鋼結(jié)構(gòu)建筑粘結(jié)界面的受力性能研究

孫曉艷

（上海震旦職業(yè)學(xué)院，上海 201900）

0 引言

隨著各種需求的增加，建筑的功能性越來越多樣化。隨之而來的是建筑建造模式越來越多，不再僅限于混凝土建筑建造模型。鋼結(jié)構(gòu)建筑就是近年來新興的一種建筑模式，這種模式打破了房地產(chǎn)業(yè)、建筑業(yè)、冶金業(yè)之間的壁壘，實現(xiàn)了建筑的集成化建設(shè)。與傳統(tǒng)建筑結(jié)構(gòu)相比，這種建筑中由于大量使用了鋼板或型鋼替代了鋼筋混凝土，因此強(qiáng)度更高[1]。另外，當(dāng)建筑廢棄后，建筑中所使用的鋼材還可以回收再利用，不僅節(jié)省了鋼材資源，減少資源浪費(fèi)，同時也能減少建筑垃圾的產(chǎn)生。鋼結(jié)構(gòu)建筑也存在一定的缺陷，即無法有效地均衡受力，使得結(jié)構(gòu)容易損傷[2]。面對這種情況，通常情況下會在建筑高度應(yīng)力部分粘貼某些特殊材料，以緩沖這一部分受到的破壞力，從而提高鋼結(jié)構(gòu)建筑安全性[3]。在上述背景下，研究鋼結(jié)構(gòu)建筑粘結(jié)界面的受力性能是十分必要的。楊怡等人[4]，在其研究中首先制備了實驗試件，然后對其實施了拉伸剪切荷載實驗，通過粘貼的應(yīng)變片采集試件的應(yīng)變值，以此為基礎(chǔ)分析了試件剪應(yīng)力分布情況，計算試件剛度，確定了抗拉能力。李聰?shù)热薣5]，在其研究中，首先制備了兩種試件，即抗剪試件和抗拉試件，然后對試件加載荷載并利用位移計與應(yīng)變片讀取加載過程中試件的受力數(shù)據(jù)，以最后得到的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，分析了粘結(jié)界面的抗剪與抗拉性能。雖然前人研究都取得了一定成果，但是普遍沒有將溫度、濕度等考慮在內(nèi)，由于是通過粘結(jié)劑將某些特殊材料與鋼結(jié)構(gòu)粘結(jié)在一起的，粘結(jié)劑在一定程度會受到溫度、濕度的影響，影響粘結(jié)效果，從而影響受力性能。對于這種情況，結(jié)合前人研究經(jīng)驗，以實驗測試的方式進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)建筑粘結(jié)界面的受力性能分析。通過本研究以期分析不同影響因素下的鋼結(jié)構(gòu)建筑粘結(jié)界面的受力性能。

1 實驗材料與設(shè)備

1.1 實驗材料

鋼結(jié)構(gòu)建筑粘結(jié)界面的受力性能實驗中主要用到三類材料，即鋼板、加固材料以及粘結(jié)劑[6]。其中，所選擇的實驗基材鋼板型號為Q235，加固材料為日本生產(chǎn)UT70-30 碳纖維布，粘結(jié)劑包括界面劑和浸漬膠兩種，前者為西卡Sikadur-330CN 環(huán)氧樹脂膠，后者為卡本公司生產(chǎn)的CFRP 浸漬膠。材料的性能如表1 所示。

