姜旭，孫凱，強(qiáng)旭紅?，白潔

（1.同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院，上海 200092；2.中國建筑第八工程局有限公司工程研究院，上海 200122）

目前，F(xiàn)RP 橋面板在國外的橋梁工程中被廣泛應(yīng)用，可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)鋼或混凝土橋面板用于橋梁新建或修復(fù)項(xiàng)目.FRP 橋面板比混凝土橋面板輕約80%，更換為FRP 橋面板的橋梁能承受更大的活荷載.此外，F(xiàn)RP 橋面板還具有易于安裝、對(duì)交通干擾小、對(duì)環(huán)境腐蝕和除冰鹽抵抗力強(qiáng)、使用壽命長以及維護(hù)成本低等優(yōu)點(diǎn).常用的FRP 橋面板可根據(jù)組裝類型分為兩類：夾心板和空腔模塊板.為了提高使用效率，F(xiàn)RP 橋面板通常由鋼梁支撐形成組合梁結(jié)構(gòu)共同受力，并通過鋼梁彌補(bǔ)FRP 材料延性差的缺點(diǎn)［1］.在FRP 橋面板和鋼梁之間，通過結(jié)構(gòu)膠粘貼形成粘貼連接節(jié)點(diǎn)，與螺栓連接相比，膠接連接可減少施工時(shí)間，并通過消除緊固件可減重5%～10%［2］，同時(shí)，荷載傳遞更均勻且可提供更好的長期使用性能.近年來，這種FRP-鋼組合梁橋逐漸得到應(yīng)用［3-7］，如德國聯(lián)邦B3 公路的跨線橋、大廣高速深州至大名段K17+487.363分離式立交橋等.

目前在土木工程領(lǐng)域，對(duì)組合荷載作用下FRP膠接連接的研究仍非常有限.研究主要集中在單層膠接連接和雙層膠接連接的力學(xué)性能［8-13］，研究粘貼層重疊長度和粘貼層厚度、粘貼母材厚度和局部倒角程度等參數(shù)對(duì)膠接連接極限破壞荷載的影響.結(jié)果表明，貫穿厚度方向的拉伸（剝離）和剪切應(yīng)力的組合是最不利的應(yīng)力狀態(tài)，通常會(huì)引發(fā)黏合角和黏合邊緣下方粘貼母材的層間破壞.進(jìn)一步的研究提供了準(zhǔn)靜態(tài)軸向拉伸荷載作用下膠接連接的概率強(qiáng)度評(píng)估方法［14-16］，但其應(yīng)用背景與FRP 橋面板與鋼梁間膠接連接的應(yīng)用場(chǎng)景仍有較大差異，且基于統(tǒng)計(jì)學(xué)的分析，對(duì)破壞模式缺乏描述.此外，也有研究針對(duì)濕熱作用下的膠接連接性能展開［17-18］，結(jié)果表明長時(shí)間暴露在潮濕環(huán)境下會(huì)導(dǎo)致膠接連接強(qiáng)度降低，在45 ℃下浸泡會(huì)導(dǎo)致材料和節(jié)點(diǎn)的強(qiáng)度顯著降低.

國內(nèi)FRP 橋面板體系的研究集中于FRP 橋面板本身，對(duì)其設(shè)計(jì)參數(shù)、靜力性能、疲勞性能及設(shè)計(jì)方法進(jìn)行大量研究［19-25］.在FRP 橋面板與鋼梁連接節(jié)點(diǎn)方面，倪章軍［26］對(duì)FRP-鋼組合梁橋空間受力進(jìn)行了分析，并提出可以假定GFRP橋面和工字形鋼縱梁是完全組合受力（剛結(jié)）的.進(jìn)一步地，朱坤寧等［27］推導(dǎo)了FRP-鋼組合梁橋在溫差荷載和均布荷載下連接界面剪力效應(yīng)的計(jì)算公式.結(jié)果表明，在溫差作用下，組合梁跨中界面剪應(yīng)力最小，越靠近組合梁端部界面，剪應(yīng)力增大越快.

