沈建增
(南寧學院土木與建筑工程學院,廣西 南寧 530200)
碳纖維材料具有質(zhì)量輕、強拉伸、高強度、耐低溫等優(yōu)點,是建筑結(jié)構加固領域的新型重要材料,具有節(jié)約成本、施工簡便、耐久性好等特點。
自 20 世紀 80 年代以來,碳纖維材料加固修復技術作為一種高效、經(jīng)濟的先進修補方法,在土木工程界得到一定的關注并進行了廣泛應用。國內(nèi)外學者對此在相關方面進行了相應的研究,目前碳纖維材料修復加固混凝土技術已經(jīng)比較成熟,并廣泛應用于梁、柱等工程結(jié)構的修復加固中[1-2]。而碳纖維材料加固鋼梁的試驗研究,最早始于 20 世紀 90 年代中期美國 Delaware 大學對無損傷缺陷的工字型鋼梁的研究。近十年來,國內(nèi)外陸續(xù)對各種形式的鋼梁加固進行研究,主要包括工字型截面鋼梁、矩形截面鋼梁、鋼板梁、鋼-混凝土組合梁。
鋼梁或者受損鋼梁可通過在鋼梁受拉翼緣粘貼碳纖維增強復合材料(carbon fiber reinforced polymer)來提高其承載能力[3-6]。目前加固鋼梁的碳纖維材料一般是以碳纖維布(CFRP)的形式進行加固,而以碳纖維棒進行鋼梁加固的研究尚處于空白,為此,本文提出以碳纖維棒加固 H 型鋼梁來研究其加固后的受力性能。
試驗所用鋼梁為 100×100 的 H 型鋼,鋼梁腹板厚度為 6 mm,翼緣厚度為 8 mm,制成統(tǒng)一標準的樣件進行受彎試驗。試驗所用的碳纖維加固膠的粘結(jié)內(nèi)聚強度不低于 20 MPa。碳纖維棒采用光圓、方形、實心的非螺紋材料,其具體性能如表 1 所示。
表1 碳纖維棒材料性能
試驗中,共制作了 4 根長度為 1.5 m 的受彎標準樣件,其中 3 根樣件用碳纖維棒進行加固,加固位置分別是:腹板與翼緣相交的角部(簡稱“角部”);腹板位置正下方的翼緣外側(cè)(簡稱“外側(cè)”);另外 1 根樣件不加固并為對比所需。具體加固方案的信息如表 2 所示。
表2 各樣件加固信息
樣件制作過程當中,先用砂紙刷掉鋼梁加固位置的鐵銹,然后根據(jù)對應的試驗方案,用調(diào)試好的碳纖維加固膠把碳纖維棒黏貼到相應的加固部位,樣件 FS 1~FS 3 的加固截面形式如圖 1~圖 3 所示。
圖2 FS 2 加固截面(單位:mm)
圖1 FS 1 加固截面(單位:mm)
圖3 FS 3 加固截面(單位:mm)
試驗在 300 kN 壓力機上進行,加載過程采用分級單次加載,每級荷載值不大于開裂荷載值的 30 %,每級荷載持續(xù)時間≥ 10 min。試驗鋼梁計算長度為 1.2 m,一端為滑動鉸支座,另一端為鉸支座,采用對稱集中加載方式,對稱荷載間距為 400 mm。試驗中用位移計測量 H 型鋼梁跨中和支座處的撓度,位移計的布置及加載裝置如圖 4 所示。
圖4 實物加載裝置
從試驗結(jié)果來看,4 個試驗鋼梁發(fā)生的破壞模式不同,主要分為 2 種破壞模式:鋼梁失穩(wěn)破壞、碳纖維棒與鋼梁剝離,破壞現(xiàn)象具體如圖 5 所示。
圖5 試件加載破壞形態(tài)
1)試件 FS 1。當加載到 20.797 kN 時,鋼梁開始發(fā)生彎曲,但變化不明顯;隨著荷載逐漸增大,鋼梁變化逐漸明顯,同時在加載過程中碳纖維加固膠發(fā)出剝離的聲音,由于加固膠粘結(jié)力較強,因此剝離現(xiàn)象剛開始不是很明顯。當加載到 111.259 kN 時,鋼梁的撓度逐漸增大,變化明顯,梁跨中的撓度已達到 5 mm,同時碳纖維棒右端位置開始產(chǎn)生微小的脫落趨勢;隨著荷載的進一步增大,碳纖維棒左端的位置脫落現(xiàn)象越來越明顯,當達到 133 kN 時,鋼梁右端碳纖維棒開始脫落,與此同時碳纖維棒的左端也出現(xiàn)剝離現(xiàn)象。當荷載達到 137 kN 時,左端碳纖維棒開始脫落,用于加固的碳纖維棒兩端都已脫落,此時跨中撓度為 17.7 mm,鋼梁失去加固承載性能,現(xiàn)象如圖 6(a)所示。
