预应力碳纤维板加固锈损钢梁抗弯性能试验研究.pdf

第55卷第4期2023年8 月DOI:10.15986/j.1006-7930.2023.04.015西安建筑科技大学学报（自然科学版）J.Xian Univ.of Arch.&Tech.(Natural Science Edition)Vol.55 No.4Aug.2023预应力碳纤维板加固锈损钢梁抗弯性能试验研究张宗星1.3，徐宇轩1，秦广冲，徐善华，彭圣元3（1.中国矿业大学力学与土木工程学院，江苏徐州2 2 1116；2.中国船舶重工集团国际工程有限公司，北京10 0 12 1；3.西安建筑科技大学土木工程学院，陕西西安7 10 0 55)摘要：通过碳纤维增强复合材料（Carbonfiberreinforced composites，CFRP）加固锈损钢梁抗弯性能试验，研究不同预应力度CFRP板对锈损钢梁破坏模式及抗弯承载力的影响，揭示CFRP板加固锈损钢梁受拉区对提升其正截面承载力的作用机理，探讨CFRP板加固锈损钢梁界面粘结应力分布规律结果表明：试件破坏模式均为跨中粘结界面剪切破坏后CFRP板的撕裂，且CFRP板断裂位置大多在加载点锈损钢梁破坏后CFRP板产生510 mm的纵向滑移粘结剪应力主要分布在CFRP板端部区域，且剪应力最大值在加载点处15%fu预应力水平CFRP板可以将锈损钢梁承载力提升2 3.2 6%，达到未锈蚀状态时的承载力，同时提高CFRP板的利用率高达7 1.59%.关键词：CFRP板；预应力；锈损；钢梁；抗弯性能中图分类号：TU352Experimental study on bending resistance of corroded steel beamsstrengthened with prestressed carbon fibre plateZHANG Zongzingl,XUYuzuan,QIN Guangchong,XU Shanhua,PENG Shengyuan?(1.School of Mechanics and Civil Engineering,China University of Mining&.Technology,Jiangsu Xuzhou,221116,China;2.China Shipbuilding Industry Corporation International Engineering Co.,Ltd.,Beijing 1o0121,China;3.School of Civil Engineering,Xian Univ.of Arch.&Tech.,Xian 710055,China)Abstract:Through the flexural performance test of rusty steel beams strengthened with carbon fiber reinforcedcomposite(CFRP),the effects of different prestressing degrees of CFRP plates on the failure modes and bendingcapacity of rusty steel beams are studied,the mechanism of tensile zone of corroded steel beam strengthened withCFRP plates to enhance its normal section bearing capacity is revealed,and the distribution of the interfacial stressof corroded steel beam strengthened with CFRP plates is discussed.The test results show that the failure modes ofthe specimens are the tear of the CFRP plate after the shear failure of bonding interface on the mid span,and thefracture location of the CFRP plate is mostly at the loading point.After the destruction of the damaged steel