薛 耀 張 龍 曹雙寅 于 宙

(東南大學(xué)土木工程學(xué)院, 南京 210096)

低齡期下CFRP-鋼界面黏結(jié)性能試驗(yàn)研究

薛 耀 張 龍 曹雙寅 于 宙

(東南大學(xué)土木工程學(xué)院, 南京 210096)

對(duì)低齡期下CFRP-鋼雙剪試件進(jìn)行了軸向拉伸試驗(yàn),研究了不同養(yǎng)護(hù)時(shí)間下CFRP-鋼黏結(jié)界面峰值滑移量、黏結(jié)剛度、有效傳力長(zhǎng)度及極限承載力的變化規(guī)律.試驗(yàn)結(jié)果表明:CFRP-鋼界面峰值滑移量隨養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增加而減小;養(yǎng)護(hù)1 d時(shí)界面具有比較穩(wěn)定的承載力和維持自身穩(wěn)定的剛度;養(yǎng)護(hù)3 d內(nèi)強(qiáng)度和剛度迅速增加,有效傳力長(zhǎng)度迅速減小,5～7 d內(nèi)各參數(shù)趨于穩(wěn)定,由此認(rèn)為合理養(yǎng)護(hù)時(shí)間應(yīng)不少于3 d.基于此,推算出CFRP-鋼界面的養(yǎng)護(hù)時(shí)間建議值及不同低齡期下CFRP-鋼黏結(jié)承載力計(jì)算公式,為CFRP在鋼結(jié)構(gòu)中的加固設(shè)計(jì)提供依據(jù).

CFRP-鋼;養(yǎng)護(hù)齡期;黏結(jié)性能

保證碳纖維布與鋼構(gòu)件之間的有效黏結(jié)是決定CFRP加固修復(fù)鋼結(jié)構(gòu)效果的關(guān)鍵因素.近年來(lái),國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)CFRP-鋼界面的黏結(jié)性能進(jìn)行了大量研究.文獻(xiàn)[1-3]指出,CFRP-鋼界面破壞主要發(fā)生在膠層-鋼板界面,且有效黏結(jié)長(zhǎng)度為40～100 mm,采用應(yīng)變片測(cè)試的方法可以得出界面本構(gòu)關(guān)系;文獻(xiàn)[4]提出了簡(jiǎn)易的CFRP-鋼界面承載力理論公式;文獻(xiàn)[5-6]通過(guò)試驗(yàn)、理論和有限元分析方法研究了CFRP-鋼界面承載力;文獻(xiàn)[7]結(jié)合已有試驗(yàn)提出了CFRP-鋼黏結(jié)滑移雙線型本構(gòu)模型.

在實(shí)際工程(如搶險(xiǎn)加固工程等)中,常存在由于時(shí)間緊迫,結(jié)構(gòu)在加固后較短時(shí)間內(nèi)便需要受力的情況.目前,關(guān)于低齡期(小于7 d)養(yǎng)護(hù)條件下CFRP加固鋼結(jié)構(gòu)界面性能的研究還較少,從而制約了CFRP在低齡期情況下的加固應(yīng)用.為此,本文對(duì)低齡期養(yǎng)護(hù)條件下的CFRP-鋼界面黏結(jié)性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究和探討.

1 試驗(yàn)

1.1 試件設(shè)計(jì)

為研究低齡期不同養(yǎng)護(hù)時(shí)間下CFRP-鋼界面的黏結(jié)性能,試件的養(yǎng)護(hù)時(shí)間分別取為1,2,3,5,7 d.試件編號(hào)為Dt-v，其中t為養(yǎng)護(hù)時(shí)間，v為平行樣本測(cè)試序號(hào).

本試驗(yàn)采用CFRP-鋼雙剪試件,粘貼單層碳纖維布.如圖1所示,試件測(cè)試端CFRP粘貼長(zhǎng)度為200 mm,在測(cè)試區(qū)域按照15 mm的間隔等距粘貼應(yīng)變片,用以觀測(cè)CFRP應(yīng)變的變化;錨固端CFRP粘貼長(zhǎng)度為230 mm.

