預應力碳纖維板加固銹損鋼梁抗彎性能試驗研究

張宗星，徐宇軒，秦廣沖，徐善華，彭圣元

(1.中國礦業(yè)大學 力學與土木工程學院，江蘇 徐州 221116；2.中國船舶重工集團國際工程有限公司，北京 100121；3.西安建筑科技大學 土木工程學院，陜西 西安 710055)

長期處于腐蝕環(huán)境下的鋼結(jié)構工程，往往難以通過防護與構造措施避免銹蝕，導致鋼結(jié)構從滿足使用要求的安全狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橹饾u破壞或突然失效的危險狀態(tài)[1-2].然而，傳統(tǒng)鋼結(jié)構加固技術主要通過焊接、螺栓連接或粘結(jié)鋼板等方式，存在結(jié)構自重增加、施工不便、耐久性不足等問題[3-4].因此，如何有效加固銹損鋼結(jié)構并提升其承載性能，是土木工程領域亟需解決的關鍵問題.

碳纖維增強復合材料(CFRP)具有輕質(zhì)、高強、耐腐蝕和施工方便等優(yōu)點，廣泛應用于鋼結(jié)構加固修復[5-8].但現(xiàn)有研究表明碳纖維板在加固損傷結(jié)構過于被動，嚴重影響碳纖維板高強度的發(fā)揮，甚至造成結(jié)構優(yōu)先于碳纖維板破壞.而預應力CFRP加固技術可以解決以上難點[9].Zhou等[10]采用預應力CFRP板材加固鋁梁，試件抗彎剛度和極限承載力分別提升了32.8%、31.13%.賈永輝[11]通過預應力CFRP板加固損傷鋼梁實驗，發(fā)現(xiàn)預應力CFRP 板可以有效抑制帶缺陷鋼梁裂紋發(fā)展，提高鋼梁極限承載力.霍君華等[12]開展CFRP加固損傷鋼梁抗彎性能試驗研究，通過切除鋼梁部分下翼緣模擬局部腐蝕，但腐蝕引起的鋼結(jié)構缺陷與人為缺陷(線切割、焊縫)存在差異.銹蝕鋼結(jié)構表面粗糙不平，造成了鋼材塑性和斷裂韌性降低，形成了銹蝕表面與CFRP粘結(jié)層獨有的相互作用機理[13-14]，有必要針對預應力CFRP板加固銹蝕鋼梁的抗彎性能開展深入研究.

本文通過室外中性鹽霧試驗模擬近海大氣環(huán)境，得到銹蝕齡期為6個月的H型鋼構件.為了模擬鋼梁下翼緣易銹蝕的情況，將未腐蝕和腐蝕鋼梁沿腹板中心軸切割成兩個T形截面.并采用焊接方法，以腹板中軸為界，將T形截面焊接為下翼緣銹蝕而上翼緣未銹的拼接鋼梁，研究CFRP板加固銹蝕鋼梁受拉區(qū)對提升其正截面承載力的作用機理及界面應力分布的影響.

1 試驗概況

1.1 材料性能

依據(jù)GB/T 10125—2012《人造氣氛銹蝕試驗-鹽霧試驗》[15]和GB/T 24517—2009《金屬和合金的銹蝕戶外周期噴淋暴露試驗方法》[16]，采用中性鹽霧加速腐蝕試驗模擬近海大氣環(huán)境，對Q235B熱軋H型鋼進行快速腐蝕，總齡期為6個月.試件截面尺寸為150 mm×150 mm×6 mm×8 mm.從鋼梁翼緣截取板條制成標準試件進行拉伸試驗，腐蝕試件及鋼材本構關系如圖1所示.采用質(zhì)量損失率評價構件銹蝕程度，公式如下.

圖1 銹蝕試件及鋼材應力-應變曲線

(1)

式中：η為試件銹蝕率(%)，M0和M1分別為試件銹蝕前后的質(zhì)量(g).

CFRP板選用卡本公司的高強碳纖維板，規(guī)格為50 mm×2 mm，粘結(jié)劑為 Sikadur?-30CN 雙組份環(huán)氧結(jié)構加固碳板膠，基本力學性能為廠家提供參數(shù)，詳見表1.

表1 加固材料的力學性能

1.2 試件設計

通過中性鹽霧加速腐蝕試驗，得到銹蝕齡期6個月的試驗試件，并以腹板中軸為界，將未腐蝕和腐蝕鋼梁沿腹板中心軸切割成兩個T形截面.并采用焊接方法，控制150 mm的截面高度，以腹板中軸為界，將T形截面焊接為下翼緣銹蝕而上翼緣未銹的拼接鋼梁.另外，在鋼梁端部下翼緣打孔，通過螺栓連接方式固定碳纖維板.試驗共制作5根鋼梁，其中1根為完好鋼梁、1根為未加固銹蝕鋼梁、3根為不同預應力水平CFRP板加固的銹蝕鋼梁，具體制作過程見圖2.

