預應力碳纖維板加固銹損鋼梁抗彎性能試驗研究

張宗星，徐宇軒，秦廣沖，徐善華，彭圣元

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

長期處于腐蝕環境下的鋼結構工程，往往難以通過防護與構造措施避免銹蝕，導致鋼結構從滿足使用要求的安全狀態轉變為逐漸破壞或突然失效的危險狀態[1-2].然而，傳統鋼結構加固技術主要通過焊接、螺栓連接或粘結鋼板等方式，存在結構自重增加、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構并提升其承載性能，是土木工程領域亟需解決的關鍵問題.

碳纖維增強復合材料(CFRP)具有輕質、高強、耐腐蝕和施工方便等優點，廣泛應用于鋼結構加固修復[5-8].但現有研究表明碳纖維板在加固損傷結構過于被動，嚴重影響碳纖維板高強度的發揮，甚至造成結構優先于碳纖維板破壞.而預應力CFRP加固技術可以解決以上難點[9].Zhou等[10]采用預應力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]通過預應力CFRP板加固損傷鋼梁實驗，發現預應力CFRP 板可以有效抑制帶缺陷鋼梁裂紋發展，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，但腐蝕引起的鋼結構缺陷與人為缺陷(線切割、焊縫)存在差異.銹蝕鋼結構表面粗糙不平，造成了鋼材塑性和斷裂韌性降低，形成了銹蝕表面與CFRP粘結層獨有的相互作用機理[13-14]，有必要針對預應力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模擬近海大氣環境，得到銹蝕齡期為6個月的H型鋼構件.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對提升其正截面承載力的作用機理及界面應力分布的影響.

1 試驗概況

1.1 材料性能

依據GB/T 10125—2012《人造氣氛銹蝕試驗-鹽霧試驗》[15]和GB/T 24517—2009《金屬和合金的銹蝕戶外周期噴淋暴露試驗方法》[16]，采用中性鹽霧加速腐蝕試驗模擬近海大氣環境，對Q235B熱軋H型鋼進行快速腐蝕，總齡期為6個月.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準試件進行拉伸試驗，腐蝕試件及鋼材本構關系如圖1所示.采用質量損失率評價構件銹蝕程度，公式如下.

圖1 銹蝕試件及鋼材應力-應變曲線

(1)

式中：η為試件銹蝕率(%)，M0和M1分別為試件銹蝕前后的質量(g).

CFRP板選用卡本公司的高強碳纖維板，規格為50 mm×2 mm，粘結劑為 Sikadur?-30CN 雙組份環氧結構加固碳板膠，基本力學性能為廠家提供參數，詳見表1.

表1 加固材料的力學性能

1.2 試件設計

通過中性鹽霧加速腐蝕試驗，得到銹蝕齡期6個月的試驗試件，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根為不同預應力水平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)進行混合，最后用攪拌機混合呈均勻灰色.膠內摻入少量直徑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.然后施加預應力，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，防止張拉過程產生微小位移.然后將CFRP板錨固于固定端，并拉直CFRP板達到預應力水平后用高強螺栓夾緊.預應力水平通過粘貼在CFRP板中間的應變片讀數控制，同時預應力張拉過程，如圖3所示，試件主要參數見表2.

表2 試件主要參數

圖3 預應力張拉裝置

1.3 加載裝置及測點布置

加載初期，荷載每級增加30 kN；當試件屈服時，每級增加15 kN.試件一端為滑動鉸支座，水平方向可以適量移動，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.試驗內容測量包括應變和位移，力的控制通過力傳感器進行.試驗裝置如圖4所示，應變片粘貼位置見圖5.

圖4 加載裝置示意圖

圖5 試驗鋼梁應變片位置

2 試驗現象

通過試驗發現：未加固鋼梁的破壞形態為純彎段上翼緣局部失穩，CFRP板加固鋼梁的破壞形態均為CFRP板的斷裂，且位置大多在加載點附近，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，鋼梁跨中截面下翼緣屈服.加載至0.82Pu時，鋼梁上翼緣加載點處屈曲，跨中撓度達到16.54 mm.加載至0.89Pu時，鋼梁整體彎曲變形明顯，繼續緩慢加荷至402 kN時，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，鋼梁跨中下翼緣屈服.加載至0.78Pu時，鋼梁整體變形明顯，跨中撓度達到13.86 mm.加載至0.87Pu時，鋼梁上翼緣掉漆明顯，加載點處翼緣屈曲變形.加載至0.91Pu時，鋼梁下翼緣鐵銹大面積脫落，緩慢加載至346.33 kN時，上翼緣屈曲變形嚴重，鋼梁破壞.