通常，F(xiàn)RP 橋面板與鋼梁之間的黏結(jié)節(jié)點(diǎn)存在剪應(yīng)力和拉應(yīng)力兩種典型的應(yīng)力狀態(tài)，且拉應(yīng)力和剪應(yīng)力的組合很容易引發(fā)膠接連接的斷裂破壞［24，28］.此前的研究受限于加載方式，多局限于荷載方向單一、所有工況荷載加載方向相同、缺乏組合荷載下膠接連接的受力狀態(tài)與破壞模式.FRP-鋼膠接連接作為復(fù)合橋面板系統(tǒng)中重要的傳力細(xì)節(jié)，其性能直接影響到系統(tǒng)整體傳力效率，其安全性至關(guān)重要.因此，有必要對(duì)拉剪組合荷載下FRP-鋼膠接連接力學(xué)性能進(jìn)行進(jìn)一步研究.

本文以FRP 夾心板和鋼梁之間的膠接連接力學(xué)性能為重點(diǎn)，進(jìn)行了組合荷載作用下膠接連接的試驗(yàn)研究.采用特定的拉剪加載裝置，該裝置能夠提供6種不同比例的拉伸和剪切荷載組合，通過圓盤加載試驗(yàn)研究了FRP-鋼膠接連接的力學(xué)性能和破壞模式，并通過分析矢量分離的拉應(yīng)力和剪應(yīng)力，得出組合荷載下膠接連接的拉剪強(qiáng)度破壞準(zhǔn)則.

1 試驗(yàn)過程

1.1 試驗(yàn)裝置

為在膠接連接中實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的應(yīng)力狀態(tài)，研發(fā)了一種特殊的輪盤加載裝置，用于提供純拉荷載、純剪荷載以及拉剪組合荷載，如圖1 所示.加載輪盤分為上、下兩部分，并把中心區(qū)域切除，以便布置位移傳感器.兩個(gè)傳力鋼塊分別通過8 個(gè)螺栓固定于上、下兩個(gè)加載輪盤上，膠接連接試件位于加載設(shè)備的中心.加載時(shí)，通過3 對(duì)螺栓孔固定加載方向進(jìn)行均勻傳力，該加載設(shè)備可提供6 種加載工況：0°（純拉）、18°、36°、54°、72°和90°（純剪）角加載，實(shí)現(xiàn)不同比例的拉伸和剪切荷載組合作用.

圖1 加載裝置Fig.1 Loading device

1.2 試件設(shè)計(jì)

如圖2 所示，提取FRP 橋面板和鋼梁之間的膠接連接進(jìn)行試驗(yàn)研究.試驗(yàn)試件由FRP夾心板、粘貼層和鋼板組成，每個(gè)加載角度進(jìn)行3 次重復(fù)試驗(yàn)，共需18個(gè)試驗(yàn)樣本，試件編號(hào)見表1.

圖2 試驗(yàn)試件Fig.2 Preparation process of adhesive joint specimens

表1 試件設(shè)計(jì)Tab.1 Adhesively-bonded joint specimens

考慮到加載裝置的尺寸限制和安裝便利性，試件粘貼層面積取為90 mm × 90 mm，其上為一塊190 mm×90 mm 的FRP 夾層橋面板，其下為190 mm×90 mm 鋼板塊，通過4 個(gè)螺孔連接到加載設(shè)備上.FRP 夾心板的上下表面層為復(fù)合材料，由3 層0.94 mm 厚的EQX1200（玻璃纖維增強(qiáng)層壓聚酯復(fù)合材料）組成，性能參數(shù)如表2 所示，中間輔以軟木材料形成夾心結(jié)構(gòu).

表2 FRP材料性能Tab.2 FRP laminate properties （g·m-2）

結(jié)構(gòu)膠型號(hào)為BUFA-BONDING PASTE740-0110，生產(chǎn)廠商為BüFA，其性能參數(shù)如表3所示.在恒溫20 ℃和相對(duì)濕度50%條件下進(jìn)行常溫固化.根據(jù)歐洲在類似項(xiàng)目的使用經(jīng)驗(yàn)，如圖2 所示，通過使用墊片將膠黏層標(biāo)稱厚度控制為6 mm.根據(jù)先前對(duì)不同表面預(yù)處理方法黏結(jié)質(zhì)量的研究［16］，噴砂方法被證明是保證界面黏結(jié)質(zhì)量的可靠且質(zhì)量可控的表面預(yù)處理方法，因此試件都進(jìn)行粒度200 μm 噴砂處理.

表3 膠黏劑性能Tab.3 Adhesive properties

1.3 加載過程

拉剪組合加載裝置可以通過改變加載輪盤的角度來提供6個(gè)方向的加載工況，整個(gè)裝置通過2個(gè)鉸接接頭傳力，避免由于試件未對(duì)中而產(chǎn)生的偏心加載導(dǎo)致額外附加彎矩.

