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CFRP加固受壓中長(zhǎng)圓管柱穩(wěn)定試驗(yàn)研究

2018-07-20 03:38:54完海鷹劉浩合肥工業(yè)大學(xué)土木與水利工程學(xué)院安徽合肥230009
安徽建筑 2018年3期
關(guān)鍵詞:圓管極差偏心

完海鷹,劉浩 (合肥工業(yè)大學(xué)土木與水利工程學(xué)院,安徽 合肥 230009)

隨著鋼結(jié)構(gòu)的需求增長(zhǎng),鋼結(jié)構(gòu)加固方面的研究和應(yīng)用成為專家學(xué)者進(jìn)行關(guān)注的熱點(diǎn)。鋼結(jié)構(gòu)的加固,從最初的增大截面面積加固法,到現(xiàn)今的粘貼纖維增強(qiáng)復(fù)合材料加固法,體現(xiàn)了在鋼結(jié)構(gòu)加固方面的巨大進(jìn)步[1]。國(guó)內(nèi)外在研究CFRP加固鋼結(jié)構(gòu)時(shí),其研究對(duì)象主要是疲勞加固和受彎構(gòu)件,通過(guò)試驗(yàn)或理論分析研究抗疲勞性能、剛度、復(fù)合構(gòu)件承載力、界面的性能、穩(wěn)定性、破壞模式等方面[2-4]。

正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)是一種研究和處理多因素試驗(yàn)的經(jīng)濟(jì)、高效和科學(xué)方法[5]。本文利用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì),對(duì)CFPR加固偏心受壓圓管柱的極限承載能力進(jìn)行試驗(yàn)研究,探討CFRP層數(shù)和偏心距及負(fù)載情況對(duì)極限承載力的影響程度。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)鋼管采用Q235鋼,采用的碳纖維復(fù)合材料為日本東麗公司生產(chǎn)的UT70-30高性能碳纖維單向布,膠結(jié)材料為日本進(jìn)口的型號(hào)為E2500S的碳纖維浸漬脫氧樹脂膠(主劑與硬化劑混合比為2∶1)。

依據(jù)規(guī)范《金屬材料拉伸試驗(yàn)第1部分:室溫試驗(yàn)方法》(GBT228.1-2010)中有關(guān)試驗(yàn)的規(guī)定選取的,材性試驗(yàn)具體尺寸見圖1。材料拉伸力學(xué)性能試驗(yàn)在CMT5105電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行,如圖2所示,鋼材力學(xué)性能見表1。由于試驗(yàn)條件限制,所以本文參考廠家出具的出場(chǎng)材料的檢測(cè)報(bào)告中關(guān)于碳纖維布的具體材料力學(xué)性能參數(shù)。詳細(xì)的CFRP材料力學(xué)性能見表2。表1~2中fy為彈性模量;E為屈服強(qiáng)度;fv為極限強(qiáng)度;μ為泊松比;δ為斷裂伸長(zhǎng)率。

圖1 材性試驗(yàn)尺寸

鋼材力學(xué)性能 表1

CFRP布力學(xué)性能 表2

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本次試驗(yàn)采用10根長(zhǎng)度為1500mm的Q235無(wú)縫圓鋼管,所有圓管規(guī)格為102mm×4mm,構(gòu)件長(zhǎng)細(xì)比43.3,試件的截面見圖1。構(gòu)件CFRP布粘貼方式均為縱向粘貼兩端環(huán)貼。為方便進(jìn)行試驗(yàn),對(duì)試件進(jìn)行對(duì)應(yīng)因素的編號(hào),比如編號(hào)“B-1Z10E30C”表示試件縱向粘貼1層碳布,荷載偏心10mm,加固前30%的負(fù)載。試件詳細(xì)參數(shù)見表3。

圖2 試件截面示意圖

本次試驗(yàn)中試件的兩端都焊接了表面開有V型的坡口的端板,試件端板和加載刀鉸支座之間主要傳遞力而幾乎不傳遞彎矩,這比較真實(shí)的模擬柱兩端鉸接的情況。試件設(shè)計(jì)如圖2和圖3所示。

1.3 加載制度

本次試驗(yàn)分為負(fù)載試件和非負(fù)載試件兩種情況,對(duì)負(fù)載試件選擇在門式反力架下使用液壓千斤頂按照靜力加載的方式進(jìn)行試驗(yàn)加載。非負(fù)試件加載裝置為合肥工業(yè)大學(xué)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室的YES-500型壓力試驗(yàn)機(jī),采用逐級(jí)加載的加載方式。兩種情況均使用JM3813型號(hào)的多功能靜態(tài)應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)來(lái)采集試驗(yàn)中產(chǎn)生的應(yīng)變和荷載等數(shù)值。

