碳纖維板材加固鋼板拉伸與彎曲性能研究

寧榮 劉小山

摘要：對采用碳纖維板材加固后的試樣進(jìn)行單軸拉伸與抗彎性能試驗(yàn)，獲取有效的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。單軸拉伸試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，碳纖維板材加強(qiáng)后，試樣極限承載能力顯著提升?；匿摪迩?，碳纖維板與鋼板共同承擔(dān)載荷，鋼板屈服后，由于兩者應(yīng)變的差距，碳纖維板迅速發(fā)生界面分離或斷股現(xiàn)象。彎曲性能測試數(shù)據(jù)表明，碳纖維板材加固后的4mm鋼板與6mm基材鋼板的抗彎性能基本一致，而其重量只是基材鋼板的68%。

Abstract： The tensile and bending experiments of steel members strengthened by CFRP sheets have been carried out. The tensile experiment results show that the ultimate bearing capacity of the specimens strengthened by CFRP sheets are obviously improved. The CFRP sheet and steel plate can beer load together until the steel plate yield. Due to the gap between the strain， interface separation or broken strand take place quickly with the steel plate yield. The results of the bending experiment show that the bending properties are almost consistent between the 4mm steel plate strengthened by CFRP and 6mm steel plate. The weight of the 4mm steel plate? strengthened by CFRP sheet is 68% of that of the 6mm steel plate.

關(guān)鍵詞：碳纖維板材;極限承載力;彎曲正應(yīng)力

Key words： CFRP sheet;ultimate bearing capacity;bending normal stress

中圖分類號(hào)：U445.72? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）20-0052-03

0? 引言

傳統(tǒng)的焊接加固技術(shù)是目前普遍采用的金屬結(jié)構(gòu)加固修復(fù)方法，但由于現(xiàn)場焊接會(huì)帶來一系列問題，如焊接缺陷帶來的疲勞問題、焊接加強(qiáng)筋帶來的重量問題，同時(shí)焊縫附近易于發(fā)生電偶腐蝕等[1];近年來隨著纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（Fiber Reinforced Polymers，簡稱FRP）的開發(fā)應(yīng)用與高性能粘接劑的不斷改進(jìn)，人們研究發(fā)展了粘接FRP加固損傷結(jié)構(gòu)的技術(shù)。碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（Carbon Fiber Reinforced Polymers，簡稱CFRP ）加固修復(fù)混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)已經(jīng)成熟并應(yīng)用于混凝土梁、板、梁柱節(jié)點(diǎn)和橋墩等工程結(jié)構(gòu)的加固中，而對粘接CFRP加固修復(fù)金屬結(jié)構(gòu)這一技術(shù)的研究、試驗(yàn)和應(yīng)用相對來說比較少[2-4]。本文對粘貼了碳纖維板的基材鋼板進(jìn)行單軸拉伸和抗彎性能試驗(yàn)，研究基材鋼板與碳纖維板之間的相互作用、樣件的破壞現(xiàn)象、纖維板材提高極限載荷的程度等，為碳纖維板材加固鋼構(gòu)件或大型機(jī)械設(shè)備提供了理論分析與數(shù)據(jù)支撐，對于金屬構(gòu)件減重具有一定的實(shí)際意義。

1? 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

1.1 材料性能

碳纖維板材采用高強(qiáng)度條形板，其性能指標(biāo)見表1。粘接劑采用與碳纖維板配套的混合粘鋼膠。

基材鋼板材料Q345，其性能指標(biāo)見表2。

1.2 碳纖維板材粘貼方案

為了驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果的一致性，每種試樣分別制作3件，同時(shí)為了檢驗(yàn)碳纖維板材的加固效果，制作了不同厚度的彎曲性能試樣，具體的試樣制作方案如表3所示。

1.3 彎曲性能試驗(yàn)應(yīng)變片布置

應(yīng)變片具體粘貼位置及加載方案如圖1所示，試驗(yàn)時(shí)將板材一端固定，另一端施加載荷。本次試驗(yàn)只涉及靜態(tài)應(yīng)力測試，采用無線應(yīng)力測試儀器采集數(shù)據(jù)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

2? 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 單軸拉伸試驗(yàn)結(jié)果及分析

單軸拉伸試驗(yàn)的主要結(jié)果如表4所示。

由表4試驗(yàn)結(jié)果可看出，所有試樣斷于試樣中部，結(jié)果符合《低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼》相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，試驗(yàn)數(shù)據(jù)有效。對于未粘貼碳纖維板材的基材Q345，其受力過程明顯分為彈性變形、屈服、強(qiáng)化和縮頸4個(gè)階段，呈現(xiàn)典型的金屬樣件受力曲線，其拉伸載荷-形變曲線如圖2所示，斷裂位置如圖3所示。

