龍?zhí)K強

（江西省公路工程檢測中心，江西 南昌 330013）

0 引言

借助黏結(jié)膠的黏結(jié)和固化功效，將碳纖維板材（Carbon Fiber Reinforced Plastic,CFRP）黏合到鋼結(jié)構(gòu)表面，可以把CFRP與鋼結(jié)構(gòu)黏結(jié)成一個整體，從而使鋼結(jié)構(gòu)得到加固。加固后部分外載荷會通過膠層傳遞給碳纖維復合材料，從而緩解鋼結(jié)構(gòu)受力，延緩橋梁裂隙的發(fā)展速度。本文就鋼體梁的纖維強化技術(shù)功效開展靜載試驗研究，以為同類工程應用提供參考。

1 試件的設計與制作

1.1 試件設計

試驗梁為H形熱軋鋼體梁，鋼標號Q235。梁長2500mm，梁高194mm，翼緣厚度和寬度分別為9mm和150mm，腹板厚度為6mm。支撐座與端部的距離為100mm。在支撐座位置增設了10mm厚的加力肋，以避免翼緣發(fā)生屈曲狀況，同時，在距支撐座900mm與650mm位置增設加勁肋，這個位置是反拱的受力點，也是下一次破壞加荷的受力點。

CFRP板預應力強化試驗梁試件主要設計參數(shù)見表1。表中所列千斤頂壓力系為一個千斤頂?shù)捻斖屏?。試驗梁采取預應力反拱CFRP加固方式。檢測試驗共設計參試鋼梁結(jié)構(gòu)4個，分成2組，A組是非CFRP預應力強化試驗梁試樣，用來作為對照組。B組在拉伸區(qū)底部貼一層厚1.2mm、寬100mm、長800mm的CFRP板材。通過千斤頂施加不同幅度的壓力，分析研究CFRP預應力措施對試驗梁的強化功效影響。

表1 CFRP板強化試驗梁主要參數(shù)

1.2 試件預處理

（1）梁體表面預處理。對試驗梁結(jié)構(gòu)表面開展磨砂處理，之后再以棉球進一步擦拭。這種表面預處理方法，能夠去除梁體表面原有的氧化物、鐵銹等雜質(zhì)，有利于形成梁體表面的黏結(jié)活性，是獲得和增強梁體初始黏結(jié)強度的結(jié)構(gòu)面條件保證。

（2）CFRP板預處理。粘貼前只需使用干凈抹布把CFRP板材表面抹凈即可滿足要求。如遇CFRP板材存在油漬等情況，可用棉球蘸丙酮溶液把油漬擦拭至干凈。

1.3 配置應變感受片

靜載試驗需記載的數(shù)據(jù)包括：載荷數(shù)據(jù)、CFRP板材縱方向應變數(shù)據(jù)、跨中部位腹板各高度應變數(shù)據(jù)、跨中撓度數(shù)據(jù)等。所采用的應變感受片規(guī)格為3mm×2mm，型號BX120-3AA，靈敏度為2.05，電阻值為120Ω，采集儀采用電阻靜態(tài)應變儀?？缰性O置測量點1個，左右以125mm的間距設置測量點2個。因為端部受力變化比較大，在錨固端邊緣每隔25mm設置測量點1個。在試驗梁跨中部的上下方，各配置1個撓度測量點。

2 加荷操作過程與要點

2.1 施加預應力

（1）預應力施加準備。將試驗梁放在支撐座上，然后置放分配梁和千斤頂。為避免梁體發(fā)生傾覆，必須確保分配梁和千斤頂所在位置對中。

（2）施加預應力。為了確保各部件間充分觸接，而且受力狀態(tài)良好，應先啟動千斤頂預壓，然后再分級加荷，每次加荷量取屈服載荷的20%標準。

（3）CFRP板粘貼。使用酒精溶液擦拭CFRP板材表面和梁體待強化位置，再把黏結(jié)膠的AB膠以2∶1的比例拌和均勻。然后用刮板將黏結(jié)膠均勻抹涂在鋼板的加固面上，盡可能使其厚度相同。把CFRP板材鋪置在待整固位置，使用刮板沿同一方向均勻壓擠CFRP板材，將其中的殘留氣體排出，并將CFRP板材兩側(cè)溢出的膠液刮掉。最后用重物壓在CFRP板材上，以確保黏結(jié)膠與CFRP板材充分結(jié)合，并在有連續(xù)載荷狀態(tài)下保持24h。

（4）預應力施加設備收撤。分級逐漸降低千斤頂?shù)膲毫?，并拆下加荷裝置，將檢測試驗梁翻轉(zhuǎn)過來。

2.2 加荷破壞

檢測試驗采取三分點單調(diào)集中靜力加荷方法，能夠確保結(jié)構(gòu)中間部分有較大的純撓度段。由千斤頂實施加荷，通過在千斤頂上端放一個感受器來控制頂升力的大小，梁體試加荷以后，千斤頂油泵需始終保持開啟狀態(tài)，否則頂推力會被卸載而降低。

