移曲線

因為T節(jié)點(diǎn)極限承載力與主管管壁厚度的平方成正比，因此可對腐蝕后T節(jié)點(diǎn)極限承載力的降低程度做一個估計，即0.3 mm的腐蝕坑對T節(jié)點(diǎn)承載力降低程度η按下式估計：

(3)

式中：T和tc分別為主管厚度和腐蝕坑厚度。

按照式(3)可以計算得到0.3 mm的腐蝕深度對于T節(jié)點(diǎn)試件靜力承載力降低幅度為11.64%。經(jīng)6層CFRP加固后，T節(jié)點(diǎn)靜力承載力可提高22.5%，即加固后的T節(jié)點(diǎn)承載力比未腐蝕的T節(jié)點(diǎn)承載力還要高出約10%，說明CFRP是一種有效的加固方式。

從圖9中還可以看出：加固后的試件T-1-C在線彈性階段的剛度(荷載-位移曲線的斜率)比未加固試件的剛度明顯要大，也進(jìn)一步驗證了圖8中的節(jié)點(diǎn)變形值比較結(jié)果，說明CFRP對約束T節(jié)點(diǎn)的變形有明顯的作用。

3 結(jié) 論

通過對CFRP加固的含腐蝕缺陷T節(jié)點(diǎn)試件靜力承載力試驗測試，得到了以下2個結(jié)論：

(1)CFRP可有效約束T節(jié)點(diǎn)試件在軸壓作用下的節(jié)點(diǎn)變形，從而提高節(jié)點(diǎn)的剛度，改善節(jié)點(diǎn)的極限承載力。

(2)經(jīng)6層CFRP加固后，含腐蝕缺陷對T節(jié)點(diǎn)極限承載力的提高幅度可超過未腐蝕前的T節(jié)點(diǎn)承載力，加固效果明顯。

需要說明的是：本研究中的試件腐蝕深度為0.3 mm，大約占主管厚度的6%，屬于較淺的腐蝕深度(但監(jiān)測時很容易發(fā)現(xiàn)該深度的腐蝕)。當(dāng)腐蝕深度較大時，CFRP加固效果及所需要纏繞的CFRP層數(shù)需要在將來的工作中繼續(xù)研究。