(a) 正視圖(單位:mm)

(b) 側(cè)視圖

1.2 材料性能及試件制作

試驗(yàn)用鋼板采用4.8 mm厚的Q235鋼材.CFRP布采用0.167 mm厚碳纖維布,抗拉強(qiáng)度為3 750 MPa,彈性模量為210 GPa.浸漬膠采用配套的環(huán)氧樹脂浸漬膠,鋼-鋼拉伸抗剪強(qiáng)度為16.2 MPa.

根據(jù)圖1進(jìn)行試件加工,按照文獻(xiàn)[8]的規(guī)定對(duì)試件表面進(jìn)行處理.成型試件放入養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù),溫度為20 ℃,相對(duì)濕度為60%.

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 黏結(jié)滑移曲線

黏結(jié)滑移曲線能夠反映界面的局部黏結(jié)性能,并受多種因素影響.其中,峰值滑移量和黏結(jié)剛度是表征該曲線特征的重要參數(shù).

由差分法原理計(jì)算得膠層各點(diǎn)處的界面剪應(yīng)力τi,即

(1)

式中,εi為測(cè)點(diǎn)i處的CFRP應(yīng)變;m,E分別為CFRP的厚度和彈性模量;Δli為測(cè)點(diǎn)i+1和測(cè)點(diǎn)i之間的距離.

從CFRP末端開始對(duì)其應(yīng)變進(jìn)行數(shù)值積分,可得到測(cè)點(diǎn)i處的局部滑移si,即

(2)

由式(1)和(2)可得同一測(cè)點(diǎn)在不同荷載下的剪應(yīng)力和滑移量,進(jìn)而得到該測(cè)點(diǎn)處的實(shí)測(cè)黏結(jié)滑移曲線.選取典型試件D5-1繪制實(shí)測(cè)黏結(jié)滑移曲線,結(jié)果見圖2.圖中,d為測(cè)點(diǎn)到中部縫隙的距離.

圖2 試件D5-1的黏結(jié)滑移曲線

對(duì)實(shí)測(cè)黏結(jié)滑移曲線進(jìn)行簡(jiǎn)化,可得界面黏結(jié)滑移本構(gòu)關(guān)系曲線(見圖3).圖中,s0為峰值滑移量;smax為最大滑移量;τmax為最大剪應(yīng)力.

圖3 CFRP-鋼界面黏結(jié)滑移本構(gòu)關(guān)系曲線

定義曲線中線性上升段的峰值和原點(diǎn)之間的割線斜率(τmax/s0)為名義黏結(jié)剛度.各試件的峰值滑移量和名義黏結(jié)剛度計(jì)算結(jié)果見表1.

表1 各試件黏結(jié)滑移曲線控制參數(shù)

為研究齡期對(duì)黏結(jié)滑移曲線的影響,將各試件上典型測(cè)點(diǎn)的實(shí)測(cè)黏結(jié)滑移曲線進(jìn)行對(duì)比,結(jié)果見圖4.由圖可知,曲線上升段和下降段的斜率隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加而明顯增大.齡期為1～2 d的曲線上升段斜率較小,峰值點(diǎn)不明顯;3 d后黏結(jié)滑移曲線的上升段和下降段呈明顯的雙線形.養(yǎng)護(hù)齡期較短(1～2 d) 時(shí)試件的峰值滑移量較大,峰值剪應(yīng)力較小;隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加,峰值滑移量明顯減小,峰值剪應(yīng)力則明顯增大,并逐漸趨于穩(wěn)定.當(dāng)養(yǎng)護(hù)齡期不超過(guò)3 d時(shí),試件的名義黏結(jié)剛度較小,約為50～90 MPa/mm.然而,隨著齡期的增加,名義黏結(jié)剛度明顯增長(zhǎng),增幅約為75%～100%.當(dāng)養(yǎng)護(hù)齡期為5,7 d時(shí),試件的名義黏結(jié)剛度趨于穩(wěn)定.

圖4 不同試件的黏結(jié)滑移曲線

參照CFRP-混凝土界面本構(gòu)模型,采用Popovics公式對(duì)CFRP-鋼本構(gòu)模型進(jìn)行描述,即

(3)

式中,s為滑移量;τ為界面剪切應(yīng)力;n為與曲線形式有關(guān)的參數(shù).

根據(jù)式(3)所得的擬合結(jié)果與部分試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比見圖5.