如圖1 所示，膠接連接的準(zhǔn)靜態(tài)試驗(yàn)由LVDT（線性可變差動(dòng)變壓器）以0.001 mm/s 的速率控制位移.當(dāng)將膠接連接試樣安裝在加載裝置中時(shí)，連接L形鋼型材的4 個(gè)螺栓首先沒有完全擰緊.施加1 kN的預(yù)緊力以使每個(gè)加載組件接觸彼此消除縫隙，以這種方式，荷載可以從加載裝置平穩(wěn)地傳遞到膠接連接.之后，將這4 個(gè)螺栓完全擰緊，然后卸載預(yù)緊力，測(cè)試以0 kN的負(fù)載開始.

對(duì)于剪切荷載情況，如圖3（a）所示，兩個(gè)位移傳感器都固定在膠接連接的兩側(cè)，以監(jiān)測(cè)FRP 夾心板和鋼支撐之間的相對(duì)變形.對(duì)于拉伸荷載條件，位移傳感器如圖3（b）所示.對(duì)于組合荷載，傳感器布置如圖3（c）所示，左側(cè)測(cè)量的是FRP 夾心板與鋼支撐之間的豎向變形（拉伸變形），右側(cè)測(cè)量的是水平變形（剪切變形）.在測(cè)試之前，所有儀器（LVDT和位移傳感器）均已校準(zhǔn).

圖3 傳感器布置Fig.3 Sensor arrangement

2 試驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 剪切荷載(90°角荷載)破壞模式

對(duì)于在剪切荷載下的試件，線性加載直至破壞.膠接連接的最終破壞均為脆性破壞，纖維斷裂時(shí)沒有任何可見的跡象或破斷聲.對(duì)于在拉伸荷載（0°角荷載）和4 個(gè)組合荷載條件下的膠接連接，當(dāng)施加的荷載接近極限破壞荷載時(shí)，由于不同的破壞模式，F(xiàn)RP層壓板中的纖維斷裂會(huì)發(fā)出破斷聲.

剪切荷載下的試件膠接連接的破壞模式是膠層破壞，發(fā)生在靠近膠黏層和鋼支撐之間的界面.這種破壞模式表明斷裂從膠黏層邊緣區(qū)域開始，然后不斷擴(kuò)展觸發(fā)整個(gè)膠接連接的最終破壞.圖4 為剪切荷載下試驗(yàn)結(jié)果，斷裂位置離界面大約10 mm.

圖4 剪切荷載下試件破壞模式Fig.4 Failure mode of adhesive joints under pure shear loading

圖5（a）～圖5（c）為從4 個(gè)位移傳感器得到的剪切荷載下FRP 夾心板與鋼支撐之間的相對(duì)位移結(jié)果，膠接連接的剪切變形為同一方向，位移傳感器數(shù)據(jù)的正負(fù)僅表明相對(duì)位置.與DS-01 和DS-03 的變形數(shù)據(jù)相比，DS-02 和DS-04 的測(cè)試數(shù)據(jù)明顯有很大的偏差，表明剪切力施加不均勻.此外，膠黏層的非均勻性質(zhì)也可使荷載分布不均勻.而對(duì)于DS-01和DS-03，測(cè)得的變形彼此匹配，表明在膠接連接距荷載邊緣較遠(yuǎn)的一端試件兩側(cè)的荷載已經(jīng)平衡.DS-01 和DS-03 位移的絕對(duì)值小于DS-02 和DS-04的一半，此外，所有的荷載-變形曲線都不是線性增加的.這是由于膠黏層的非勻質(zhì)性，在整個(gè)測(cè)試過程中膠黏層的應(yīng)力持續(xù)重分布.在膠接連接制作過程中，膠黏層也會(huì)存在一定的孔隙率.因此在測(cè)試過程中，偏心荷載是不可避免的.

