薛 耀 張 龍 曹雙寅 于 宙

(東南大學土木工程學院, 南京 210096)

低齡期下CFRP-鋼界面黏結性能試驗研究

薛 耀 張 龍 曹雙寅 于 宙

(東南大學土木工程學院, 南京 210096)

對低齡期下CFRP-鋼雙剪試件進行了軸向拉伸試驗,研究了不同養(yǎng)護時間下CFRP-鋼黏結界面峰值滑移量、黏結剛度、有效傳力長度及極限承載力的變化規(guī)律.試驗結果表明:CFRP-鋼界面峰值滑移量隨養(yǎng)護時間的增加而減小;養(yǎng)護1 d時界面具有比較穩(wěn)定的承載力和維持自身穩(wěn)定的剛度;養(yǎng)護3 d內強度和剛度迅速增加,有效傳力長度迅速減小,5～7 d內各參數(shù)趨于穩(wěn)定,由此認為合理養(yǎng)護時間應不少于3 d.基于此,推算出CFRP-鋼界面的養(yǎng)護時間建議值及不同低齡期下CFRP-鋼黏結承載力計算公式,為CFRP在鋼結構中的加固設計提供依據(jù).

CFRP-鋼;養(yǎng)護齡期;黏結性能

保證碳纖維布與鋼構件之間的有效黏結是決定CFRP加固修復鋼結構效果的關鍵因素.近年來,國內外學者對CFRP-鋼界面的黏結性能進行了大量研究.文獻[1-3]指出,CFRP-鋼界面破壞主要發(fā)生在膠層-鋼板界面,且有效黏結長度為40～100 mm,采用應變片測試的方法可以得出界面本構關系;文獻[4]提出了簡易的CFRP-鋼界面承載力理論公式;文獻[5-6]通過試驗、理論和有限元分析方法研究了CFRP-鋼界面承載力;文獻[7]結合已有試驗提出了CFRP-鋼黏結滑移雙線型本構模型.

在實際工程(如搶險加固工程等)中,常存在由于時間緊迫,結構在加固后較短時間內便需要受力的情況.目前,關于低齡期(小于7 d)養(yǎng)護條件下CFRP加固鋼結構界面性能的研究還較少,從而制約了CFRP在低齡期情況下的加固應用.為此,本文對低齡期養(yǎng)護條件下的CFRP-鋼界面黏結性能進行了試驗研究和探討.

1 試驗

1.1 試件設計

為研究低齡期不同養(yǎng)護時間下CFRP-鋼界面的黏結性能,試件的養(yǎng)護時間分別取為1,2,3,5,7 d.試件編號為Dt-v，其中t為養(yǎng)護時間，v為平行樣本測試序號.

本試驗采用CFRP-鋼雙剪試件,粘貼單層碳纖維布.如圖1所示,試件測試端CFRP粘貼長度為200 mm,在測試區(qū)域按照15 mm的間隔等距粘貼應變片,用以觀測CFRP應變的變化;錨固端CFRP粘貼長度為230 mm.

(a) 正視圖(單位:mm)

(b) 側視圖

1.2 材料性能及試件制作

試驗用鋼板采用4.8 mm厚的Q235鋼材.CFRP布采用0.167 mm厚碳纖維布,抗拉強度為3 750 MPa,彈性模量為210 GPa.浸漬膠采用配套的環(huán)氧樹脂浸漬膠,鋼-鋼拉伸抗剪強度為16.2 MPa.

根據(jù)圖1進行試件加工,按照文獻[8]的規(guī)定對試件表面進行處理.成型試件放入養(yǎng)護箱中養(yǎng)護,溫度為20 ℃,相對濕度為60%.

2 試驗結果及分析

2.1 黏結滑移曲線

黏結滑移曲線能夠反映界面的局部黏結性能,并受多種因素影響.其中,峰值滑移量和黏結剛度是表征該曲線特征的重要參數(shù).

由差分法原理計算得膠層各點處的界面剪應力τi,即

(1)

式中,εi為測點i處的CFRP應變;m,E分別為CFRP的厚度和彈性模量;Δli為測點i+1和測點i之間的距離.

從CFRP末端開始對其應變進行數(shù)值積分,可得到測點i處的局部滑移si,即

(2)

由式(1)和(2)可得同一測點在不同荷載下的剪應力和滑移量,進而得到該測點處的實測黏結滑移曲線.選取典型試件D5-1繪制實測黏結滑移曲線,結果見圖2.圖中,d為測點到中部縫隙的距離.

圖2 試件D5-1的黏結滑移曲線

對實測黏結滑移曲線進行簡化,可得界面黏結滑移本構關系曲線(見圖3).圖中,s0為峰值滑移量;smax為最大滑移量;τmax為最大剪應力.

圖3 CFRP-鋼界面黏結滑移本構關系曲線

定義曲線中線性上升段的峰值和原點之間的割線斜率(τmax/s0)為名義黏結剛度.各試件的峰值滑移量和名義黏結剛度計算結果見表1.