圖2 試件加工過程

根據(jù)Sikadur?-30 CN加固膠使用說明，稱量Part A、Part B，按組分A∶B=3∶1(重量比)進行混合，最后用攪拌機混合呈均勻灰色.膠內(nèi)摻入少量直徑1 mm的鋼球控制膠層厚度，并用丙酮清洗打磨后的鋼梁表面，均勻涂膠.然后施加預應力，具體施加過程如下：將鋼梁置于張拉裝置中間，并用G字夾將其與底座鋼梁固定，防止張拉過程產(chǎn)生微小位移.然后將CFRP板錨固于固定端，并拉直CFRP板達到預應力水平后用高強螺栓夾緊.預應力水平通過粘貼在CFRP板中間的應變片讀數(shù)控制，同時預應力張拉過程，如圖3所示，試件主要參數(shù)見表2.

表2 試件主要參數(shù)

圖3 預應力張拉裝置

1.3 加載裝置及測點布置

加載初期，荷載每級增加30 kN；當試件屈服時，每級增加15 kN.試件一端為滑動鉸支座，水平方向可以適量移動，另一端為固定鉸支座.加載過程中鋼梁承受對稱集中荷載作用，間距為600 mm.試驗內(nèi)容測量包括應變和位移，力的控制通過力傳感器進行.試驗裝置如圖4所示，應變片粘貼位置見圖5.

圖4 加載裝置示意圖

圖5 試驗鋼梁應變片位置

2 試驗現(xiàn)象

通過試驗發(fā)現(xiàn)：未加固鋼梁的破壞形態(tài)為純彎段上翼緣局部失穩(wěn)，CFRP板加固鋼梁的破壞形態(tài)均為CFRP板的斷裂，且位置大多在加載點附近，具體破壞模式，如圖6所示.

圖6 不同銹蝕程度試件破壞模式

A-0 (未銹蝕鋼梁)：加載初期，試件變形較小，處于彈性變形階段.加載至0.7Pu(Pu為極限荷載)時，鋼梁跨中截面下翼緣屈服.加載至0.82Pu時，鋼梁上翼緣加載點處屈曲，跨中撓度達到16.54 mm.加載至0.89Pu時，鋼梁整體彎曲變形明顯，繼續(xù)緩慢加荷至402 kN時，鋼梁上翼緣屈曲，試件破壞.

A-1 (未加固銹蝕鋼梁)：加載初期與A-0相似.加載至0.67Pu時，鋼梁跨中下翼緣屈服.加載至0.78Pu時，鋼梁整體變形明顯，跨中撓度達到13.86 mm.加載至0.87Pu時，鋼梁上翼緣掉漆明顯，加載點處翼緣屈曲變形.加載至0.91Pu時，鋼梁下翼緣鐵銹大面積脫落，緩慢加載至346.33 kN時，上翼緣屈曲變形嚴重，鋼梁破壞.

B-1(銹蝕鋼梁，粘貼非預應力CFRP板)：加載初期試件變形小，處于彈性階段.加載至0.63Pu時，鋼梁跨中下翼緣屈服.加載至0.83Pu時，鋼梁上翼緣加載點局部屈曲.加載至0.91Pu時，鋼梁左側(cè)螺栓錨固處發(fā)出巨大響聲，膠層局部出現(xiàn)裂紋.加載至0.97Pu時，膠層發(fā)出頻繁響聲，持荷一段時間，跨中CFRP板與鋼梁基本脫離.加載至0.98Pu時，端部錨固處CFRP板撕裂破壞，加載至381.85 kN時，上翼緣屈曲嚴重，鋼梁破環(huán).此時鋼梁左側(cè)錨固端CFRP板產(chǎn)生5.0 mm滑移.

BP-1(銹蝕鋼梁，粘貼預應力度8%fu的CFRP板)：加載初期與B-1相似.加載至0.93Pu時，右側(cè)錨固端膠層出現(xiàn)四條細微裂紋，裂紋間距3 mm.加載至0.97Pu時，鋼梁上翼緣加載點處屈曲變形，突然膠層與碳板處發(fā)出巨大響聲，膠層與CFRP板大面積脫離.加載至0.98Pu時，鋼梁下翼緣右側(cè)(距離支座30 mm處)，CFRP板橫向被撕裂成段并縱向拉斷.加載至393.9 kN時，上翼緣屈曲，鋼梁破壞.此時鋼梁左側(cè)錨固處CFRP板滑移10 mm.