2)試件 FS 2。在彈性階段,豎向荷載數(shù)值和位移變化呈正向發(fā)展趨勢,當跨中位移達到 1 mm 時,豎向荷載值為 13.273 kN。當跨中位移達到 10 mm 時,豎向荷載值為 136.714 kN,此時鋼梁達到屈服。通過對數(shù)據(jù)分析,試驗前期荷載與變形趨于直線正向分布,加載中后期荷載基本不變趨于平行,但變形不斷增大。彈性階段,碳纖維棒隨著鋼梁的彎曲變化而變化,碳纖維棒對鋼梁變形起到一定的制約作用。而當粘結(jié)力失效時,碳纖維棒開始發(fā)生脫落,加載后期碳纖維棒對鋼梁的變形制約較小,現(xiàn)象如圖 6(b)所示。
3)試件 FS 3。由于試驗當中前期加載速度較快,導致彈性階段的施加荷載值偏大一些。通過數(shù)據(jù)與試驗現(xiàn)象分析:試驗前期,加固鋼梁處于彈性階段,應力與應變成線性關系;當荷載為 109 kN 時,加固鋼梁處于彈塑性階段;當荷載為 143.5 kN 時,鋼梁處于屈服階段。隨著應變不斷增大,碳纖維棒與鋼梁最終發(fā)生剝離,碳纖維棒彈出,加載結(jié)束,現(xiàn)象如圖 6(c)所示。
4)試件 FS 4(對比試件)。該試件為不加固狀態(tài),目的在于做試驗對比。通過加載,試件變形同樣經(jīng)歷三個階段:彈性階段、彈塑性階段、屈服階段。當荷載為 138.8 kN 時,鋼梁達到屈服,最終失穩(wěn)破壞,現(xiàn)象如圖 6(d)所示。
由試驗得到的碳纖維棒加固鋼梁荷載與應變關系曲線如圖 6 所示(P 為荷載值,ε 為梁的跨中撓度),試件承載力結(jié)果如表 3 所示。試件加載過程當中,荷載與變形關系曲線發(fā)展呈三個階段:荷載作用初期,荷載與變形關系呈彈性;隨著荷載增大,變形增長速率明顯大于荷載增長速率,荷載與變形關系呈彈塑性;荷載達到屈服強度,荷載與變形關系呈水平線狀態(tài),變形進一步增大,碳纖維棒與試件剝離,加固失效。
表3 彈性階段承載力對比表 kN
圖6 荷載—應變關系曲線圖
為能更好地反映碳纖維棒加固鋼梁效果,分別取跨中撓度為 1、5、10、15、20 mm 時對應的荷載值作為比較,從荷載-變形圖中可知如下內(nèi)容。
1)當跨中撓度達到 10 mm 時,試件均達到屈服,但屈服點強度相差不大。加固狀態(tài)下,鋼梁屈服點強度最小值為 135.5 kN(試件 FS 1),屈服點強度最大值為143.5 kN(試件 FS 3);非加固狀態(tài)下,鋼梁屈服點強度為 138.8 kN,屈服強度相差范圍為± 3 %??梢?,加固效果不是很明顯。
2)達到屈服強度后,各試件撓度不斷增大,但變化曲線基本一致,呈水平線發(fā)展,且荷載值基本保持不變。
3)外部荷載的施加速度影響撓度變化的快慢,但最終的撓度與荷載變化關系基本是一致的。
從以上 4 個試驗可以看出,雖然考慮了碳纖維棒的加固位置、數(shù)量、加固長度和寬度,但最終的加固效果不是很明顯,屈服強度只提高了 3 % 左右,主要原因如下。
1)碳纖維棒和鋼梁的材料剛度不一,不能產(chǎn)生同步同向性的彎曲變形,當鋼梁發(fā)生變形時,碳纖維棒容易發(fā)生剝離現(xiàn)象,無法發(fā)揮碳纖維棒抗拉強度高的優(yōu)勢。
2)碳纖維棒加固鋼梁能提高小部分承載力的主要原因在于:碳纖維加固膠的粘結(jié)強度。不管碳纖維棒加固在鋼梁翼緣內(nèi)部與外部,加固過程的實質(zhì)就是破壞碳纖維加固膠粘結(jié)力的過程。
