姜 豐，史亞龍，王清遠(yuǎn)，3

（1.四川大學(xué)建筑與環(huán)境學(xué)院，成都 610065；2.深地科學(xué)與工程教育部重點實驗室，成都 610065；3.成都大學(xué)，成都 610106）

引言

鋼構(gòu)件經(jīng)常需要在連接等部位的板上開孔。開孔會削弱截面面積、造成孔口周圍的應(yīng)力集中，并導(dǎo)致構(gòu)件的靜力和疲勞性能降低。開孔鋼板的加固設(shè)計是工程應(yīng)用中較關(guān)鍵的問題。

使用結(jié)構(gòu)膠將CFRP膠接在結(jié)構(gòu)受損部位以提高其承載能力的方法能夠取得良好的加固效果［1］。與傳統(tǒng)的加固方法相比，CFRP擁有彈性模量較大、抗拉強(qiáng)度較高且疲勞性能好［2］等特點，特別適合于受拉鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的加固［3］。并且CFRP的形狀易于根據(jù)實際加固設(shè)計修剪，因此在開孔鋼板加固中的優(yōu)勢顯得尤為突出。

國內(nèi)外對于未受損鋼板加固的研究較多，研究了CFRP對鋼板加固試件的拉伸力學(xué)性能的改善，也提出了一些CFRP與鋼板共同工作問題的分析模型。碳纖維布粘接加固后的鋼板，在屈服之前能夠很好地工作，CFRP加固對鋼板屈服前的剛度影響較小，鋼板的屈服荷載提高較明顯，鋼板屈服后，由于CFRP布的應(yīng)變增長滯后，碳纖維布逐漸脫膠或拉斷［4-5］。馬建勛等發(fā)現(xiàn)脫膠程度和位置將對極限承載力有顯著的影響，因此結(jié)構(gòu)膠的性能對鋼板的加固起著重要的作用［6］。李耘宇等通過將CFRP布包裹鋼板復(fù)合而成的FRP／鋼復(fù)合板試驗發(fā)現(xiàn)，隨著CFRP布層數(shù)的增加，鋼板獲得了穩(wěn)定良好的二次剛度［7］。Bocciarelli和Colombi通過模擬，解析式和試驗的方式研究了鋼板和CFRP脫膠強(qiáng)度的影響因素，并推薦在鋼板的CFRP加固中，應(yīng)當(dāng)采用高斷裂能的結(jié)構(gòu)膠和高軸向剛度的CFRP布［8］。

盡管近年來學(xué)者對開孔鋼板CFRP方面做了較多的研究，然而還需要對一些問題做出進(jìn)一步的分析解釋：（1）CFRP加固對中心開孔鋼板試件的影響；（2）開孔鋼板CFRP布加固中CFRP布和鋼板的協(xié)同工作原理。

本文采用中心開孔鋼板CFRP加固單軸拉伸試驗，試驗了1－3層CFRP加固對6mm厚開孔鋼板的影響和1－2層CFRP加固對3 mm厚開孔鋼板的影響。另外，通過在試件鋼材表面和CFRP表面粘貼應(yīng)變片的方法測量試件在單軸拉伸荷載下各關(guān)鍵部位的應(yīng)變值，對比了開孔鋼板和雙面加固試件表面的應(yīng)變數(shù)據(jù)。

1 試驗方案設(shè)計

1.1 試件設(shè)計

試件長度為300 mm，寬度為30 mm，厚度分別為3 mm和6 mm，試驗加載時兩端各留35 mm的夾持長度。在鋼板正中心開設(shè)直徑為12 mm的圓孔，用以模擬實際工程中的情況，計算CFRP布的加固修復(fù)效果。所有CFRP的長度均為200 mm。試件具體構(gòu)造如圖1所示。試件均使用激光開孔。試件準(zhǔn)備時，將CFRP布剪成寬30 mm、長200 mm的長條形。鋼板表面先用砂輪打磨去除鐵銹，然后用脫脂棉蘸丙酮擦拭，去除表面油漬。將環(huán)氧樹脂粘接劑Sikadur 330的A組份和B組份按4∶1的比例調(diào)配好，均勻地涂抹在待加固鋼板表面，然后將CFRP布覆于環(huán)氧樹脂上，用滾輪將多余的環(huán)氧樹脂和氣泡擠出。試件做好后，在室溫環(huán)境下放置7天以上，待環(huán)氧樹脂凝固變硬后，使用電鉆在CFRP上開孔和去除孔口處擠出的環(huán)氧樹脂粘接劑。