1.2 實驗設(shè)備

鋼結(jié)構(gòu)建筑粘結(jié)界面的受力性能實驗中主要用到的設(shè)備如表2 所示。

表2 實驗設(shè)備表Table 2 The experimental equipment

2 試件制作

基于表1 和表2 給出的相關(guān)材料、設(shè)備以及試劑，制作受力性能實驗所需要的試件，具體制備過程如下：

（1）試件材料處理

針對鋼板這一材料，處理分為3 步。1）試件切割：首先設(shè)計試件尺寸，即30 cm×15 cm×5 cm，在一塊大的鋼材上畫出該尺寸。利用切割機(jī)切割出來，得到若干個尺寸為30 cm×15 cm×5 cm 的鋼板。2）脫脂去塵處理：未經(jīng)處理的鋼片表面上附著著一層灰層油漬，其存在會妨礙粘結(jié)劑液體在鋼板表面的浸潤，因此需要去除掉鋼板表面的灰層油漬[7]。在這里可以通過丙酮溶液來實現(xiàn)，將鋼板放入到裝有丙酮溶液的容器中，浸泡5 min。這一處理過程需要注意兩點，一是浸泡時間不宜過長，丙酮具有一定的腐蝕性，浸泡時間過長會損害鋼板的本體，二是清洗過程中要佩戴塑膠手套和防護(hù)服，防止與身體皮膚直接接觸。浸泡完后，取出鋼板，用清水沖洗干凈并放入電熱鼓風(fēng)干燥箱中烘干表面的水分[8]。3）鋼板噴砂：噴砂的作用是在鋼板表面形成致密層，防止生銹以及生成氧化皮。由于噴砂過程中棕剛玉細(xì)砂會向著四面八方噴濺，容易造成傷害，所以工作人員需穿戴好防護(hù)服以及防護(hù)面罩。將棕剛玉細(xì)砂裝入噴砂罐中，利用空氣壓縮機(jī)向著鋼板表面噴棕剛玉細(xì)砂。噴射完成后，等待鋼板表面棕剛玉細(xì)砂凝固[9]。

針對碳纖維布，處理分為兩個步驟：1）碳纖維布裁剪：按照鋼板切割的尺寸，劃分好裁剪的界線并進(jìn)行碳纖維布剪裁。2）表面擦洗：利用干凈的布將碳纖維布表面擦洗干凈，去除表面的灰塵[10]。

（2）試件材料粘結(jié)

將上述處理好的兩種試件材料粘結(jié)在一起，具體過程如下：1）酒精擦洗鋼板并將其固定在試件制作平臺上。2）CFRP 浸漬膠制備：利用電子天平稱取CFRP 浸漬膠A 組和B 組并按照2∶1 比例混合在一起，利用攪拌器混合攪拌1 min[11]。3）涂膠：用刷子將配好的CFRP 浸漬膠均勻涂抹在鋼板上。這一過程需要注意的是涂膠厚度要盡可能均勻，膠層中沒有氣泡。當(dāng)出現(xiàn)厚度不均勻或有氣泡問題時，要用刷子反復(fù)多刷幾次。4）粘結(jié)：將碳纖維布對應(yīng)粘貼到鋼板上并利用油灰刀進(jìn)行抹壓，一方面為了保證碳纖維布與鋼板充分貼合，防止二者之間存在中空氣泡，另一方面也為了讓浸漬膠充分浸透碳纖維布[12]。5）加壓：在試件上放置壓塊，通過施加壓力的方式讓碳纖維布與鋼板充分粘結(jié)到一起，同時也讓粘結(jié)界面更加平整。6）溢膠處理，加壓后，會有一些膠液從邊緣溢出，需要用鏟子小心鏟除。7）固化：將試件靜置24 h，等待浸漬膠凝固。8）Sikadur-330CN環(huán)氧樹脂膠制備：與CFRP 浸漬膠制備步驟一樣，不進(jìn)行具體敘述。9）將Sikadur-330CN 環(huán)氧樹脂膠涂刷到碳纖維布上，膠層厚度約為1 mm，進(jìn)行粘結(jié)界面加固處理。10）等待Sikadur-330CN 環(huán)氧樹脂膠干燥，完成試件制作[13]。

3 受力性能測試

針對制備好的試件，對其進(jìn)行受力性能測試。測試分為三項內(nèi)容，即測點布置、加載方案、受力性能分析指標(biāo)[14]。

（1）測點布置

將電阻應(yīng)變片以及位移傳感器布設(shè)到制作好的試件上，布設(shè)方案如圖1 所示。

圖1 測點布置方案Fig.1 The layout of measuring points

（2）加載方案

利用液壓伺服萬能試驗機(jī)對試件施加荷載，可以用于金屬、非金屬材料的拉伸、壓縮、彎曲等力學(xué)性能試驗，如圖2 所示。

圖2 液壓伺服萬能試驗機(jī)示意圖Fig. 2 The schematic diagram of hydraulic servo-universal test machine

將試件安裝在試驗機(jī)上，在50 ℃、20 ℃以及-10 ℃三種工況下，采用位移來控制加載，加載速率為2.0 mm/min，每次加載，停留2 s，應(yīng)變片以及位移傳感器采集數(shù)據(jù)，同時觀察結(jié)構(gòu)的變形[15]。