3)碳纖維棒加固鋼梁在彈性階段(取跨中撓度為1 mm、5 mm 時來分析),加固效果得到一定的體現(xiàn),承載力如表 3 所示。當跨中撓度為 1 mm 時,加固效果最好的是試件 FS 3,強度提高了 53 %,其原因是:碳纖維棒位于翼緣內(nèi)部,在加載初期,碳纖維棒限制了鋼梁的彎曲變形,間接提高了加固鋼梁的承載力;當跨中撓度為 5 mm 時,加固效果最好的是試件 FS 1,強度提高了6.7 %,其原因是碳纖維棒和加固膠承擔了一部分拉應力。但隨著荷載不斷增大,撓度變形不斷增加,碳纖維棒與鋼梁有剝離的趨勢,加固效果越不明顯,直至試件屈服。
在彈性階段中,碳纖維棒與鋼梁粘結(jié)狀況良好,曲變基本一致,近似可看作一個共同受力整體,此時加固截面符合材料力學中的平面假定條件,適用材料力學中的純彎曲梁正應力進行受力特征,分析如下。
①第一種情況。碳纖維棒加固在鋼梁翼緣外側(cè)(見圖 7),此時會出現(xiàn)最大拉應力。
圖7 翼緣外側(cè)加固截面
在彈性階段,由胡克定律可知,任意點的正應力與到中性軸的距離成正比,即:
式中:δ 為鋼梁橫截面正應力,Pa;E 為彈性模量,MPa;y0為應力點到中性軸的距離,mm;ρ 為曲率半徑,mm。
加固后,假設 H 型鋼梁和碳纖維棒的正應力分別表示為 δ1和 δ2,對應的彈性模量分別表示 E1和 E2,外彎矩為 M,碳纖維棒的厚度為 h2;則有:
由平衡條件,可知:
式中:M0為合力矩,N·m;A1為鋼梁受拉區(qū)面積,mm2;A2為碳纖維棒橫截面積,mm2;A 為橫斷面的總面積,mm2。
聯(lián)立公式(2)~(5),得到:
根據(jù)慣性矩定義,可以得到:
式中:I1為鋼梁截面慣性矩,mm4;I2為碳纖維棒截面慣性矩,mm4。
把(9)代入(2)和(3),可得:
加固鋼梁的最大正應力發(fā)生在彎矩最大處(本試驗中的梁跨中),且距離中性軸最遠的位置,由于 H 型鋼梁和碳纖維棒彈性模量為已知,因此可以通過等強度代換方法對加固效果進行代換,從而求出計算截面拉應力。
式中:α 為碳纖維棒與鋼梁彈性模量之比;E0I0為加固后截面總抗彎剛度,E1I1為 H 型鋼梁截面抗彎剛度,E2I2為碳纖維棒截面抗彎剛度,N·mm2。
整理公式(10)~(12),則有:
因此,加固截面的最大拉應力 δmax為:
如果采用n根碳纖維棒進行加固,則:
圖8 鋼梁角部加固截面
對比兩種不同位置加固的情況,結(jié)合公式(15)和(16),不難發(fā)現(xiàn):H 型鋼梁的翼緣厚度 h1和碳纖維棒的厚度 h2,相對抗彎剛度 E0I0而言,他們之間的比值很小,對加固作用影響甚微。因此,兩種情況的加固效果相差不明顯,加固后的拉應力值,可近似取 δ=(1+α)δ1。這個推理分析的結(jié)論與試驗結(jié)果基本一致,詳見表 3 中的數(shù)值對比分析。
4)碳纖維棒加固鋼梁在彈塑性階段(跨中撓度> 5 mm 時)和屈服階段(跨中撓度> 10 mm 時)時,碳纖維棒開始與鋼梁發(fā)生相對位移,承載力基本不變,撓度不斷增大(見表 4)。該階段中,由于發(fā)生剝離現(xiàn)象,加固后的鋼梁截面不符合平面假定,碳纖維棒和加固鋼梁不適合用彈塑性理論進行分析,加固失效。
1)碳纖維棒加固鋼梁時,碳纖維棒容易與鋼梁發(fā)生剝離,總體加固效果不明顯,起加固作用的,很大程度上取決于加固膠的粘結(jié)力,碳纖維棒沒有發(fā)揮自身的優(yōu)勢作用。
2)碳纖維棒加固鋼梁出現(xiàn)彈性階段、彈塑性階段、屈服階段。真正發(fā)揮加固作用的體現(xiàn)在彈性階段,并對彈性階段進行了等強度代換的分析計算,利用建立的承載力計算公式計算其承載力理論值,并與試驗值進行對比,吻合良好;彈塑性階段和屈服階段不符合平面假定,其加固后的承載力計算有待做進一步研究。
表4 彈塑性和屈服階段承載力 kN
3)碳纖維棒和鋼梁的材料變形特征不同,加固位置設定對加固效果影響不是很顯著。如果想進一步提高碳纖維棒加固鋼梁的效果,首先要解決碳纖維棒如何規(guī)避在彈塑性階段與鋼梁發(fā)生剝離問題。