圖1 試件尺寸和構(gòu)造

1.2 試驗設(shè)備

試驗在四川大學(xué)建筑與環(huán)境學(xué)院的島津萬能試驗機(jī)（型號為AG－Xplus 100 kN）上進(jìn)行，如圖2所示，加載速率統(tǒng)一控制為2 mm／min，試驗機(jī)每0.01 s自動記錄一次數(shù)據(jù)，所有試件均連續(xù)加載直至破壞。選用東華DH3816應(yīng)變箱進(jìn)行應(yīng)變片數(shù)據(jù)采集。在試件中間開孔位置安裝一個標(biāo)距50 mm的SSG50－10引伸計測量拉伸位移。

圖2 進(jìn)行中的單軸拉伸試驗

1.3 試驗材料和參數(shù)

3 mm鋼板和6 mm鋼板分別對應(yīng)規(guī)范GB／T700［14］和GB／T1591［15］中對應(yīng)的等級為 Q235和等級為 Q345的鋼材，由拉伸試驗測得鋼材應(yīng)力－應(yīng)變曲線，如圖3所示。鋼板使用激光切割開孔。CFRP布采用目前市場上常用的日本東麗UT70－30型CFRP布，作為一種脆性材料，CFRP沒有明顯的屈服點，在受拉斷裂前保持線劑，主要用于粘貼CFRP，具有良好的觸變性和機(jī)械強(qiáng)度，其主要力學(xué)性能參數(shù)根據(jù)產(chǎn)品說明書采用［16］。各個材料的基本力學(xué)性能見表1彈性。鋼材和CFRP布的彈性模量根據(jù)產(chǎn)品規(guī)格說明取210 Pa和252 GPa。Sikadur 330結(jié)構(gòu)加固環(huán)氧粘接膠是瑞士的西卡公司生產(chǎn)的一種高強(qiáng)度滲入型環(huán)氧樹脂粘著

表1 試驗材料的力學(xué)性能

圖3 鋼材應(yīng)力－應(yīng)變曲線

試件編號見表2。試件編號記為Sx－CDyL，其中x表示鋼板的厚度，CD表示鋼板兩側(cè)均使用CFRP補(bǔ)強(qiáng)加固，yL表示 CFRP布的層數(shù)。例如，S3－CD1L表示3 mm厚鋼板開孔試件使用一層CFRP雙側(cè)加固。

表2 試件參數(shù)及實驗結(jié)果

2 試驗結(jié)果

2.1 試驗現(xiàn)象

如圖4所示，將試驗中試件的破壞模式分為4類。模式Ⅰ：鋼板從中部拉斷，斷口處有頸縮現(xiàn)象；模式Ⅱ：CFRP全部被拉斷，該模式或伴隨局部由洞口開始的CFRP脫膠；模式Ⅲ：全部脫膠破壞，該模式或伴隨局部纖維布?xì)堄嗾辰瑁Ｊ舰笈c模式Ⅱ不同的是，最早的脫膠部位為碳纖維布兩端；模式Ⅳ：從未加固處斷裂破壞。不同編號的試件的破壞模式見表2。

模式Ⅱ的破壞過程為：在鋼板彈性階段過后，開孔處鋼板屈服，CFRP一直承受荷載，CFRP斷裂后承載力驟降，之后鋼板繼續(xù)承載迅速斷裂。在到達(dá)峰值荷載以前，可能在試件開孔處的應(yīng)力較大部位發(fā)生局部的脫膠或CFRP斷裂。在模式Ⅱ中，可以認(rèn)為此時鋼板和CFRP布之間的結(jié)構(gòu)膠具有足夠的粘接強(qiáng)度，所以鋼板和CFRP能夠共同承受荷載作用，直至在截面面積最小的開孔部位發(fā)生破壞。編號為S6－CD1L的試件破壞形態(tài)為模式Ⅱ。