表1 各試件黏結滑移曲線控制參數(shù)

為研究齡期對黏結滑移曲線的影響,將各試件上典型測點的實測黏結滑移曲線進行對比,結果見圖4.由圖可知,曲線上升段和下降段的斜率隨著養(yǎng)護齡期的增加而明顯增大.齡期為1～2 d的曲線上升段斜率較小,峰值點不明顯;3 d后黏結滑移曲線的上升段和下降段呈明顯的雙線形.養(yǎng)護齡期較短(1～2 d) 時試件的峰值滑移量較大,峰值剪應力較小;隨著養(yǎng)護齡期的增加,峰值滑移量明顯減小,峰值剪應力則明顯增大,并逐漸趨于穩(wěn)定.當養(yǎng)護齡期不超過3 d時,試件的名義黏結剛度較小,約為50～90 MPa/mm.然而,隨著齡期的增加,名義黏結剛度明顯增長,增幅約為75%～100%.當養(yǎng)護齡期為5,7 d時,試件的名義黏結剛度趨于穩(wěn)定.

圖4 不同試件的黏結滑移曲線

參照CFRP-混凝土界面本構模型,采用Popovics公式對CFRP-鋼本構模型進行描述,即

(3)

式中,s為滑移量;τ為界面剪切應力;n為與曲線形式有關的參數(shù).

根據(jù)式(3)所得的擬合結果與部分試驗結果對比見圖5.

圖5 部分試驗結果與擬合結果對比

在分析Popovics模型曲線形式時,可以用峰值處的曲率作為評判曲線陡緩的指標.由式(3)可得峰值處的曲率為

(4)

擬合曲線中的相關系數(shù)、n值和K值等參數(shù)見表2.

表2 擬合曲線中相關參數(shù)

由圖5及表2可以看出,采用Popovics模型對實測黏結滑移曲線進行描述時擬合度較高,并且隨著養(yǎng)護齡期的增加,黏結滑移曲線逐漸捏縮,K值明顯增大.

2.2 界面受力性能

2.2.1 有效傳力長度

CFRP與鋼板之間的作用力是通過膠層的變形協(xié)調進行傳遞的.對于低齡期養(yǎng)護條件下的CFRP-鋼界面,其傳遞長度即為有效傳力長度.

養(yǎng)護齡期為1～2 d時典型試件D2-2的CFRP應變分布見圖6.圖中,P為荷載.由圖可知,低齡期養(yǎng)護條件下試件的有效傳力長度較長,且沒有出現(xiàn)逐次剝離現(xiàn)象,試件達到極限承載力后迅速破壞.

圖6 試件D2-2的CFRP應變分布圖

養(yǎng)護齡期為3～7 d時典型試件D3-1的CFRP應變分布見圖7.由圖可見,養(yǎng)護充分后,有效傳力長度顯著減小.當荷載達到剝離荷載時,試件出現(xiàn)明顯的逐次剝離.

圖7 試件D3-1的CFRP應變分布圖

養(yǎng)護1 d后試件的表面略顯潮濕,膠未固化完全,界面存在一定的黏滯滑移,但試件已具有初步的強度和剛度,因此破壞時CFRP應變較小,約為3×10-3;而養(yǎng)護2 d后試件表面已無潮濕感,膠已固化完全,此時CFRP最大應變?yōu)?×10-3.

各試件的有效傳力長度見表3.由表可知,隨著養(yǎng)護齡期的增加,有效傳力長度逐漸減小,3 d后則基本穩(wěn)定不變.

表3 各試件的有效傳力長度和極限承載力

2.2.2 極限承載力

對于粘貼長度大于有效傳力長度的單剪界面,極限承載力的計算公式為[4]

Pu=βPβafvbcfLe

(5)

為避免剝離時震顫對應變片的影響,進行數(shù)據(jù)分析時,最大剪應力由剝離前一級荷載時的應變得到.此外,由于試件制作中可能存在制作偏心,導致兩面碳纖維布不能同時剝離,故實測的雙剪試件極限承載力較理論值小.

試件D3-2和試件D7-2在制作過程中存在缺陷,膠層厚度分布不均勻且界面存在氣泡,導致這2個試件的極限承載力試驗值偏小.

在式(5)的基礎上考慮以下3個系數(shù):有效傳力長度時效系數(shù)βL、最大剪應力時效系數(shù)βτ和安全折減系數(shù)φ,其中βL,βτ可通過對試驗數(shù)據(jù)進行回歸分析得到.則低齡期養(yǎng)護條件下界面極限承載力的計算公式為

Pu=φβPβafv,tbcfLe,t

(6)

式中,Le,t,fv,t分別為養(yǎng)護td時試件的有效傳力長度和膠結劑抗剪強度，且

Le,t=βLLe=exp(0.036t2-0.484t+1.624)Le

fv,t=βτfv,7=exp(-0.033t2+0.428t-1.379)fv,7

代入實測的最大剪應力,即可得到fv,7≈0.85fv.