圖5（d）～圖5（f）為拉伸荷載下FRP 夾心板和鋼支撐的豎向變形，4 個(gè)位移傳感器數(shù)值彼此不同，再次表明荷載沒有均勻施加.用位移傳感器測(cè)得的FRP 夾心板和鋼支架之間的相對(duì)變形很小，約為0.01 mm.除了拉伸荷載外，在整個(gè)測(cè)試過程中還存在膠黏點(diǎn)的縱向和橫向的少量附加彎矩.此外，在整個(gè)測(cè)試過程中，F(xiàn)RP 夾心板和鋼支架之間的豎向變形并非線性，當(dāng)施加的荷載接近破壞荷載時(shí)，應(yīng)力會(huì)通過膠接連接重新分布.如圖6 所示，可以發(fā)現(xiàn)在膠黏層的斷裂表面上，在邊緣區(qū)域有一些斷裂引發(fā)的區(qū)域，這證實(shí)了由于膠黏層的局部斷裂區(qū)域引發(fā)了應(yīng)力的重新分布，直到黏接區(qū)域的其余部分無法再承受全部荷載，膠接連接才以脆性模式破壞.

圖5 剪切荷載和拉伸荷載下試件荷載-變形曲線Fig.5 Load-deformation curves under tensile loading and shear loading

圖6 拉伸荷載下試件破壞模式Fig.6 Failure mode of adhesive joints under pure tensile loading

2.2 拉伸荷載和組合荷載破壞模式

拉伸荷載和組合荷載下的破壞模式為纖維斷裂（或FRP 層間破壞）和界面破壞的組合，界面破壞發(fā)生在膠黏層與FRP 夾心板之間.典型的破壞模式如圖7、圖8 所示，所有斷裂面均通過FRP 夾心板和膠黏層之間的界面.從FRP夾心板破壞面的角度，一些區(qū)域的纖維斷裂或FRP 分層很明顯，但這些區(qū)域沒有完全覆蓋膠黏劑黏合區(qū)域.在72°角荷載條件下，72°-SB-01 試件膠黏層出現(xiàn)開裂并且沿著膠黏層和鋼支撐之間的界面擴(kuò)展，如圖9 所示，斷裂面幾乎轉(zhuǎn)換到了膠黏層和鋼支撐之間的界面.這表明膠黏層和FRP 夾心板或鋼支撐之間的上下界面幾乎同時(shí)達(dá)到破壞.但對(duì)于其他兩個(gè)72°角荷載條件下的試件，膠黏層中的裂紋是不可見的，取而代之的是大部分的FRP分層或纖維斷裂區(qū)域.試驗(yàn)結(jié)果表明，可控的黏結(jié)技術(shù)對(duì)確保膠接連接的力學(xué)性能至關(guān)重要.

圖7 纖維斷裂和界面破壞的組合Fig.7 Combination of fiber breaking and interfacial failure between adhesive layer and FRP laminates

圖8 FRP層合板的分層破壞Fig.8 Delaminating failure in FRP laminates

圖9 72°-SB-01試件裂縫Fig.9 Failure mode of 72°-SB-01

對(duì)于其他4 個(gè)組合荷載條件，位移傳感器測(cè)得的變形證明了水平和垂直方向都存在偏心荷載.圖10 說明了在4 個(gè)荷載角下，位移傳感器位置處的FRP 夾心板和鋼支架之間的平均變形.負(fù)區(qū)域中的變形值表示DS-02 和DS-04 中測(cè)得的水平變形的平均值，而正區(qū)域表示DS-01 和DS-03 中測(cè)得的豎向變形平均值.在加載過程的初始階段，3 個(gè)重復(fù)樣本的試驗(yàn)數(shù)據(jù)趨于一致，但是，隨著試驗(yàn)的進(jìn)行，水平和垂直變形都會(huì)發(fā)生一些偏差.荷載-位移曲線呈現(xiàn)非線性，尤其是對(duì)于DS-02 和DS-04 的平均值，這也是由膠黏劑材料的不均勻性造成的.在整個(gè)試驗(yàn)過程中，膠接連接中的應(yīng)力分布不均勻，是根據(jù)膠黏層的局部剛度重新分布的.因此，由于膠黏層中的孔隙度彼此不同，每個(gè)加載角的3 個(gè)試件荷載-位移曲線不完全一致，隨著荷載的增加偏差逐漸增大.

圖10 組合荷載下試件荷載-變形曲線Fig.10 Load-deformation curves under four combined loading conditions

2.3 破壞準(zhǔn)則

表4 列出了6 個(gè)荷載角（0°、18°、36°、54°、72°和90°）下膠接連接的極限破壞荷載.在18°角荷載條件下，膠接連接的承重能力最低，平均為11.9 kN.同時(shí)，在剪切（90°）角荷載條件下，膠接連接具有最高的承載能力，平均破壞荷載為69.3 kN，但同時(shí)也具有6 個(gè)加載條件中最大的偏差34.0%.對(duì)于4 個(gè)組合荷載條件（18°、36°、54°、72°），隨著加載角度從18°增大到72°，承載能力從11.9 kN逐漸增加到23.3 kN.