1.整車銷售+自充電模式。該模式是電動汽車生產(chǎn)企業(yè)將電池和裸車一起銷售。該模式下能源供應(yīng)商建立基礎(chǔ)充電設(shè)施，由車主自行充電和維護(hù)電池，這種模式主要是“白天開車，晚上充電”。在這種情況下有幾點弊端，首先，當(dāng)電動汽車普及到一定程度時，大家都集中在下午下班或者晚上充電，這時供電壓力很大，對城市基礎(chǔ)用電容易產(chǎn)生不好的影響。其次，當(dāng)車主自行充電時，很難對電池進(jìn)行保養(yǎng)，電池使用效率大大降低，本來每組電池可以使用500次，變?yōu)榭赡苁褂?00次就不能使用了。這導(dǎo)致電動汽車的使用價格明顯高于傳統(tǒng)汽車，并且還沒有傳統(tǒng)汽車方便，使得市場競爭力低下。

圖4 破壞模式分類

模式Ⅲ的破壞過程為：在鋼板彈性階段過后，開孔處鋼板屈服，導(dǎo)致鋼板與CFRP之間的相對位移迅速增大，CFRP開始從兩端向中間脫膠，脫膠至開孔處后CFRP不受力，曲線驟降，之后鋼板承受拉力直至受拉破壞。在模式Ⅲ中，可以認(rèn)為此時鋼板與結(jié)構(gòu)膠的粘接強(qiáng)度小于CFRP與結(jié)構(gòu)膠的粘接強(qiáng)度，且鋼板與結(jié)構(gòu)膠的粘接強(qiáng)度已經(jīng)不能繼續(xù)保證協(xié)同受力，因此在鋼板界面發(fā)生脫膠。承載過程中，由于鋼板的塑性變形與CFRP產(chǎn)生變形差，結(jié)構(gòu)膠承受剪切力的作用，導(dǎo)致試件端部結(jié)構(gòu)膠應(yīng)力集中部位最先發(fā)生破壞，并逐漸向中部擴(kuò)展。這種破壞模式較多存在于多層CFRP加固試件中，如編號為S6－CD2L和S6－CD3L的試件。

2.2 開孔對試件抗拉承載力的影響

根據(jù)應(yīng)力集中系數(shù)手冊［17］，對于不同的鋼板寬度、厚度和開孔直徑，孔口兩側(cè)的應(yīng)力集中系數(shù)通常大于2。為了研究開孔對鋼板承載力的影響，使用開孔鋼板試件的極限承載力除以未開孔鋼板的極限承載力，計算了承載力系數(shù)Kb，見表2。同時，計算開孔鋼板的凈截面面積與未開孔鋼板橫截面面積的比值，為0.6。編號S6－C0和 S3－C0的試件 Kb的值分別為0.65和0.8，該數(shù)值大于0.6的凈截面面積率。因此，雖然開孔導(dǎo)致了應(yīng)力集中，但是極限荷載下的名義應(yīng)力卻沒有降低。這是因為，在開孔后局部應(yīng)力集中區(qū)發(fā)生屈服后，孔口塑性區(qū)開始擴(kuò)展，拉伸荷載可以繼續(xù)增大。綜上，凈截面面積率可以作為計算開孔鋼板和CFRP加固開孔鋼板極限抗拉承載力的參照，如果已知未開孔鋼板的極限抗拉承載力和開孔鋼板的開孔情況，就可以保守估算開孔鋼板或CFRP加固開孔鋼板的最低極限抗拉承載能力。