將式(6)中的指數(shù)項簡化為時效系數(shù)φt,則

由此可知，低齡期養(yǎng)護條件下的CFRP-鋼界面承載力為

Pu=0.85φφtβPβafvbcfLe

(8)

考慮到低齡期養(yǎng)護條件下CFRP-鋼界面的黏滯性較強,過早承受荷載對界面會產生不利影響,因此在計算CFRP-鋼界面極限承載力時,建議采用安全折減系數(shù)φ,其取值為0.6～0.8.此外,對于t=1～3 d時的CFRP-鋼界面,采用端部錨固或者增加粘貼長度等構造措施.

本試驗中沒有觀察到低齡期養(yǎng)護條件下極限承載力隨養(yǎng)護時間的明顯變化.其原因可能在于:在養(yǎng)護初期膠層存在黏滯滑移,導致有效傳力長度較大,抵消了膠層剪應力較小的影響;隨著養(yǎng)護時間的增加,雖然膠層剪應力增大,但有效傳力長度下降,故極限承載力沒有發(fā)生顯著變化.

3 結論

1) 低齡期養(yǎng)護條件下CFRP-鋼界面性能硬化規(guī)律如下:養(yǎng)護1 d時的試件界面存在黏滯性,但具有維持自身穩(wěn)定的強度和剛度;養(yǎng)護3 d時的試件界面參數(shù)指標逐漸趨于穩(wěn)定;隨著養(yǎng)護時間進一步的增加,界面力學性能略有提升,養(yǎng)護5～7 d時試件的力學性能基本不變.因此,推薦養(yǎng)護時間至少為3 d.

2) 基于各參數(shù)指標的分析,提出了低齡期下CFRP-鋼抗剪黏結承載力計算公式,可供相關加固設計參考.

References)

[1]Yu T, Fernando D, Teng J G, et al. Experimental study on CFRP-to-steel bonded interfaces[J].CompositesPartB:Engineering, 2012, 43(5): 2279-2289.

[2]Zhao X L, Zhang L. State-of-the-art review on FRP strengthened steel structures[J].EngineeringStructures, 2007, 29(8): 1808-1823.

[3]Teng J G, Yu T, Fernando D. Strengthening of steel structures with fiber-reinforced polymer composites[J].JournalofConstructionalSteelResearch, 2012, 78: 131-143.

[4]劉素麗.碳纖維布與鋼板的黏結機理研究[D].武漢:武漢大學土木建筑工程學院,2004.

[5]彭福明.纖維增強復合材料加固修復金屬結構界面性能研究[D].西安:西安建筑科技大學土木工程學院,2005.

[6]馬陽春.端錨碳纖維布-型鋼黏結界面受力性能研究[D].長沙:中南大學土木工程學院,2013.

[7]Xia S H, Teng J G. Behaviour of FRP-to-steel bonded joints [C]//ProceedingsoftheInternationalSymposiumonBondBehaviourofFRPinStructures. Hongkong, China, 2005: 411-418.

[8]中華人民共和國質量監(jiān)督檢驗檢疫總局,中國國家標準化管理委員會.GB/T 21526—2008結構膠黏劑:粘接前金屬和塑料表面處理導則[S].北京:中國標準出版社，2008.

Experimental study on bonding behavior of CFRP-to-steel interface under early curing age

Xue Yao Zhang Long Cao Shuangyin Yu Zhou

(School of Civil Engineering, Southeast University, Nanjing 210096, China)

The axial tensile tests of carbon fiber reinforced polymer(CFRP)-to-steel double shear specimen under early curing age were carried out. The variation laws of the peak slip value, the bonding rigidity, the effective force transmission length and the ultimate bearing capacity of the bonding interface of CFRP-to-steel under early curing age were ivestigated.The experimental results show that the peak slip values of the bonding interface of CFRP-to-steel decrease with the curing time passing by, and the interface has a stable bearing capacity and rigidity for self-stability with the curing age of 1 d. The strength and rigidity increase rapidly and the length of the effective force transmission decreases rapidly in 3 d. Meanwhile, these parameters tend to be stable in 5 to 7 d. Therefore, the reasonable curing age should be no less than 3 d. Based on these results, the recommended value of the curing age of CFRP-to-steel interface and the formulae of the bonding bearing capacity of CFRP-to-steel under different curing ages are put forward, providing a basis for strengthening design of CFRP in steel structures.

CFRP (carbon fiber reinforced polymer)-to-steel; curing age; bonding behavior

10.3969/j.issn.1001-0505.2015.02.028

2014-07-22. 作者簡介: 薛耀(1990—)，男，碩士生；曹雙寅(聯(lián)系人)，男，博士，教授，博士生導師，101000873@seu.edu.cn.

國家重點基礎研究發(fā)展計劃(973計劃)資助項目(2012CB026200).

薛耀,張龍,曹雙寅,等.低齡期下CFRP-鋼界面黏結性能試驗研究[J].東南大學學報:自然科學版,2015,45(2):360-363.

10.3969/j.issn.1001-0505.2015.02.028

TU391

A

1001-0505(2015)02-0360-04