摘要：為確保結(jié)構(gòu)安全，提升加固效果，研究碳纖維材料粘貼加固損傷建筑鋼結(jié)構(gòu)梁的受力性能。使用腐蝕方法準備損傷建筑鋼結(jié)構(gòu)梁，選擇碳纖維布作為粘貼材料，分別采用0、1、2層和是否箍筋錨固的搭配加固方式制備5個試件，測試不同加固方式后鋼結(jié)構(gòu)梁的受力性能變化。試驗結(jié)果表明，2層碳纖維布結(jié)合箍筋錨固加固的試件AN-4在不同粘接長度下，始終保持較高承載力，且與其他試件相比，該試件裂縫的長度和寬度更小，裂縫分布更為舒朗不影響使用，其他加固方式下的試件AN-0～AN-3裂縫較多且寬，影響正常使用。AN-4試件即使在加高溫度處理后仍舊保持較高軸拉強度，適合極端環(huán)境建筑鋼結(jié)構(gòu)梁使用。

關(guān)鍵詞：碳纖維材料；粘貼加固；損傷建筑；鋼結(jié)構(gòu)梁；受力性能

中圖分類號：TQ342+.742；TU375文獻標志碼：A文章編號：1001-5922（2025）02-0056-04

Research on the mechanical performance of steel structurebeams damaged by carbon fiber materialpasting and reinforcement

WANG Xun

（CCTEG Chongqing Engineering（Group）Co.，Ltd.，Chongqing 400016，China）

Abstract：In order to ensure the safety of the structure and improve the reinforcement effect，the mechanical perfor-mance of the steel structure beam of the building damaged by the pasting and reinforcement of carbon fiber material was studied.The corrosion method was used to prepare the damaged steel structure beam，and the carbon fiber cloth was selected as the pasting material，and five specimens were prepared by using the matching reinforcement meth-ods of 0，1，and 2 layers and whether the stirrups were anchored，and the mechanical performance of the steel struc-ture beam after different reinforcement methods was tested.The test results showed that the specimen AN-4 rein-forced by two-layer carbon fiber cloth combined with stirrup anchoring always maintained a high bearing capacity under different bonding lengths，and compared with other specimens，the length and width of the cracks of the speci-men were smaller，and the crack distribution was more comfortable and did not affect the use，while the specimen AN-0～AN-3 under other reinforcement methods had more cracks and wider，which affected the normal use.The AN-4 specimen retained high axial tensile strength even after high temperature treatment，which was suitable for the use of steel structure beams in extreme environments.

Key words：carbon fiber materials；paste reinforcement；damage to buildings；steel structure beams；stress perfor-mance

碳纖維材料粘貼加固損傷建筑鋼結(jié)構(gòu)梁，這種加固方法不僅能夠有效提升鋼結(jié)構(gòu)的承載力和剛度，還能顯著改善其疲勞性能和耐久性[1]。碳纖維材料與鋼材相比，碳纖維的彈性模量相近，但強度是鋼筋的5倍，這意味著在相同質(zhì)量下，碳纖維能提供更高的抗拉強度[2]。通過結(jié)構(gòu)膠（如環(huán)氧樹脂）將碳纖維片材或布材粘貼在損傷部位的表面，使碳纖維與鋼結(jié)構(gòu)形成一個新的復(fù)合體[3]。這個復(fù)合體在受力時，碳纖維與鋼結(jié)構(gòu)共同承擔荷載，減緩裂紋的擴展，甚至在某些情況下能夠阻止裂紋的進一步發(fā)展[4]。

國內(nèi)外已有大量研究和實踐證明，碳纖維加固技術(shù)在鋼結(jié)構(gòu)修復(fù)加固中具有顯著效果。提出使用碳纖維布結(jié)合膠粘劑，經(jīng)過熱壓，提升粘接效果，加強混凝土結(jié)構(gòu)的承載力，且確定膠粘樹脂的流變性不會影響加固后混凝土的抗壓強度[5]。研究使用碳纖維板加固后的銹損鋼梁，分析預(yù)應(yīng)力大小對于加固后鋼梁的承載力影響，試驗確定加載外部荷載會撕裂碳纖維布，最大剪切力出現(xiàn)在加載點之上[6]。使用碳纖維加固混凝土框架，通過地震振動臺測試加固后混凝土框架的動力學性能，驗證加固后框架的抗震性能，試驗確定加速度峰值在0.788 g時仍舊未出現(xiàn)倒塌，證明加固效果較為良好[7]。使用碳纖維增強鋼管，將加固后的材料置于逆斷層之中，測試加固后管線的力學性能變化，確定碳纖維加固能夠提升鋼管的抗壓性能[8]?；诖耍芯刻祭w維材料粘貼加固損傷建筑鋼結(jié)構(gòu)梁的受力性能，為今后建筑結(jié)構(gòu)性能提升提供參考。