2.3 應(yīng)變分析

對編號S3－C0的試件和編號S3－CD1L的試件測試應(yīng)變。應(yīng)變片粘貼位置如圖5所示。

圖5 應(yīng)變片位置示意

由圖6測點應(yīng)變與荷載關(guān)系曲線可知，未加固試件S3－C0孔口處的測點2在荷載達(dá)到20 kN時，即表現(xiàn)出明顯的屈服現(xiàn)象，應(yīng)變迅速增大；而遠(yuǎn)離孔口的測點3和測點4的彈性階段較長，直到荷載達(dá)到30 kN后才出現(xiàn)塑性應(yīng)變；垂直于孔口的測點1的應(yīng)變一直維持在比較低的水平，并呈緩慢上升的趨勢，其間因為塑性區(qū)擴(kuò)展造成的應(yīng)力應(yīng)變重分布導(dǎo)致應(yīng)變有一個下降段。

圖6 各測點應(yīng)變－荷載曲線

由圖6中S3－C0試件和S3－CD1L試件各測點應(yīng)變數(shù)據(jù)對比，可知：（1）在荷載相同時，雙面CFRP加固試件孔口兩側(cè)的應(yīng)變2低于未加固試件的應(yīng)變2；在兩者均處于彈性階段時，雙面加固試件孔口處的應(yīng)變僅為未加固試件的40%左右。（2）S3－CD1L試件距離孔口較遠(yuǎn)的測點3處由于CFRP加固作用沒有屈服，而S3－C0試件遠(yuǎn)離孔口的測點3發(fā)生了屈服現(xiàn)象。（3）S3－C0試件和S3－CD1L試件沿孔口的測點1的應(yīng)變均維持在較低的水平。

3 試驗因素分析

以下研究CFRP層數(shù)和鋼板厚度對試驗結(jié)果的影響，將峰值荷載和位移、屈服荷載和位移、線性段剛度K1和二次剛度列在表3中。具體地，定義引伸計夾持區(qū)段0.2%的殘余應(yīng)變對應(yīng)的荷載為屈服荷載，屈服位移為屈服荷載對應(yīng)的引伸計測得的位移值，K1為試件線性段剛度，K2為屈服荷載與極限荷載之間的割線剛度。

3.1 CFRP層數(shù)的影響

隨著CFRP布層數(shù)的增加，CFRP層的剛度也逐漸增加。由表2中的破壞模式對比可知，S6試件隨著CFRP層數(shù)的增加，破壞類型由Ⅰ至Ⅲ發(fā)生轉(zhuǎn)變。說明隨著CFRP層數(shù)的增加，試件逐漸發(fā)生CFRP層和鋼板之間的粘接破壞，結(jié)構(gòu)膠粘接強(qiáng)度對試件的承載能力影響顯著。S3試件鋼板厚度較小，當(dāng)一層CFRP布加固時，發(fā)生了模式Ⅲ的全部脫膠破壞，當(dāng)兩層CFRP加固時，則從鋼板未加固處斷裂破壞。圖7中的位移數(shù)據(jù)是使用引伸計采集到的數(shù)據(jù)。由圖7可知，隨著CFRP層數(shù)的增加，試件的極限承載力增大，而極限位移卻減少。為了研究極限承載力和極限位移的變化趨勢，分別以S6－C0和S3－C0試件為基準(zhǔn)，計算系數(shù)K和系數(shù)D。即

表3 結(jié)果分析

圖7 荷載－位移曲線

如圖8所示，對于3 mm鋼板和6 mm鋼板的試件，隨著CFRP層數(shù)的增加，極限荷載的增長可以看作是線性的增長。加固試件的位移隨著CFRP層數(shù)的增加而減小，且1層CFRP時的減小趨勢最大，2層和3層CFRP時減小的趨勢逐漸減小。

由表3可知，隨著CFRP層數(shù)的增加，屈服位移基本不變，屈服荷載增加顯著。如圖8（c）所示，可視為S6試件屈服荷載隨CFRP層數(shù)的增加線性增長。具體地，S6試件加固后屈服荷載提高16%以上，S3試件加固后屈服荷載提高40%。