B-1(銹蝕鋼梁，粘貼非預應力CFRP板)：加載初期試件變形小，處于彈性階段.加載至0.63Pu時，鋼梁跨中下翼緣屈服.加載至0.83Pu時，鋼梁上翼緣加載點局部屈曲.加載至0.91Pu時，鋼梁左側螺栓錨固處發出巨大響聲，膠層局部出現裂紋.加載至0.97Pu時，膠層發出頻繁響聲，持荷一段時間，跨中CFRP板與鋼梁基本脫離.加載至0.98Pu時，端部錨固處CFRP板撕裂破壞，加載至381.85 kN時，上翼緣屈曲嚴重，鋼梁破環.此時鋼梁左側錨固端CFRP板產生5.0 mm滑移.

BP-1(銹蝕鋼梁，粘貼預應力度8%fu的CFRP板)：加載初期與B-1相似.加載至0.93Pu時，右側錨固端膠層出現四條細微裂紋，裂紋間距3 mm.加載至0.97Pu時，鋼梁上翼緣加載點處屈曲變形，突然膠層與碳板處發出巨大響聲，膠層與CFRP板大面積脫離.加載至0.98Pu時，鋼梁下翼緣右側(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，上翼緣屈曲，鋼梁破壞.此時鋼梁左側錨固處CFRP板滑移10 mm.

BP-2(銹蝕鋼梁，粘貼預應力度15%fu的CFRP板)：加載至0.63Pu時，鋼梁跨中撓度超過6.5 mm，達到正常使用極限狀態.加載至0.88Pu時，鋼梁底部出現響聲，膠層出現裂紋.加載至426.88 kN時，鋼梁底部出現巨響，膠層與CFRP板大面積脫離，鋼梁底部左側CFRP板橫向撕裂，繼續緩慢加載，上翼緣中段屈曲變形，鋼梁破壞.此時鋼梁右側碳板產生10 mm滑移.

3 試驗結果分析

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，但脫膠導致CFRP加固鋼梁曲線出現下降段，并由于錨固端的作用其承載力持續增加.

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.從圖中可以發現，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%，預應力CFRP板比未施加預應力的具有更明顯的優勢；相對于未銹損鋼梁，CFRP板加固銹損鋼梁屈服承載力恢復到86.64%～104.69%，極限承載力恢復到92.82%～105.98%，說明預應力CFRP板可將銹蝕鋼梁恢復至未銹蝕狀態.

表3 試件極限荷載和屈服荷載對比

3.2 應變分析

3.2.1 平截面假定

試件跨中截面應變分布情況，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 試件跨中截面應變分布

3.2.2 CFRP板縱向應變分布

CFRP板縱向應變分布如圖9所示.試件達到剝離荷載前，CFRP板處于粘結狀態，應變沿鋼梁跨度方向變化規律明顯.當達到剝離荷載后，碳板處于無粘結應力狀態，沿長度方向應力重分布，CFRP板各位置應變基本相同.

圖9 碳板在不同荷載作用下的應變

3.2.3 界面剪應力分析

通過張貼在CFRP板表面應變片測得的應變，計算加固鋼梁界面剪應力為

(2)

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

加載點位置的CFRP在不同荷載作用的界面剪應力如圖10所示.當剪應力達到最小值，CFRP板開始剝離.本文取界面剪應力最小對應的荷載作為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 試件界面剪應力-荷載曲線

3.2.4 CFRP板強度利用率分析

CFRP板利用率為極限荷載對應的應變(包括初始應變)與其極限應變的比值.表5是試件不同階段的CFRP板利用率.其中初始應變取張拉完成后放張拉時的瞬時應變，鋼梁屈服和極限荷載對應的應變取跨中CFRP板處.

表5 碳板利用率

由表5可知鋼梁屈服時，非預應力CFRP板加固鋼梁的碳纖維板利用率僅為18.9%，而15%fu預應力水平下CFRP板利用率提高到33.34%；對比極限狀態，非預應力CFRP板加固鋼梁的碳纖維板利用率為56.7%，造成大量的浪費.但預應力CFRP板的自身利用率顯著提高，其中15%fu預應力水平對應的利用率為71.59%.可見預應力CFRP片材能夠充分發揮材料性能，提升碳纖維板的利用率，使CFRP片材對結構起到主動加固的作用.

4 結論

(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板產生5～10 mm縱向滑移.粘結剪應力主要集中在碳纖維板端部區域，且剪應力峰值出現在加載點；

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

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