beam,the longitudinal slip of 510 mm is generated on the CFRP plate.The shear stress is mainly concentrated on theend of CFRP,and the peak value of shear stress appears at the loading point.15%fu prestressed CFRP plate canincrease the bearing capacity of the corroded steel beam by 23.26%,reaching the bearing capacity in the non-corroded state,and improve the utilization rate of CFRP plate by up to 71.59%.Key words:CFRP plate;prestress;rust loss;steel beam;bending strength长期处于腐蚀环境下的钢结构工程，往往难以通过防护与构造措施避免锈蚀，导致钢结构从满足使用要求的安全状态转变为逐渐破坏或突然失效的危险状态1-2 1 然而，传统钢结构加固技术主要通过焊接、螺栓连接或粘结钢板等方式，存在结构自重增加、施工不便、耐久性不足等问题3-4 因此，如何有效加固锈损钢结构并提升其收稿日期：2 0 2 2-11-11基金项目：国家自然科学基金资助项目（52 10 8 2 92，516 7 8 47 7）；中国博士后科学基金资助项目（2 0 2 1M703508）第一作者：张宗星（1990 一），男，硕导，研究方向为工程结构耐久性E-mail：z h a n g z o n g x i n g l r 16 3.c o m文献标志码：A修回日期：2 0 2 3-0 7-15文章编号：10 0 6-7 9 30(2 0 2 3)0 4-0 59 1-0 7承载性能，是土木工程领域呕需解决的关键问题碳纤维增强复合材料（CFRP）具有轻质、高强、耐腐蚀和施工方便等优点，广泛应用于钢结构加固修复5-8 但现有研究表明碳纤维板在加固损伤结构过于被动，严重影响碳纤维板高强度的发挥，甚至造成结构优先于碳纤维板破坏而预应力CFRP加固技术可以解决以上难点9 Zhou592等10 采用预应力CFRP板材加固铝梁，试件抗弯刚度和极限承载力分别提升了32.8%、31.13%.贾永辉11 通过预应力CFRP板加固损伤钢梁实验，发现预应力CFRP板可以有效抑制带缺陷钢梁裂纹发展，提高钢梁极限承载力霍君华等12 开展CFRP加固损伤钢梁抗弯性能试验研究，通过切除钢梁部分下翼缘模拟局部腐蚀，但腐蚀引起的钢结构缺陷与人为缺陷（线切割、焊缝）存在差异。锈蚀钢结构表面粗糙不平，造成了钢材塑性和断裂韧性降低，形成了锈蚀表面与CFRP粘结层独有的相互作用机理13-14，有必要针对预应力CFRP板加固锈蚀钢梁的抗弯性能开展深入研究.本文通过室外中性盐雾试验模拟近海大气环境，得到锈蚀龄期为6 个月的H型钢构件为了模拟钢梁下翼缘易锈蚀的情况，将未腐蚀和腐蚀钢梁沿腹板中心轴切割成两个T形截面并采用焊接方法，以腹板中轴为界，将T形截面焊接为下翼缘锈蚀而上翼缘未锈的拼接钢梁，研究CFRP板加固锈蚀钢梁受拉区对提升其正截面承载力的作用机理及界面应力分布的影响.1试验概况1.1材料性能依据GB/T10125一2 0 12 人造气氛锈蚀试验-盐雾试验15 和GB/T245172009金属和合金的锈蚀户外周期喷淋暴露试验方法16 ，采用中性盐雾加速腐蚀试验模拟近海大气环境，对Q235B热轧H型钢进行快速腐蚀，总龄期为6 个月试件截面尺寸为150 mmX150mmX6mmX8mm从钢梁翼缘截取板条制成标准试件进行拉伸试验，腐材料抗拉强度/MPaCFRP2454Sikadur?-30 CN461.2试件设计通过中性盐雾加速腐蚀试验，得到锈蚀龄期6个月的试验试件，并以腹板中轴为界，将未腐蚀和腐蚀钢梁沿腹板中心轴切割成两个T形截面.并采用焊接方法，控制150 mm的截面高度，以腹板中轴为界，将T形截面焊接为下翼缘锈蚀而上翼缘未锈的拼接钢梁另外，在钢梁端部下翼缘打孔，通过螺栓连接方式固定碳纤维板试验共制作5根钢梁，其中1根为完好钢梁、1根为未加固锈蚀钢梁、3根为不同预应力水平CFRP板加固的锈蚀钢梁，具体制作过程见图2.西安建筑科技大学学报(自然科学版)蚀试件及钢材本构关系如图1所示采用质量损失率评价构件锈蚀程度，公式如下.M-MiX100%M。