2.3 加荷控制要點

（1）檢測試驗具體操作前，借助工程有限元軟件或通過理論計算，對梁體強化加固前后的屈服載荷、破壞載荷、極限載荷、特征載荷給予估算。

（2）梁體加荷采取分級加荷方式。為控制和保證載荷加施進度，加施過程必須盡量緩慢均勻。每級加荷應該至少要保持2～3min以上，當加荷到所需的載荷時，應靜止一段時間，以利于梁體順利發(fā)生形變。當加荷值與理論值較為接近時，宜適當控制和降低加荷量。由于具體加荷與理論狀態(tài)間存在一定偏差，適當控制和降低加荷量利于防止試驗過程中錯過特征載荷狀態(tài)。當梁體面臨損壞時，應控制和降低加荷進度并采取安全防范措施。

（3）卸荷時也應該采取分級卸荷操作，取相反于加荷過程的載荷量，分級給予卸荷。

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 試驗檢測結(jié)果

試驗梁A1系未施加CFRP板材預應力強化的試驗梁，僅對其實施抗彎毀壞。在到達屈服載荷以前，載荷應變和載荷撓度曲線均呈直線關(guān)聯(lián)變化。當載荷增加至168.04kN，撓度值增長速度加快，說明梁體部分結(jié)構(gòu)已經(jīng)開始呈現(xiàn)塑性。當載荷增加至175kN，已經(jīng)可以聽到梁體形變所引發(fā)的輕微聲響，經(jīng)過查看，系為黏結(jié)膠有所破壞。但是因為端錨固作用，所以CFRP板材還在繼續(xù)發(fā)揮作用，CFRP板材的應變?nèi)匀辉诩哟?。繼續(xù)加荷至187.68kN，梁體撓度值到達11.5mm，這是梁體正常應用的極限狀態(tài)。繼續(xù)加荷至205.14kN，此時結(jié)構(gòu)發(fā)出“咔嚓”聲響，CFRP板材測量點的應變急速降低，說明黏結(jié)膠全部損壞，此時CFRP板材端部出現(xiàn)剝離，梁結(jié)構(gòu)已經(jīng)遭受破壞。

試驗梁B1、B2、B3是CFRP板材預應力強化梁，應先對其進行反彎，并且在載荷作用下粘貼CFRP板材。黏結(jié)膠固化完成后，固定其端部并卸載千斤頂壓力。

試驗梁B1的抗彎過程所發(fā)生的試驗現(xiàn)象基本類似于試驗梁A1在相同階段的試驗現(xiàn)象。當載荷增加至172.82kN，撓度值的增長速度加快。當載荷增加至180kN，黏結(jié)膠有部分被損壞。當載荷增加至190.3kN，試驗梁的撓度值達11.5mm，達到試驗梁的正常應用極限狀態(tài)。當載荷繼續(xù)增加并達到208.47kN，試驗梁被損壞。梁體最后毀壞模式為CFRP板材強化處理的跨中區(qū)域發(fā)生剝離毀壞。

試驗梁B2，當載荷為174.15kN，撓度值增長速度加快。當載荷增加到182kN，黏結(jié)膠有部分被損壞。當載荷增加到190.64kN，試驗梁的撓度值達到11.5mm，達到試驗梁的正常應用極限狀態(tài)。繼續(xù)加荷到209.14kN，CFRP板材此時發(fā)生剝落，試驗梁已經(jīng)發(fā)生損壞。完成加荷卸載時，CFRP板材已經(jīng)被撕裂。

試驗梁B3，當載荷增加至175.54kN，梁體撓度值增長速度加快。當加荷到180kN，黏結(jié)膠發(fā)生部分損壞。當載荷增加到190.99kN，梁體撓度值是11.5mm，達到試驗梁的正常應用極限狀態(tài)。當載荷持續(xù)增加到206.85kN，梁體被損壞，最后毀壞模式為CFRP板材強化處理的跨中區(qū)域發(fā)生剝離毀壞。

3.2 載荷影響分析

（1）屈服載荷。試驗梁A1的屈服載荷為168.04kN，試驗梁B1的屈服載荷為172.82kN，試驗梁B2的屈服載荷為174.15kN，試驗梁B3的屈服載荷為175.54kN。預應力強化梁B1～B3的屈服載荷比未曾預應力強化的試驗梁A1分別增加了2.84%、3.64%和4.46%。