圖8 CFRP層數(shù)對試件的影響

試件加固后線性階段的剛度K1有所提高。對于S6試件，一層CFRP加固試件的K1沒有增加，而二層、三層CFRP加固試件的剛度K1基本相同，為未加固試件的1.51倍，由表2可知，CFRP材料的彈性模量比鋼板大，鋼板表面粘貼CFRP共同受力能夠增大試件的彈性剛度，隨著CFRP布層數(shù)的增加，CFRP層抗拉剛度增大，提高了CFRP層與鋼板的剛度比，使試件線性剛度的增加更加明顯。對于S3試件，一層CFRP加固試件的K1就已經(jīng)有了顯著的增加，為未加固試件的1.64倍。

如圖7和圖8（c）所示，CFRP加固試件的二次剛度K2增加顯著，可認(rèn)為S6試件二次剛度隨CFRP層數(shù)的增加線性增長。此外，對于S6試件，編號S6－C0的試件和編號S6－CD1L的試件其屈強(qiáng)比約為0.66，編號S6－C0的試件和編號S6－CD1L的試件其屈強(qiáng)比約為0.75，說明較低層數(shù)的CFRP加固使試件擁有更充足的強(qiáng)度儲備。

3.2 鋼板厚度的影響

CFRP對開孔鋼板的加固具有顯著提高極限承載力和減小極限位移的作用，但是不同厚度的鋼板，加固作用又有區(qū)別，主要原因是CFRP層與鋼板的剛度比不同。由表3中的數(shù)據(jù)可得：1層CFRP加固極限荷載比未加固試件提升31%，2層CFRP加固極限荷載比未加固試件提升51%。而6 mm開孔鋼板使用CFRP加固時，1層CFRP加固試件極限荷載比未加固試件提升18%，2層CFRP加固試件極限荷載比未加固試件提升24%。可以看出，同等層數(shù)的CFRP加固情況下，3 mm開孔鋼板極限荷載的提升幅度更大。這是因為CFRP具有很大的彈性模量和抗拉強(qiáng)度，越薄的鋼板厚度匹配越厚的CFRP層數(shù)，則CFRP和鋼板的剛度比越大，K1值將顯著增大。編號S3－CD2L的試件發(fā)生了未加固部位的破壞，說明此時加固后試件的開孔薄弱部位的強(qiáng)度已經(jīng)強(qiáng)于未加固部位，加固效果較好。

4 結(jié)論

采用中心開孔鋼板CFRP加固單軸拉伸試驗，討論了CFRP層數(shù)和鋼板厚度對開孔鋼板承載力的影響。通過在試件鋼材表面和CFRP表面粘貼應(yīng)變片的方法測量試件在單軸拉伸荷載下各關(guān)鍵部位的應(yīng)變值，分析了加載過程中未加固試件和單層CFRP雙面加固試件表面各點的應(yīng)變變化特征。得出以下結(jié)論：

（1）CFRP加固開孔鋼板在單軸拉伸荷載作用下有四種典型的破壞形態(tài)，破壞形態(tài)與CFRP的層數(shù)以及CFRP與鋼板之間結(jié)構(gòu)膠的粘接強(qiáng)度有關(guān)。

（2）雖然開孔導(dǎo)致了應(yīng)力集中，但由于孔口塑性區(qū)的擴(kuò)展，導(dǎo)致極限荷載下的名義應(yīng)力卻沒有降低。因此可以通過凈截面面積率保守估算開孔鋼板或CFRP加固開孔鋼板的最低極限抗拉承載能力。

（3）雙面加固試件孔口處的應(yīng)變低于相同荷載作用下未加固試件的應(yīng)變，彈性階段雙面加固試件孔口處的應(yīng)變僅為未加固試件的40%左右。相同荷載作用下，距離孔口較遠(yuǎn)的測點處由于CFRP加固作用沒有屈服，而未加固試件遠(yuǎn)離孔口處的測點發(fā)生了屈服現(xiàn)象。

（4）隨著CFRP層數(shù)的增加，試件的極限承載力呈線性增大，而極限位移卻減少。

（5）相同層數(shù)的CFRP加固下，隨著鋼板厚度的增加，CFRP與鋼板的剛度比減小，加固效果降低。

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