圖5 部分試驗(yàn)結(jié)果與擬合結(jié)果對(duì)比

在分析Popovics模型曲線形式時(shí),可以用峰值處的曲率作為評(píng)判曲線陡緩的指標(biāo).由式(3)可得峰值處的曲率為

(4)

擬合曲線中的相關(guān)系數(shù)、n值和K值等參數(shù)見表2.

表2 擬合曲線中相關(guān)參數(shù)

由圖5及表2可以看出,采用Popovics模型對(duì)實(shí)測(cè)黏結(jié)滑移曲線進(jìn)行描述時(shí)擬合度較高,并且隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加,黏結(jié)滑移曲線逐漸捏縮,K值明顯增大.

2.2 界面受力性能

2.2.1 有效傳力長(zhǎng)度

CFRP與鋼板之間的作用力是通過(guò)膠層的變形協(xié)調(diào)進(jìn)行傳遞的.對(duì)于低齡期養(yǎng)護(hù)條件下的CFRP-鋼界面,其傳遞長(zhǎng)度即為有效傳力長(zhǎng)度.

養(yǎng)護(hù)齡期為1～2 d時(shí)典型試件D2-2的CFRP應(yīng)變分布見圖6.圖中,P為荷載.由圖可知,低齡期養(yǎng)護(hù)條件下試件的有效傳力長(zhǎng)度較長(zhǎng),且沒有出現(xiàn)逐次剝離現(xiàn)象,試件達(dá)到極限承載力后迅速破壞.

圖6 試件D2-2的CFRP應(yīng)變分布圖

養(yǎng)護(hù)齡期為3～7 d時(shí)典型試件D3-1的CFRP應(yīng)變分布見圖7.由圖可見,養(yǎng)護(hù)充分后,有效傳力長(zhǎng)度顯著減小.當(dāng)荷載達(dá)到剝離荷載時(shí),試件出現(xiàn)明顯的逐次剝離.

圖7 試件D3-1的CFRP應(yīng)變分布圖

養(yǎng)護(hù)1 d后試件的表面略顯潮濕,膠未固化完全,界面存在一定的黏滯滑移,但試件已具有初步的強(qiáng)度和剛度,因此破壞時(shí)CFRP應(yīng)變較小,約為3×10-3;而養(yǎng)護(hù)2 d后試件表面已無(wú)潮濕感,膠已固化完全,此時(shí)CFRP最大應(yīng)變?yōu)?×10-3.

各試件的有效傳力長(zhǎng)度見表3.由表可知,隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加,有效傳力長(zhǎng)度逐漸減小,3 d后則基本穩(wěn)定不變.

表3 各試件的有效傳力長(zhǎng)度和極限承載力

2.2.2 極限承載力

對(duì)于粘貼長(zhǎng)度大于有效傳力長(zhǎng)度的單剪界面,極限承載力的計(jì)算公式為[4]

Pu=βPβafvbcfLe

(5)

為避免剝離時(shí)震顫對(duì)應(yīng)變片的影響,進(jìn)行數(shù)據(jù)分析時(shí),最大剪應(yīng)力由剝離前一級(jí)荷載時(shí)的應(yīng)變得到.此外,由于試件制作中可能存在制作偏心,導(dǎo)致兩面碳纖維布不能同時(shí)剝離,故實(shí)測(cè)的雙剪試件極限承載力較理論值小.

試件D3-2和試件D7-2在制作過(guò)程中存在缺陷,膠層厚度分布不均勻且界面存在氣泡,導(dǎo)致這2個(gè)試件的極限承載力試驗(yàn)值偏小.

在式(5)的基礎(chǔ)上考慮以下3個(gè)系數(shù):有效傳力長(zhǎng)度時(shí)效系數(shù)βL、最大剪應(yīng)力時(shí)效系數(shù)βτ和安全折減系數(shù)φ,其中βL,βτ可通過(guò)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析得到.則低齡期養(yǎng)護(hù)條件下界面極限承載力的計(jì)算公式為

Pu=φβPβafv,tbcfLe,t

(6)

式中,Le,t,fv,t分別為養(yǎng)護(hù)td時(shí)試件的有效傳力長(zhǎng)度和膠結(jié)劑抗剪強(qiáng)度，且

Le,t=βLLe=exp(0.036t2-0.484t+1.624)Le

fv,t=βτfv,7=exp(-0.033t2+0.428t-1.379)fv,7

代入實(shí)測(cè)的最大剪應(yīng)力,即可得到fv,7≈0.85fv.