①預(yù)加載。試驗(yàn)前首先對(duì)已安裝好的試件進(jìn)行預(yù)加載,目的是查看試件與加載裝置的接觸情況和檢測(cè)位移計(jì)及應(yīng)變片是否正常工作

試件參數(shù)表 表3

圖3 圓管加工設(shè)計(jì)

圖4 刀鉸支座端板

圖5 帶刀口加載板

圖6 柱端加載板設(shè)計(jì)

②正式加載。非負(fù)載試件在YES-500型壓力試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行加載。采用分級(jí)加載的方式進(jìn)行正式加載,每級(jí)荷載增量20kN,持荷的時(shí)間為30s;當(dāng)壓力值達(dá)到圓管柱理論計(jì)算值的60%時(shí),則改為每級(jí)荷載增量10kN,持荷的時(shí)間為30s;當(dāng)壓力值達(dá)到圓管柱理論計(jì)算值的80%時(shí),則改為每級(jí)荷載增量5kN,持荷的時(shí)間為30s。

負(fù)載試件加載至指定的荷載值(圓管柱理論極限荷載值的30%和50%),并對(duì)試件進(jìn)行持荷。持荷的期間進(jìn)行粘貼CFRP加固試件,當(dāng)脫氧樹脂結(jié)構(gòu)膠完全固化,粘結(jié)強(qiáng)度達(dá)到要求,為保證試件正常受力采用分級(jí)加載的方式進(jìn)行正式加載,先每一級(jí)增加荷載10kN,持荷30s;在達(dá)到理論極限荷載值80%之后每一級(jí)增加荷載5kN,持荷1min。

圖7 加載裝置示意圖

2 試驗(yàn)現(xiàn)象

10根試件均為整體失穩(wěn)破壞。試驗(yàn)現(xiàn)象基本類似。以試件B-3Z20E30C為例,加固前施加初始應(yīng)力65.4KN,此時(shí)試件柱外觀沒有明顯變化。二次加載初期,試件尚未出現(xiàn)明顯變形,加載到237kN,發(fā)出幾聲清脆的剝離響聲。加載到277kN左右可以聽到偶爾的噼啪響聲,之后荷載上升的速度較慢,每次加載,響聲就會(huì)再次響起。當(dāng)荷載增加到284.6kN時(shí),連續(xù)的噼啪脫落的響聲,這時(shí)圓管柱試件的柱中撓度迅速變大,鋼管試件最終整體失穩(wěn)破壞,破壞位置在柱子中部,彎曲內(nèi)側(cè)及其附近CFRP布剝離破壞,柱子的其他位置未見破壞,具體破壞形態(tài)如圖7中所示。

圖8 B-3Z20E30C整體失穩(wěn)破壞

3 極限承載力分析

試件的極限承載力結(jié)果見表4。對(duì)極限承載力變化進(jìn)行極差數(shù)值分析,為方便查看,將極限承載力均減去390kN,結(jié)果見表5。

表中的K1、K2和K3代表因素CFRP層數(shù)、偏心距和負(fù)載百分比在各自對(duì)應(yīng)的水平下的平均提高率,用來(lái)反映各個(gè)因素的水平對(duì)極限承載力變化的影響。用極限承載力變化的極差R來(lái)反映各因素間水平條件的變化對(duì)極限承載力變化的影響程度的大小,極差值越大說(shuō)明該因素越重要,越小說(shuō)明該因素相對(duì)次要。根據(jù)正交表極差數(shù)據(jù)的計(jì)算方法,計(jì)算出試驗(yàn)結(jié)果的極差。從表5極差數(shù)值大小可以看出影響本文試驗(yàn)的承載力變化的因素的主次順序是偏心距、CFRP層數(shù)、初始應(yīng)力。

試件極限承載力總結(jié)表 表4

4 結(jié)論

①對(duì)于中長(zhǎng)圓管柱受壓失穩(wěn)模式為整體失穩(wěn),柱中CFRP布剝離。

②基于正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)數(shù)值分析,影響中長(zhǎng)柱極限承載力的因素主次順序?yàn)槠木?、CFRP層數(shù)、初始應(yīng)力。

正交試驗(yàn)計(jì)算結(jié)果直觀表 表5

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