對于粘貼了碳纖維板材的試樣，在試樣破壞之前，其受力過程可分為兩個(gè)階段，試樣屈服前，應(yīng)變隨載荷呈線性增長，其斜率與Q345基本相同，試樣處于彈性工作狀態(tài);第二階段試樣屈服后，鋼板進(jìn)入塑性工作狀態(tài)，載荷-應(yīng)變曲線斜率變緩，與加載初期相比應(yīng)變增長速度加大，碳纖維板承擔(dān)增加的載荷，隨著載荷的繼續(xù)增加，碳纖維板與鋼板的應(yīng)變逐漸分離，兩者不再協(xié)調(diào)變形，碳纖維板材的應(yīng)變滯后于鋼板，同時(shí)碳纖維板材出現(xiàn)輕微剝離或斷股現(xiàn)象，伴隨著明顯的爆裂聲，碳纖維板材被拉斷或完全剝離。隨后鋼板繼續(xù)承擔(dān)載荷，迅速發(fā)生縮頸，被拉斷。其載荷-形變曲線如圖4所示，斷裂位置如圖5所示。

同時(shí)從表3試驗(yàn)結(jié)果可以看出，粘貼了碳纖維板材的試樣極限載荷有顯著的提高，提高系數(shù)達(dá)到1.3左右，說明粘貼后形成新的復(fù)合材料有更高的極限承載能力，碳纖維板材發(fā)揮了作用，與基材鋼板較好地協(xié)同工作?；匿摪迩?，碳纖維板材與基材鋼板之間的應(yīng)變差主要是由于粘接膠層的剪切變形產(chǎn)生的。由于膠層很薄，碳纖維板材與基材鋼板之間應(yīng)變基本可以同步增長。鋼板屈服后，鋼板應(yīng)變迅速增大，復(fù)合材料的內(nèi)力重新發(fā)生分布，增加的載荷主要由碳纖維板才承擔(dān)，碳纖維板才的應(yīng)變迅速增加，界面的粘接應(yīng)力很快達(dá)到臨界粘接強(qiáng)度，同時(shí)由于加持部位有嚴(yán)重的應(yīng)力集中，碳纖維板材很快從加持部位發(fā)生界面剝離。上述現(xiàn)象表明，只有基材鋼板屈服后，碳纖維板材才真正發(fā)揮其有效的加強(qiáng)作用，碳纖維板材與金屬分離時(shí)，碳纖維板材的應(yīng)變也僅用到其極限應(yīng)變的一小部分，大約10%左右。如何保證基材鋼板發(fā)生屈服后，兩者不發(fā)生界面剝離是非常重要的，才能極大限度地提高這種新的復(fù)合材料的承載能力。

2.2 彎曲性能試驗(yàn)結(jié)果及分析

彎曲性能試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

由表5數(shù)據(jù)可以看出，應(yīng)力達(dá)到基材鋼板屈服應(yīng)力時(shí)，碳纖維板材加強(qiáng)的試樣承載能力顯著提高。圖6所示四種試樣應(yīng)力隨載荷的變化曲線。

從應(yīng)力-載荷變化曲線可以看出，碳纖維板材強(qiáng)化后4mm的試樣與6mm基材鋼板抗彎承載能力基本一致，而重量只是基材鋼板的68%;相比5mm基材鋼板的抗彎承載能力提高了約30%，其重量降低了12%。這一結(jié)果對于需要提高承載能力，同時(shí)需控制自身重量的結(jié)構(gòu)或設(shè)備均有積極的意義。

3? 結(jié)論

①用碳纖維板材加固的金屬基材，其極限承載能力顯著提高?；匿摪迩埃呖梢暂^好地協(xié)調(diào)工作，共同承擔(dān)載荷的增加。隨著載荷增加，基材鋼板發(fā)生屈服，碳纖維應(yīng)變變化落后于基材鋼板，導(dǎo)致碳纖維板脫膠分離;

②用碳纖維板材加固的金屬板材，其彎曲性能顯示提升。碳纖維板材加固后的4mm試樣抗彎性能顯著優(yōu)于5mm的基材鋼板樣品，與6mm基材鋼板性能基本一致，但重量只是基材鋼板的68%。

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