為了更清晰地識(shí)別荷載組合效應(yīng)，將極限破壞荷載矢量分解為剪切荷載和拉伸荷載，如圖11 所示.橫軸表示施加到膠接連接的剪切荷載，縱軸表示拉伸荷載.在拉伸和剪切荷載的組合作用下，與純拉伸和純剪切荷載條件相比，膠接連接的承載能力顯著降低.從表4 中可以看出，由于不同的破壞模式，在剪切荷載作用下（69.3 kN）膠接連接的失效荷載明顯高于其他荷載條件.在不同的組合荷載條件下，膠接連接的破壞荷載對(duì)矢量力與合力的拉伸荷載比率更為敏感.

表4 6個(gè)加載角度下膠接連接極限荷載Tab.4 Ultimate failure loads of adhesive joints under six loading conditions

圖11 6種加載角度下膠接連接極限荷載Fig.11 Failure loads of adhesive joints under the six angle loading conditions

為了研究膠接連接的破壞準(zhǔn)則，考慮平均應(yīng)力值，平均應(yīng)力值通過拉伸/剪切荷載除以膠黏劑黏合面積得到，通過最小二乘法以橢圓函數(shù)進(jìn)行曲線擬合.首先，通過6 個(gè)荷載條件下的所有測(cè)試結(jié)果，獲得了擬合曲線［式（1）］，并在圖12 中用虛線表示.

可以發(fā)現(xiàn)測(cè)試結(jié)果與擬合方程之間的一致性不佳.4 種組合荷載條件下的所有測(cè)試數(shù)據(jù)均低于擬合曲線，這表明該擬合方程對(duì)于膠接連接的設(shè)計(jì)并不保守.為了解決此問題，僅選擇4 個(gè)組合荷載的測(cè)試結(jié)果作為基本曲線擬合數(shù)據(jù).修正的擬合方程式由式（2）表示，并在圖12 中用實(shí)線表示.修正后，R2由0.34 提高至0.68，擬合優(yōu)度提高1 倍.在FRP 橋面板和鋼梁間膠接連接的工程應(yīng)用中，該連接主要在拉伸和剪切的組合荷載下起作用，而不是僅在剪切或拉伸荷載下，因此修正后的破壞準(zhǔn)則更加保守和實(shí)用.

圖12 膠接連接破壞準(zhǔn)則Fig.12 Shear-tensile failure criterion for the adhesively-bonded joint

擬合曲線：

修正擬合曲線：

3 結(jié)論

本文對(duì)FRP 橋面板與鋼梁間的膠接連接，在剪切、拉伸和拉剪組合荷載條件下進(jìn)行了試驗(yàn)研究.可以得出以下結(jié)論：

1）在剪切荷載下，膠接連接為脆性破壞，膠黏層中在靠近鋼支撐的位置處發(fā)生膠層破壞.對(duì)于在拉伸和4 個(gè)組合荷載條件下的膠接連接，破壞模式是纖維斷裂（或FRP分層）和FRP夾心板與膠黏層之間界面黏合破壞的組合，除了72°-SB-01 試樣外，破壞模式為膠黏層出現(xiàn)開裂并且沿著膠黏層和鋼支撐之間的界面擴(kuò)展.

2）膠黏層的非均質(zhì)性十分明顯，這會(huì)導(dǎo)致膠接連接上的偏心荷載和受載過程中的應(yīng)力重分布.工程應(yīng)用中需在FRP 夾心板和膠黏層之間提供良好的界面黏合質(zhì)量，以提高力學(xué)性能和在拉伸與組合荷載下膠接連接的最終破壞荷載.

3）在18°角荷載條件下，膠接連接的承重能力最低，平均破壞荷載為11.9 kN.最高的承載能力在純剪切荷載條件下獲得，平均破壞荷載為69.3 kN.針對(duì)矢量分離的拉伸應(yīng)力和剪切應(yīng)力，獲得了膠黏接頭的剪切拉伸破壞準(zhǔn)則，可用于膠接連接力學(xué)性能的理論評(píng)估.