二次受力下CFRP板加固鋼梁抗彎承載力試驗研究
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完海鷹， 馮 然， 杜維鳳
（合肥工業(yè)大學土木與水利工程學院，合肥230009）
[摘要] 通過對碳纖維增強復(fù)合材料( CFRP)板加固受彎鋼梁進行受力分析，推導(dǎo)了二次受力下CFRP板加固鋼梁抗彎承載力計算公式。為驗證該計算公式的正確性，進行了4根CFRP板加固H型鋼梁的靜力試驗，并設(shè)置一根未加固鋼梁作為對比梁，然后用有限元分析軟件ANSYS進行模擬分析，并將理論計算結(jié)果、試驗結(jié)果及有限元分析結(jié)果進行對比。結(jié)果表明，CFRP板加固鋼梁的抗彎承載力隨初始應(yīng)力的增大而減小，所推導(dǎo)的抗彎承載力公式的理論計算結(jié)果與試驗結(jié)果及有限元分析結(jié)果較為吻合，表明該計算公式具有較高精度。
[關(guān)鍵詞] 二次受力；碳纖維增強復(fù)合材料；鋼梁加固；抗彎承載力
中圖分類號：TU391文章編號：1002-848X(2016) 05 -0075 -05
0 引言
近年來，隨著我國鋼產(chǎn)量的快速增長、結(jié)構(gòu)產(chǎn)業(yè)化的不斷推進以及政府大力發(fā)展鋼結(jié)構(gòu)的政策激勵，鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)業(yè)呈現(xiàn)出巨大的市場潛力。然而由于鋼材銹蝕、疲勞破壞、設(shè)計標準升級及使用荷載的增大，許多鋼結(jié)構(gòu)建筑需要進行加固處理。另外，隨著人們生活水平和使用要求的提高，許多新建或在建的鋼結(jié)構(gòu)建筑也常常面臨加固改造問題。因此，尋求一種經(jīng)濟而高效的鋼結(jié)構(gòu)加固技術(shù)對促進鋼結(jié)構(gòu)行業(yè)發(fā)展具有十分重要的現(xiàn)實意義。
碳纖維增強復(fù)合材料( CFRP)以其輕質(zhì)、高強、耐腐蝕、施工方便等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于混凝土結(jié)構(gòu)加固工程中，并逐步開始應(yīng)用到鋼結(jié)構(gòu)加固工程中。Miller等的研究中，采用CFRP板加固將鋼梁的剛度提高了至少10 010。Colombi等的試驗證實CFRP板加固能明顯提高鋼梁的抗彎承載力。彭福明等對CFRP加固鋼梁和組合梁進行了有限元分析，分析結(jié)果表明，損傷的鋼梁和組合梁粘貼CFRP布和CFRP板加固后，其性能恢復(fù)非常顯著，而且粘貼CFRP板的加固效果更加明顯。從以上研究成果可以看出，CFRP板在鋼結(jié)構(gòu)加固工程中具有較大的應(yīng)用潛力。
在實際鋼結(jié)構(gòu)加固工程中，由于施工條件的限制，往往存在構(gòu)件自重及無法完全卸載的荷載，此時對構(gòu)件進行加固就會產(chǎn)生二次受力問題。然而國內(nèi)對于CFRP板加固鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件，尤其是對考慮二次受力下CFRP板加固鋼結(jié)構(gòu)的研究很少，至今仍沒有系統(tǒng)的計算理論及相關(guān)規(guī)范標準。本文以二次受力下CFRP板加固受彎鋼梁為研究對象，通過理論推導(dǎo)、試驗分析和數(shù)值模擬研究其抗彎承載力，可為此類構(gòu)件的設(shè)計及鋼結(jié)構(gòu)加固設(shè)計規(guī)范的編制提供參考。
1 抗彎承載力計算公式
本次CFRP板加固鋼梁抗彎承載力計算研究針對的是無損鋼梁非預(yù)應(yīng)力情況，為簡化計算作以下假定：1）CFRP材料的應(yīng)力一應(yīng)變關(guān)系成線彈性，鋼梁為理想彈塑性材料，復(fù)合截面的應(yīng)變分布符合平截面假定；2）計算時忽略沿CFRP板厚度方向的應(yīng)變變化；3）CFRP板與鋼梁受拉翼緣之間完全貼合，二者無相對滑移；4）不考慮膠結(jié)層厚度的影響。
在進行受彎鋼構(gòu)件加固計算時，采用換算截面法，通過靜力等效原則將粘貼的CFRP板換算成鋼截面，從而得到一個加固后等效的鋼截面，如圖1所示。
