張宗星，徐宇軒，秦廣沖，徐善華，彭圣元

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

長期處于腐蝕環(huán)境下的鋼結(jié)構(gòu)工程，往往難以通過防護(hù)與構(gòu)造措施避免銹蝕，導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)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(xiǎn)狀態(tài)[1-2].然而，傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)加固技術(shù)主要通過焊接、螺栓連接或粘結(jié)鋼板等方式，存在結(jié)構(gòu)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(gòu)并提升其承載性能，是土木工程領(lǐng)域亟需解決的關(guān)鍵問題.

碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(CFRP)具有輕質(zhì)、高強(qiáng)、耐腐蝕和施工方便等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于鋼結(jié)構(gòu)加固修復(fù)[5-8].但現(xiàn)有研究表明碳纖維板在加固損傷結(jié)構(gòu)過于被動(dòng)，嚴(yán)重影響碳纖維板高強(qiáng)度的發(fā)揮，甚至造成結(jié)構(gòu)優(yōu)先于碳纖維板破壞.而預(yù)應(yīng)力CFRP加固技術(shù)可以解決以上難點(diǎn)[9].Zhou等[10]采用預(yù)應(yīng)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(yù)應(yīng)力CFRP板加固損傷鋼梁實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)預(yù)應(yīng)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(yàn)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(gòu)缺陷與人為缺陷(線切割、焊縫)存在差異.銹蝕鋼結(jié)構(gòu)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(dú)有的相互作用機(jī)理[13-14]，有必要針對預(yù)應(yīng)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(yàn)?zāi)M近海大氣環(huán)境，得到銹蝕齡期為6個(gè)月的H型鋼構(gòu)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(gè)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(jī)理及界面應(yīng)力分布的影響.

1 試驗(yàn)概況

1.1 材料性能

依據(jù)GB/T 10125—2012《人造氣氛銹蝕試驗(yàn)-鹽霧試驗(yàn)》[15]和GB/T 24517—2009《金屬和合金的銹蝕戶外周期噴淋暴露試驗(yàn)方法》[16]，采用中性鹽霧加速腐蝕試驗(yàn)?zāi)M近海大氣環(huán)境，對Q235B熱軋H型鋼進(jìn)行快速腐蝕，總齡期為6個(gè)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(biāo)準(zhǔn)試件進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，腐蝕試件及鋼材本構(gòu)關(guān)系如圖1所示.采用質(zhì)量損失率評價(jià)構(gòu)件銹蝕程度，公式如下.

圖1 銹蝕試件及鋼材應(yīng)力-應(yīng)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(qiáng)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(gòu)加固碳板膠，基本力學(xué)性能為廠家提供參數(shù)，詳見表1.

表1 加固材料的力學(xué)性能

1.2 試件設(shè)計(jì)

通過中性鹽霧加速腐蝕試驗(yàn)，得到銹蝕齡期6個(gè)月的試驗(yàn)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(gè)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(yàn)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(yù)應(yīng)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(jìn)行混合，最后用攪拌機(jī)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(yù)應(yīng)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(dá)到預(yù)應(yīng)力水平后用高強(qiáng)螺栓夾緊.預(yù)應(yīng)力水平通過粘貼在CFRP板中間的應(yīng)變片讀數(shù)控制，同時(shí)預(yù)應(yīng)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(yù)應(yīng)力張拉裝置

1.3 加載裝置及測點(diǎn)布置

加載初期，荷載每級(jí)增加30 kN；當(dāng)試件屈服時(shí)，每級(jí)增加15 kN.試件一端為滑動(dòng)鉸支座，水平方向可以適量移動(dòng)，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(yàn)內(nèi)容測量包括應(yīng)變和位移，力的控制通過力傳感器進(jìn)行.試驗(yàn)裝置如圖4所示，應(yīng)變片粘貼位置見圖5.