（3）受力性能分析指標(biāo)

試件的受力性能的分析指標(biāo)有很多，在本研究中主要選取7 個來分析鋼結(jié)構(gòu)建筑粘結(jié)界面的受力性能，分別為開裂荷載、極限荷載、荷載-應(yīng)變曲線、荷載-位移曲線、抗剪強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度以及抗彎強(qiáng)度[16]。其中，抗壓強(qiáng)度計算公式如下：

式中，A 為試件破壞荷載；K 為試件承壓面積。

抗彎強(qiáng)度計算公式如下：

式中，F(xiàn) 代表抗彎強(qiáng)度；B 代表破壞載荷；L 代表跨距；g 代表試件寬度；h 代表試件厚度。

抗剪強(qiáng)度計算公式如下：

式中，H 代表抗剪強(qiáng)度；F 代表應(yīng)變；O 代表鋼板彈性模量；T 代表碳纖維布的彈性模量；G 代表試件厚度。

4 受力性能結(jié)果與分析

4.1 開裂荷載與極限荷載

不同溫度場工況下，試件的開裂荷載和極限荷載如圖3 所示。

圖3 極限荷載Fig. 3 The ultimate Load

從圖3 中可以看出，溫度會對鋼結(jié)構(gòu)建筑粘結(jié)界面的荷載承受能力產(chǎn)生影響。溫度高、溫度低都會導(dǎo)致試件的開裂荷載和極限荷載下降，且后者要比前者下降得更多，因為過低的溫度會導(dǎo)致膠層和鋼板的冷脆性提升，從而更容易發(fā)生開裂和破壞。

4.2 荷載-應(yīng)變曲線

從圖4 中可以看出，無論在何種溫度工況下，荷載-應(yīng)變曲線呈現(xiàn)的特點大致相同。開始的時候，隨著荷載增加，應(yīng)變值與之呈現(xiàn)正相關(guān)，但是當(dāng)過開裂荷載節(jié)點時，應(yīng)變值開始下降，然后繼續(xù)呈現(xiàn)上述趨勢，當(dāng)?shù)竭_(dá)極限荷載節(jié)點時，應(yīng)變值直線下降。

圖4 荷載-應(yīng)變曲線Fig. 4 The load-strain curve

4.3 荷載-位移曲線

從圖5 中可以看出，無論在何種溫度工況下，荷載-應(yīng)變曲線呈現(xiàn)的特點大致相同。在荷載加載初期，由于鋼板與碳纖維布都處于線彈性工作階段，位移隨著荷載的增加而增大。當(dāng)荷載增加到開裂荷載時，試件出現(xiàn)損傷，曲線斜率逐漸平緩。最后到達(dá)極限荷載后，界面粘結(jié)逐漸失效，荷載驟降并迅速降到0。

圖5 荷載-位移曲線Fig. 5 The load-displacement curve

4.4 抗壓強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度

從表3 中可以看出：

表3 試件的抗壓強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度表Table 3 The compressive strength, bending strength and shear strength of test pieces

1）-10 ℃時試件抗壓強(qiáng)度最低，20 ℃時試件抗壓強(qiáng)度最高，而50 ℃相對于20 ℃有所下降，但是下降程度并不大。

2）隨著溫度的升高，抗彎強(qiáng)度隨之降低。

3）不同的溫度工況下，抗剪強(qiáng)度相差不大。

5 結(jié)束語

隨著鋼結(jié)構(gòu)建筑的廣泛應(yīng)用，其粘結(jié)界面的受力能力成為關(guān)注的重點。鋼結(jié)構(gòu)建筑很容易出現(xiàn)某一部位集中受力的情況，這一部位往往需要承受很大的壓力，因此為緩解壓力，會粘結(jié)加固材料。在此背景下，進(jìn)行粘結(jié)界面的受力性能分析。針對制備好的試件，對其施加荷載，以分析其開裂荷載、極限荷載、荷載- 應(yīng)變曲線、荷載- 位移曲線、抗剪強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度以及抗彎強(qiáng)度等7 項受力性能指標(biāo)，明確了該試件的受力情況和受力特征，為其實際應(yīng)用提供了重要參考。