通過考慮鋼構(gòu)件初始應(yīng)變來考慮二次受力的影響，并假設(shè)加固后構(gòu)件在受力過程中，受拉翼緣應(yīng)變與CFRP板應(yīng)變的差值始終為加固前構(gòu)件的初始應(yīng)變。本次研究以鋼梁受拉翼緣屈服為彈性承載力判斷標準，同時應(yīng)驗算CFRP板的應(yīng)變不超出允許應(yīng)變。推導(dǎo)了CFRP板加固鋼梁抗彎承載力計算公式，并將其轉(zhuǎn)換成國內(nèi)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計常用的公式表達形式，如下：
2.1試驗材料
鋼梁選用國內(nèi)常用的Q235鋼材，長2m、凈跨1. 8m，截面為HN250 x125 x6 x9。根據(jù)《金屬材料拉伸試驗第1部分：室溫試驗方法》( GB/T 228. 1-2010)對試件樣品進行拉伸試驗，測出其屈服強度為246MPa、彈性模量為206GPa。為防止集中荷載處翼緣板屈曲，在加載點及支座處腹板兩側(cè)各焊一塊厚度為10mm的橫向加勁肋。
本次試驗采用寬100mm、厚1.4mm的CFC3-1.4型CFRP板，其材料力學性能參數(shù)見表2。粘結(jié)劑選用辛普森SST Resin 220型結(jié)構(gòu)膠，為保證膠層厚度為1mm，在結(jié)構(gòu)膠中按1%的比例摻人直徑為1mm的小玻璃珠，根據(jù)廠家提供的材料參數(shù)及文獻附錄中粘結(jié)劑最大主應(yīng)力試驗計算方法，得到的粘結(jié)劑力學性能參數(shù)見表3。
2.2試驗裝置
試驗采用四點彎曲加載，加載點距支座650mm。為方便初始加載后CFRP板的粘貼及養(yǎng)
護，本次試驗采用反向加載方式，即鋼梁梁底朝上，千斤頂置于鋼梁下方，從下往上進行加載。為消除試件自重的影響，在加載至鋼梁全部抬起，脫離臨時支撐時，將數(shù)據(jù)采集儀進行清零。CFRP板加固鋼梁試驗裝置示意圖見圖2。為測量加載過程中鋼梁撓度變化，在鋼梁跨中及加載點處分別設(shè)置位移傳感計T1，T2；為研究CFRP板在不同荷載作用下的應(yīng)變分布，在CFRP板上沿中線布置應(yīng)變片G1~G9，并在鋼梁翼緣相應(yīng)位置粘貼應(yīng)變片G10~G14用來監(jiān)測CFRP板與鋼梁之間的滑移情況。位移傳感計T1，T2及應(yīng)變片G1~G14的具體位置見圖2。
3 有限元模擬
本文采用了ANSYS軟件對考慮初始應(yīng)力的CFRP板加固鋼梁的抗彎性能進行了數(shù)值模擬研究，在建立模型時，對鋼梁的模擬采用三維實體單元Solid45，對CFRP板的模擬采用彈性殼單元She1163，根據(jù)文獻[8]中實體一彈簧．殼元的建模方法，在模擬膠層時采用彈簧單元Combin14，在鋼梁受拉翼緣與CFRP板之間相應(yīng)的一對節(jié)點之間設(shè)置3個彈簧單元分別用來模擬膠層在X，Y，Z三個坐標方向上的剛度，單元網(wǎng)格劃分如圖3所示。
本次模擬中采用“生死單元法”來模擬構(gòu)件的二次受力情況，將構(gòu)件加載過程分兩個荷載步進行：第一荷載步“殺死”彈簧單元和CFRP板單元，僅激活鋼梁單元，加載至既定初始荷載；第二荷載步激活彈簧單元和CFRP板單元，繼續(xù)加載直至最終破壞。
4 結(jié)果及分析
圖4給出了所有試件的荷載一跨中位移曲線，從圖中可以看出：1）達到屈服前，試件的荷載．跨中位移曲線呈線性變化，達到屈服后，隨鋼梁剛度的逐漸退化，試件荷載一跨中位移曲線逐漸呈現(xiàn)出非線性趨勢；2）CFRP板加固后鋼梁的屈服荷載和極限荷載都有所提高，且提高程度隨初始應(yīng)力的增大而降低；3)加固鋼梁達到極限承載力后，CFRP板剝離，荷載迅速下降，試件的荷載一跨中位移曲線的性能趨向于非加固梁。
4.1承載力
加固鋼梁屈服荷載試驗值、理論計算值及數(shù)值模擬值對比結(jié)果見表4。從表中可以看出，屈服荷載的理論計算值與試驗值之比在0. 992~1.001之間，屈服荷載的ANSYS模擬值與試驗值之比在1. 031~1.064之間，屈服荷載的試驗值、理論計算值、ANSYS模擬值三者之間較為吻合，表明本文提出的抗彎承載力計算公式具有較好的精度，可以用來計算CFRP板加固受彎鋼梁的抗彎承載力。