BP-2(銹蝕鋼梁，粘貼預應力度15%fu的CFRP板)：加載至0.63Pu時，鋼梁跨中撓度超過6.5 mm，達到正常使用極限狀態(tài).加載至0.88Pu時，鋼梁底部出現(xiàn)響聲，膠層出現(xiàn)裂紋.加載至426.88 kN時，鋼梁底部出現(xiàn)巨響，膠層與CFRP板大面積脫離，鋼梁底部左側(cè)CFRP板橫向撕裂，繼續(xù)緩慢加載，上翼緣中段屈曲變形，鋼梁破壞.此時鋼梁右側(cè)碳板產(chǎn)生10 mm滑移.

3 試驗結(jié)果分析

3.1 荷載-撓度曲線

試件的荷載-位移曲線，如圖7所示.從圖中可以看出，所有試件的荷載-位移曲線形式基本一致，但脫膠導致CFRP加固鋼梁曲線出現(xiàn)下降段，并由于錨固端的作用其承載力持續(xù)增加.

圖7 試件的荷載-撓度曲線

表3為試件的極限荷載和屈服荷載.從圖中可以發(fā)現(xiàn)，相對于未加固銹損鋼梁，CFRP板加固銹損鋼梁屈服承載力提高了2.56%～23.9%，極限承載力提高了7.95%～23.26%，預應力CFRP板比未施加預應力的具有更明顯的優(yōu)勢；相對于未銹損鋼梁，CFRP板加固銹損鋼梁屈服承載力恢復到86.64%～104.69%，極限承載力恢復到92.82%～105.98%，說明預應力CFRP板可將銹蝕鋼梁恢復至未銹蝕狀態(tài).

表3 試件極限荷載和屈服荷載對比

3.2 應變分析

3.2.1 平截面假定

試件跨中截面應變分布情況，如圖8所示.從圖中可以看出，鋼梁的跨中截面應變基本符合平截面假定，但中性軸并不位于H型鋼截面的對稱軸位置，而隨著荷載增加，逐漸下移.

圖8 試件跨中截面應變分布

3.2.2 CFRP板縱向應變分布

CFRP板縱向應變分布如圖9所示.試件達到剝離荷載前，CFRP板處于粘結(jié)狀態(tài)，應變沿鋼梁跨度方向變化規(guī)律明顯.當達到剝離荷載后，碳板處于無粘結(jié)應力狀態(tài)，沿長度方向應力重分布，CFRP板各位置應變基本相同.

圖9 碳板在不同荷載作用下的應變

3.2.3 界面剪應力分析

通過張貼在CFRP板表面應變片測得的應變，計算加固鋼梁界面剪應力為

(2)

式中：τi+0.5為應變片之間的剪應力，εi和εi+1分別為第i、i+1應變片的應變，ΔLi，i+1為應變片的距離.Ep和tp分別為CFRP板的彈性模量和厚度.

加載點位置的CFRP在不同荷載作用的界面剪應力如圖10所示.當剪應力達到最小值，CFRP板開始剝離.本文取界面剪應力最小對應的荷載作為CFRP板剝離荷載.試件剝離荷載，如表4所示.

表4 試件的剝離荷載

圖10 試件界面剪應力-荷載曲線

3.2.4 CFRP板強度利用率分析

CFRP板利用率為極限荷載對應的應變(包括初始應變)與其極限應變的比值.表5是試件不同階段的CFRP板利用率.其中初始應變?nèi)埨瓿珊蠓艔埨瓡r的瞬時應變，鋼梁屈服和極限荷載對應的應變?nèi)】缰蠧FRP板處.

表5 碳板利用率

由表5可知鋼梁屈服時，非預應力CFRP板加固鋼梁的碳纖維板利用率僅為18.9%，而15%fu預應力水平下CFRP板利用率提高到33.34%；對比極限狀態(tài)，非預應力CFRP板加固鋼梁的碳纖維板利用率為56.7%，造成大量的浪費.但預應力CFRP板的自身利用率顯著提高，其中15%fu預應力水平對應的利用率為71.59%.可見預應力CFRP片材能夠充分發(fā)揮材料性能，提升碳纖維板的利用率，使CFRP片材對結(jié)構起到主動加固的作用.

4 結(jié)論

(1)CFRP板加固銹損鋼梁的破壞均為CFRP板的撕裂，試件破壞后CFRP板產(chǎn)生5～10 mm縱向滑移.粘結(jié)剪應力主要集中在碳纖維板端部區(qū)域，且剪應力峰值出現(xiàn)在加載點；

(2)預應力CFRP板可有效提升銹損鋼梁承載力，最高達23.26%；相比于未銹損鋼梁，預應力CFRP板加固銹損鋼梁可將其極限承載力恢復至92.82%～105.98%，說明預應力CFRP板可將銹蝕鋼梁承載力恢復至未銹蝕狀態(tài)；

(3)預應力CFRP板加固鋼梁顯著提升CFRP板利用率，非預應力CFRP板加固鋼梁的碳纖維板利用率僅為56.7%，15%fu預應力水平對應的碳纖維板利用率為71.59%.