1實驗材料與方法

1.1實驗材料

1.1.1原材料

建筑鋼結(jié)構(gòu)梁：陜西恒碩特鋼金屬材料有限公司，合金含量0.05%，Q235B鋼，無裂紋高強度；碳纖維布：重慶果宛新材料科技有限公司，抗高溫且蠕變性能強；粘接樹脂：無錫市致遠化學品有限公司，灰分小于0.5%，軟化點120℃。

1.1.2設(shè)備詳情

SYD-0713軸壓試驗機：滄州筑龍工程儀器有限公司；MTA100液壓疲勞試驗機：山東泉之源液壓技術(shù)有限公司；ZOT-80L恒溫試驗機：廣東中天儀器有限公司。

1.2實驗方法

1.2.1鋼結(jié)構(gòu)梁損傷設(shè)計

選取5根建筑鋼結(jié)構(gòu)梁，該梁的基本結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。將5根建筑鋼結(jié)構(gòu)梁（鋼號：Q235B）置于潮濕、腐蝕性環(huán)境中，使得鋼結(jié)構(gòu)梁表面出現(xiàn)銹蝕損傷，以這些銹蝕損傷的鋼結(jié)構(gòu)梁作為加固試驗對象。

1.2.2建筑鋼結(jié)構(gòu)梁表面處理

先使用角磨機在鋼結(jié)構(gòu)梁上磨平銹蝕損傷位置，將疏松脫落位置清除，再使用砂紙精細打磨銹蝕位置，保證損傷位置達到光滑平整狀態(tài)[9-10]。使用丙酮溶液沖洗打磨后位置，清除鋼結(jié)構(gòu)梁表面的油污，丙酮沖刷完成后，使用去離子水再次沖刷破損位置，完成沖刷后，使用脫脂棉擦拭鋼結(jié)構(gòu)梁表面，恢復(fù)結(jié)構(gòu)表面干燥性。

1.2.3粘貼碳纖維材料基本情況

使用碳纖維布（CFRP）作為研究的加固損傷建筑鋼結(jié)構(gòu)梁的粘貼碳纖維材料，使用基底樹脂作為碳纖維布和鋼結(jié)構(gòu)梁之間的粘接材料[11]。碳纖維布的基礎(chǔ)性能如表2所示。

1.2.4加固方式設(shè)計

為了驗證加固方式對于鋼結(jié)構(gòu)梁的影響，使用不同加固方式加固腐蝕損傷后的建筑鋼結(jié)構(gòu)梁，其中編號為AN-0的試件不用任何加固方式，作為對照組。各試驗組加固方式如表3所示。

1.3性能測試

1.3.1加固粘貼界面承載力分析

在損傷鋼結(jié)構(gòu)梁上使用碳纖維材料粘貼加固時，碳纖維的粘貼長度對于加固后界面承載力乃至整個試件的承載力都會產(chǎn)生直接影響[12-14]，使用式（1）計算粘貼界面的極限承載力（Pu）：

Pu= βl′ bf′ 2Gf Ef tf（1）

式中：Gf表示界面斷裂能；Ef與bf分別表示碳纖維布的彈性模量與粘接寬度；tf表示碳纖維布的厚度。

1.3.2疲勞荷載作用下試件裂紋變化

使用液壓疲勞試驗機向各個試件施加荷載，加載方式為正弦波常幅應(yīng)力，設(shè)定加載頻率為10 Hz，疲勞應(yīng)力幅值與極限應(yīng)力幅值分別設(shè)定為150 MPa和180 MPa，設(shè)定應(yīng)力比值為0.3，最低應(yīng)力設(shè)定為20 MPa[15]。待達到極限荷載時，停止加載；為了確定碳纖維加固后位置的裂縫變化，測量并觀察裂縫長度變化及分布變化。當循環(huán)加載至一定次數(shù)后，停止向試件施加疲勞荷載，加載速度設(shè)定為3 kN/s[16]。