從表4的數(shù)據(jù)還可以看出，粘貼相同數(shù)量的CFRP板加固鋼梁時，隨著初始應(yīng)力的增大，加固鋼梁的屈服荷載逐漸減小。因此，為提高粘貼CFRP板加固受彎鋼梁的加固效果，在實際施工過程中，應(yīng)盡量卸除作用在結(jié)構(gòu)上的荷載，當受條件限制無法全部卸除時，宜采取措施卸除大部分活荷載。
4.2剛度
從圖4的荷載一跨中位移曲線可以看出，在鋼梁屈服以前，CFRP板對鋼梁剛度的提高不大，主要是因為所貼的CFRP板的彈性模量較低，CFRP板的厚度也不大，從而對鋼梁剛度的提高作用較��；然而鋼梁進入塑性階段后，CFRP板對鋼梁剛度的提高較為明顯，且隨著初始應(yīng)力的增大，CFRP板在塑性階段對鋼梁剛度的提高程度減小。這是由于初始應(yīng)力越大，鋼梁的初始曲率也就越大，在鋼梁達到屈服時其變形越大，從而在進入塑性階段后，在相同的荷載作用下，加固鋼梁剛度退化越多。
4.3破壞模式
本次試驗為了詳細觀察CFRP板的剝離現(xiàn)象，沒有設(shè)置錨固設(shè)施，試驗中CFRP板加固鋼梁的破壞模式均為CFRP板與鋼梁發(fā)生剝離破壞，且剝離都發(fā)生在鋼梁屈服之后，如圖5所示。由于CFRP板的剝離破壞是脆性的，沒有任何預(yù)兆，且剝離后加固鋼梁的抗彎承載力迅速下降到原鋼梁水平，存在一定的危險性，因此可靠的錨固是十分必要的，建議在利用CFRP板對鋼梁進行加固時需對CFRP板采取有效的錨固措施。
從表5可以看出，在彈性階段，膠層中的最大主應(yīng)力均小于膠層允許主應(yīng)力，膠層不會發(fā)生破壞，與試驗過程中彈性階段未發(fā)現(xiàn)CFRP板剝離的現(xiàn)象相吻合。
4.4 CFRP板應(yīng)變分析
加固試件跨中鋼梁截面受拉翼緣和CFRP板的荷載-應(yīng)變曲線如圖6所示。從圖6中可以看出，對于不考慮初始應(yīng)力的試件，在彈性階段剛開始時，試件跨中截面CFRP板的應(yīng)變與鋼梁受拉翼緣的應(yīng)變基本保持一致，且CFRP板的應(yīng)變值略微大于鋼梁受拉翼緣的應(yīng)變值，符合理論公式的平截面假定。對于有初始應(yīng)力的鋼梁，試件跨中截面在彈性階段時CFRP板的應(yīng)變與鋼梁受拉翼緣的應(yīng)變之差基本上始終保持不變，符合理論公式中CFRP板與鋼梁受拉翼緣之間無粘結(jié)滑移的計算假定。
試件跨中截面CFRP板的荷載-應(yīng)變曲線的試驗值、理論值和模擬值的對比如圖7所示。從圖中可以看出，除試件S-4以外，其他試件跨中截面CFRP板應(yīng)變的試驗值與模擬值及理論值吻合較好，且試驗測得CFRP板的應(yīng)變值均略小于其理論值，說明本文所提出的抗彎承載力計算公式偏于安全。
試件S-4跨中截面CFRP板的應(yīng)變試驗值與模擬值及理論值之間存在較大偏差，可能是由于試件S-0~S-3在同一時間段加載，CFRP板加固時的溫度條件與加載時的溫度條件基本相同，而試件S-4加載時鋼梁所處的環(huán)境與CFRP板加固時存在一定溫度差，可能是這部分溫度效應(yīng)使得CFRP板的應(yīng)變受到影響，而在理論公式計算時忽略了這一點，在后續(xù)研究中將對CFRP板加固鋼梁的溫度效應(yīng)進行研究，并根據(jù)研究結(jié)果對本文所提出的抗彎承載力計算公式進行修正。
5 結(jié)論
(1) CFRP板加固鋼梁的屈服荷載和極限荷載都有所提高，且提高程度隨初始應(yīng)力的增大而降低，在利用CFRP板加固鋼梁時應(yīng)盡可能卸載鋼梁負載，以提高加固效果。
(2)在彈性階段，CFRP板端部膠層最大主應(yīng)力均小于膠層允許主應(yīng)力，CFRP板沒有發(fā)生剝離，且隨著初始應(yīng)力的增大，加固鋼梁屈服時CFRP板端部膠層最大主應(yīng)力逐漸減小。
(3) CFRP板加固鋼梁抗彎承載力計算公式中
的平截面假定及CFRP板與鋼梁受拉翼緣之間無滑
移的計算假定符合實際情況。
(4)本文所推導(dǎo)的CFRP板加固鋼梁抗彎承載力計算公式具有較高的精度，采用該公式計算得到的屈服荷載及應(yīng)變的理論計算值與試驗值及有限元模擬值吻合較好，計算合理，偏于安全。
(5)端部無錨固情況下，CFRP板加固鋼梁的破壞模式均為CFRP板與鋼梁的剝離破壞，且剝離破壞為脆性破壞，沒有明顯預(yù)兆，因此在實際工程中為保證加固的可靠性，應(yīng)采取適當?shù)腻^固措施。