（2）正常工況的極限載荷?！朵摻Y(jié)構(gòu)設計規(guī)范》（GB 50017—2003）中，跨中位置撓度值達到梁體理論跨距的1/200時，則認定梁體達到其載承力的最大值。試驗梁B1～B3和試驗梁A1的最大載荷分別為190.3kN、190.64kN、190.99kN和187.68kN。試驗梁B1～B2的最大載荷比未經(jīng)預應力加強的試驗梁A1分別增加了1.76%、1.58%和1.40%?？梢缘贸鼋Y(jié)論，與未經(jīng)預應力加強的試驗梁相比，采取預應力強化措施的試驗梁的最大載荷顯著增強。

（3）破壞載荷。試驗現(xiàn)象顯示，此次檢測試驗中的所有破壞都是CFRP板材剝離破壞。試驗梁A1和B1～B3的 破 壞 載 荷 分 別 是205.13kN、208.46kN、209.13kN和206.84kN。試驗梁的破壞不但取決于載荷狀態(tài)，還取決于相關(guān)結(jié)構(gòu)端的固定水平和黏結(jié)膠的黏結(jié)功效。由于檢測精度等原因，不能確保這兩個變量完全一致，所以只可以粗略得知，預應力CFRP板材能夠大幅度提升應用該技術(shù)的強化梁的毀損載荷。

3.3 撓度與載荷的關(guān)系分析

反拱與卸荷階段，因為加荷較小，載荷跨中撓度關(guān)系曲線呈線性變化。在加荷破壞階段，加荷到試驗梁屈服載荷之前，撓度曲線呈直線演變狀態(tài)。預應力強化梁體的屈服載荷比未經(jīng)預應力強化的梁體的屈服載荷大，并且屈服載荷會隨預應力的增加而增大。

當載荷繼續(xù)增加，在超出屈服載荷但仍未達到極限載荷的區(qū)域時，跨中載荷撓度曲線會發(fā)生顯著的曲變段，此時曲線的斜率逐步加大，幾乎呈現(xiàn)二次曲線發(fā)展狀態(tài)。通觀4根試驗梁，曲線發(fā)展趨勢基本一致，只是拐點所對應的載荷不同。

3.4 應變狀態(tài)分析

在彈塑反應階段，試驗梁CFRP板材的最大應變值出現(xiàn)在加荷點處，最小應變出現(xiàn)在端部，跨中則相對較小。試驗梁在200kN反拱力作用時發(fā)生塑性影響關(guān)系，這時CFRP板材的應變急劇增加。但端區(qū)應變存在一定程度的滑移，而中間部分的應變不會增加太多。試驗梁B1～B3經(jīng)歷反拱階段后，仍保持了起始應變。CFRP板中部的起始微應變對應為549、713和878?？梢钥闯?，反拱力越大，則CFRP板材得到的起始微應變就會越大。

CFRP板材用于整固結(jié)構(gòu)時，判斷整固功效的主要技術(shù)指標就是強度利用率。依據(jù)此次CFRP板材中心應變測點剝離時的應變數(shù)據(jù)和達強度極限時的CFRP板應變比值，計算得出CFRP板材的功效發(fā)揮利用率，見表2。

表2 CFRP板材的功效利用率

4 理論計算與分析

假定全部材料均處在理想的彈塑狀態(tài)，因CFRP板材端部的錨固作用，當錨固與CFRP板端部距離超出0.1m時，可以不考慮膠層界面的剪應力。因此可以視為CFRP板材與試驗梁間不存在滑移，并且CFRP板材頂部的應變與試驗梁底部的應變基本一致。且CFRP板彎矩值較小，可認為彎矩值對應變的影響作用不大。

對比梁體屈服彎矩的檢測值與計算值，見表3。

表3 梁體屈服彎矩的檢測值與計算值

從表3數(shù)據(jù)可知，理論計算與試驗檢測結(jié)果基本一致。可以看出，CFRP板材加固鋼體梁屈服載荷較純鋼體梁有顯著提高。把純鋼體梁屈服載荷計算值和檢測試驗梁的檢測試驗值進行比較，可以得到預應力強化梁A1相較于純鋼體梁的屈服載荷增加了6.63%，并且預應力強化試驗梁B1～B3比純鋼體梁提升功效分別為9.66%、10.50%和11.14%。

5 結(jié)論

本文開展了碳纖維板材增強鋼體梁力學性能的靜載檢測研究，主要結(jié)論如下：

（1）預應力碳纖維復合材料可以有效增強鋼體梁的極限載荷和屈服載荷。試驗數(shù)據(jù)顯示，100kN、130kN和160kN的反拱預應力碳纖維強化鋼體梁相較于常規(guī)純鋼體梁，其極限載荷提升了1.40%、1.58%和1.76%，屈服載荷提升了2.84%、3.64%和4.46%。

（2）預應力強化梁A1的屈服載荷比純鋼體梁增加6.63%，預應力強化梁B1、B2和B3的屈服載荷分別比純鋼體梁增加9.66%、10.50%和11.14%。可以得出結(jié)論，CFRP板材增強鋼體梁技術(shù)可以有效提升鋼體梁的屈服載荷。