圖4 加載裝置示意圖

圖5 試驗(yàn)鋼梁應(yīng)變片位置

2 試驗(yàn)現(xiàn)象

通過試驗(yàn)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(diǎn)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(shí)，鋼梁跨中截面下翼緣屈服.加載至0.82Pu時(shí)，鋼梁上翼緣加載點(diǎn)處屈曲，跨中撓度達(dá)到16.54 mm.加載至0.89Pu時(shí)，鋼梁整體彎曲變形明顯，繼續(xù)緩慢加荷至402 kN時(shí)，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(shí)，鋼梁跨中下翼緣屈服.加載至0.78Pu時(shí)，鋼梁整體變形明顯，跨中撓度達(dá)到13.86 mm.加載至0.87Pu時(shí)，鋼梁上翼緣掉漆明顯，加載點(diǎn)處翼緣屈曲變形.加載至0.91Pu時(shí)，鋼梁下翼緣鐵銹大面積脫落，緩慢加載至346.33 kN時(shí)，上翼緣屈曲變形嚴(yán)重，鋼梁破壞.

B-1(銹蝕鋼梁，粘貼非預(yù)應(yīng)力CFRP板)：加載初期試件變形小，處于彈性階段.加載至0.63Pu時(shí)，鋼梁跨中下翼緣屈服.加載至0.83Pu時(shí)，鋼梁上翼緣加載點(diǎn)局部屈曲.加載至0.91Pu時(shí)，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(shí)，膠層發(fā)出頻繁響聲，持荷一段時(shí)間，跨中CFRP板與鋼梁基本脫離.加載至0.98Pu時(shí)，端部錨固處CFRP板撕裂破壞，加載至381.85 kN時(shí)，上翼緣屈曲嚴(yán)重，鋼梁破環(huán).此時(shí)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(yù)應(yīng)力度8%fu的CFRP板)：加載初期與B-1相似.加載至0.93Pu時(shí)，右側(cè)錨固端膠層出現(xiàn)四條細(xì)微裂紋，裂紋間距3 mm.加載至0.97Pu時(shí)，鋼梁上翼緣加載點(diǎn)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(shí)，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(shí)，上翼緣屈曲，鋼梁破壞.此時(shí)鋼梁左側(cè)錨固處CFRP板滑移10 mm.

BP-2(銹蝕鋼梁，粘貼預(yù)應(yīng)力度15%fu的CFRP板)：加載至0.63Pu時(shí)，鋼梁跨中撓度超過6.5 mm，達(dá)到正常使用極限狀態(tài).加載至0.88Pu時(shí)，鋼梁底部出現(xiàn)響聲，膠層出現(xiàn)裂紋.加載至426.88 kN時(shí)，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(shí)鋼梁右側(cè)碳板產(chǎn)生10 mm滑移.

3 試驗(yàn)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(dǎo)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(yù)應(yīng)力CFRP板比未施加預(yù)應(yīng)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(fù)到86.64%～104.69%，極限承載力恢復(fù)到92.82%～105.98%，說明預(yù)應(yīng)力CFRP板可將銹蝕鋼梁恢復(fù)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(yīng)變分析

3.2.1 平截面假定

試件跨中截面應(yīng)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(yīng)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(yīng)變分布

3.2.2 CFRP板縱向應(yīng)變分布

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

圖9 碳板在不同荷載作用下的應(yīng)變

3.2.3 界面剪應(yīng)力分析

通過張貼在CFRP板表面應(yīng)變片測得的應(yīng)變，計(jì)算加固鋼梁界面剪應(yīng)力為

(2)

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

加載點(diǎn)位置的CFRP在不同荷載作用的界面剪應(yīng)力如圖10所示.當(dāng)剪應(yīng)力達(dá)到最小值，CFRP板開始剝離.本文取界面剪應(yīng)力最小對應(yīng)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(yīng)力-荷載曲線

3.2.4 CFRP板強(qiáng)度利用率分析

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

表5 碳板利用率

由表5可知鋼梁屈服時(shí)，非預(yù)應(yīng)力CFRP板加固鋼梁的碳纖維板利用率僅為18.9%，而15%fu預(yù)應(yīng)力水平下CFRP板利用率提高到33.34%；對比極限狀態(tài)，非預(yù)應(yīng)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(fèi).但預(yù)應(yīng)力CFRP板的自身利用率顯著提高，其中15%fu預(yù)應(yīng)力水平對應(yīng)的利用率為71.59%.可見預(yù)應(yīng)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(gòu)起到主動(dòng)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(yīng)力主要集中在碳纖維板端部區(qū)域，且剪應(yīng)力峰值出現(xiàn)在加載點(diǎn)；

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

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