1.3.3溫度條件對軸拉強度性能影響

鋼結(jié)構(gòu)梁應(yīng)用在建筑之中，除了自然環(huán)境中的高溫條件會影響鋼結(jié)構(gòu)梁的力學性能，如果遇到火災(zāi)等災(zāi)害，還會出現(xiàn)變形破壞的情況。因此，需要分析溫度條件變化對于拉力作用影響。為了加速試驗進程，溫度條件選擇100～600℃[17-18]，使用大型恒溫箱處理各個試件，升溫速率設(shè)定為4℃，保溫3 h以后，使用液壓試驗機向各個試件施加拉應(yīng)力，測試各個試件的軸拉強度。

2結(jié)果與討論

2.1不同粘貼長度對承載力影響

試驗測試過程中，調(diào)整粘接長度，測試不同碳纖維粘貼長度下，試件的極限荷載承載力變化如圖1所示。

由圖1可知，粘貼長度在0～120 mm時，隨著粘貼長度變化，各個試件的承載力呈現(xiàn)出上升變化趨勢，但是繼續(xù)增加粘貼長度至120～360 mm，各個試件的承載力幾乎沒有發(fā)生變化。說明粘貼長度在較大范圍變化時，并不會對試件的界面承載力產(chǎn)生明顯變化。經(jīng)過綜合分析后確定，為降低成本，實際應(yīng)用時選取粘貼長度為120 mm最佳。綜合圖1中的試驗結(jié)果可以看出，盡管各個試件的承載力變化較為接近，但是AN-4試件的承載力顯著高于其他試件，其中未經(jīng)加固的AN-0承載力最低。對比來看，AN-4試件方法加固損傷鋼結(jié)構(gòu)梁在不同粘貼長度下，承載力最佳。

2.2疲勞荷載作用下試件裂紋分布結(jié)果

向各個試件施加不同等級的疲勞荷載，加載完成后，拆除粘接加固的碳纖維材料及錨固材料，測量各個試件裂縫寬度與長度變化，試驗結(jié)果如圖2所示。

由圖2可知，各個試件所承受的荷載越大，試件上加固位置的裂縫長度和寬度都發(fā)生增加，說明盡管有碳纖維布和其他材料的加固，但是在較大荷載作用下，導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)梁發(fā)生破壞。對比來看，不加固的鋼結(jié)構(gòu)梁裂縫既寬且長，使用兩層碳纖維布同時搭配箍筋錨固，雖然在較大荷載破壞下也會出現(xiàn)裂縫；但相對來看，裂縫的寬度與長度更小，受力性能也更加可觀。

各個試件在卸載以后出現(xiàn)的裂縫分布情況如圖3所示。

圖3中裂縫的實際觀測效果與圖2中的測量結(jié)果基本一致，AN-0未加固和AN-1一層碳纖維加固的試件受到荷載影響出現(xiàn)較大、較密裂縫，受力性能較差，對比各個試件，AN-4試件的裂縫最少，受力性能相對更好。

2.3溫度條件對軸拉強度影響

各個試件經(jīng)過高溫處理后，軸拉強度相關(guān)數(shù)值變化如圖4所示。

由圖4可知，升高處理試件的溫度，會導(dǎo)致試件的軸拉強度相關(guān)參數(shù)發(fā)生明顯下降變化，說明所研究的鋼結(jié)構(gòu)梁受到高溫影響，承受拉力的性能降低。對比各個試件的軸拉強度變化，使用兩層碳纖維結(jié)合箍筋錨固加固后的試件AN-4軸拉強度相對較好，更加適合長期使用。

3結(jié)語

研究碳纖維材料粘貼加固損傷建筑鋼結(jié)構(gòu)梁的受力性能，選擇碳纖維布作為粘貼加固材料，使用不同粘貼方式在鋼結(jié)構(gòu)梁上纏繞粘貼碳纖維布材料，制備5個不同試件，測試各個試件的受力性能。相比于未加固鋼結(jié)構(gòu)梁，使用2層碳纖維并箍筋錨固加固的試件具有更加良好的承載力，且該試件在循環(huán)荷載下出現(xiàn)的裂縫也更少，沒有發(fā)生明顯破壞，同時使用該加固方式的試件即使在高溫條件下，依舊保持較為良好的軸拉強度，具有良好的應(yīng)用價值。

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（責任編輯：蘇幔，平海）