將式(6)中的指數(shù)項(xiàng)簡(jiǎn)化為時(shí)效系數(shù)φt,則

由此可知，低齡期養(yǎng)護(hù)條件下的CFRP-鋼界面承載力為

Pu=0.85φφtβPβafvbcfLe

(8)

考慮到低齡期養(yǎng)護(hù)條件下CFRP-鋼界面的黏滯性較強(qiáng),過(guò)早承受荷載對(duì)界面會(huì)產(chǎn)生不利影響,因此在計(jì)算CFRP-鋼界面極限承載力時(shí),建議采用安全折減系數(shù)φ,其取值為0.6～0.8.此外,對(duì)于t=1～3 d時(shí)的CFRP-鋼界面,采用端部錨固或者增加粘貼長(zhǎng)度等構(gòu)造措施.

本試驗(yàn)中沒有觀察到低齡期養(yǎng)護(hù)條件下極限承載力隨養(yǎng)護(hù)時(shí)間的明顯變化.其原因可能在于:在養(yǎng)護(hù)初期膠層存在黏滯滑移,導(dǎo)致有效傳力長(zhǎng)度較大,抵消了膠層剪應(yīng)力較小的影響;隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增加,雖然膠層剪應(yīng)力增大,但有效傳力長(zhǎng)度下降,故極限承載力沒有發(fā)生顯著變化.

3 結(jié)論

1) 低齡期養(yǎng)護(hù)條件下CFRP-鋼界面性能硬化規(guī)律如下:養(yǎng)護(hù)1 d時(shí)的試件界面存在黏滯性,但具有維持自身穩(wěn)定的強(qiáng)度和剛度;養(yǎng)護(hù)3 d時(shí)的試件界面參數(shù)指標(biāo)逐漸趨于穩(wěn)定;隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間進(jìn)一步的增加,界面力學(xué)性能略有提升,養(yǎng)護(hù)5～7 d時(shí)試件的力學(xué)性能基本不變.因此,推薦養(yǎng)護(hù)時(shí)間至少為3 d.

2) 基于各參數(shù)指標(biāo)的分析,提出了低齡期下CFRP-鋼抗剪黏結(jié)承載力計(jì)算公式,可供相關(guān)加固設(shè)計(jì)參考.

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Experimental study on bonding behavior of CFRP-to-steel interface under early curing age

Xue Yao Zhang Long Cao Shuangyin Yu Zhou

(School of Civil Engineering, Southeast University, Nanjing 210096, China)

The axial tensile tests of carbon fiber reinforced polymer(CFRP)-to-steel double shear specimen under early curing age were carried out. The variation laws of the peak slip value, the bonding rigidity, the effective force transmission length and the ultimate bearing capacity of the bonding interface of CFRP-to-steel under early curing age were ivestigated.The experimental results show that the peak slip values of the bonding interface of CFRP-to-steel decrease with the curing time passing by, and the interface has a stable bearing capacity and rigidity for self-stability with the curing age of 1 d. The strength and rigidity increase rapidly and the length of the effective force transmission decreases rapidly in 3 d. Meanwhile, these parameters tend to be stable in 5 to 7 d. Therefore, the reasonable curing age should be no less than 3 d. Based on these results, the recommended value of the curing age of CFRP-to-steel interface and the formulae of the bonding bearing capacity of CFRP-to-steel under different curing ages are put forward, providing a basis for strengthening design of CFRP in steel structures.

CFRP (carbon fiber reinforced polymer)-to-steel; curing age; bonding behavior

10.3969/j.issn.1001-0505.2015.02.028

2014-07-22. 作者簡(jiǎn)介: 薛耀(1990—)，男，碩士生；曹雙寅(聯(lián)系人)，男，博士，教授，博士生導(dǎo)師，101000873@seu.edu.cn.

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973計(jì)劃)資助項(xiàng)目(2012CB026200).

薛耀,張龍,曹雙寅,等.低齡期下CFRP-鋼界面黏結(jié)性能試驗(yàn)研究[J].東南大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2015,45(2):360-363.

10.3969/j.issn.1001-0505.2015.02.028

TU391

A

1001-0505(2015)02-0360-04