式中：n为试件锈蚀率（%），M。和Mi分别为试件锈蚀前后的质量（g）.4504003503002502001501005000.000.05(b）锈蚀钢材应力应变曲线图1锈蚀试件及钢材应力-应变曲线Fig.1Stress-strain curve of corroded specimenCFRP板选用卡本公司的高强碳纤维板，规格为50 mmX2mm，粘结剂为Sikadur?-30CN双组份环氧结构加固碳板胶，基本力学性能为厂家提供参数，详见表1.表1加固材料的力学性能Tab.1Mechanical properties of materials剪切强度/MPa60.726第55卷(1)(a)锈蚀试件未锈蚀一锈蚀6 个月0.100.15Strain/ue剪切模量/GPa弹性模量/GPa61681.233.2(a)试件切割图2 试件加工过程Fig.2Specimen processing process根据Sikadur?-30CN加固胶使用说明，称量PartA、Pa r tB，按组分A：B=3：1（重量比)进行混合，最后用搅拌机混合呈均匀灰色胶内掺0.20伸长率/%1.661.5(b)加工成型0.25泊松比0.250.250.30第4期入少量直径1mm的钢球控制胶层厚度，并用丙酮清洗打磨后的钢梁表面，均匀涂胶然后施加预应力，具体施加过程如下：将钢梁置于张拉装置中间，并用G字夹将其与底座钢梁固定，防止张拉过程产生微小位移然后将CFRP板锚固于固定端，并拉直CFRP板达到预应力水平后用高强螺栓夹紧预应力水平通过粘贴在CFRP板中间的应变片读数控制，同时预应力张拉过程，如图3所示，试件主要参数见表2.图3预应力张拉装置Fig.3Tension device of prestress张宗星，等：预应力碳纤维板加固锈损钢梁抗弯性能试验研究锈蚀程度加固方式A-0未锈蚀A-114%B-114%BP-114%BP-214%注：f.为碳纤维板的极限抗拉强度1.3加载装置及测点布置加载初期，荷载每级增加30 kN；当试件屈服时，每级增加15kN.试件一端为滑动铰支座，水平方向可以适量移动，另一端为固定铰支座加载过程中钢梁承受对称集中荷载作用，间距为600mm试验内容测量包括应变和位移，力的控制通过力传感器进行试验装置如图4所示，应变片粘贴位置见图5.350mm600mm位移计加载点加劲肋6 mm加劲肋6 mm位移计00mr1200mm52m图4加载装置示意图Fig.4 Schematic diagram of loading device593表2 试件主要参数Tab.2Main parameters of specimens试件编号非预应力加固预应力加固预应力加固350mm加载点加劲肋6 mmCFRP板材预应力水平未加固0未加固008%fu15%fu位移计加动肋6 mm800224422(a)未加固钢梁跨中截面2订试验现象通过试验发现：未加固钢梁的破坏形态为纯弯段上翼缘局部失稳，CFRP板加固钢梁的破坏形态均为CFRP板的断裂，且位置大多在加载点附近，具体破坏模式，如图6 所示，A-0（未锈蚀钢梁)：加载初期，试件变形较小，处于弹性变形阶段加载至O.7Pu（Pu 为极限224422(b）加固钢梁跨中截面图5试验钢梁应变片位置Fig.5Position of strain gauge of steel beam荷载)时，钢梁跨中截面下翼缘屈服加载至0.8 2P.时，钢梁上翼缘加载点处屈曲，跨中挠度达到16.54mm加载至0.8 9Pu时，钢梁整体弯曲变形明显，继续缓慢加荷至40 2 kN时，钢梁上翼缘屈曲，试件破坏A-1（未加固锈蚀钢梁）：加载初期与A-0相似加载至0.6 7 Pu时，钢梁跨中下翼缘屈服加载至0.7 8 P.时，钢梁整体变形明显，跨中挠度达(c)钢梁下翼缘594到13.8 6 mm.加载至0.8 7 Pu时，钢梁上翼缘掉漆明显，加载点处翼缘屈曲变形加载至0.9 1Pu西安建筑科技大学学报(自然科学版)时，钢梁下翼缘铁锈大面积脱落，缓慢加载至346.33kN时，上翼缘屈曲变形严重，钢梁破坏.第55卷(a)A-0(b)A-1(c)B-1(d)BP-1 图6 不同锈蚀程度试件破坏模式Fig.6 Failure modes of specimen with different corrosion degreesB-1(锈蚀钢梁，粘贴非预应力CFRP板)：加载初期试件变形小，处于弹性阶段加载至0.63P.时，钢梁跨中下翼缘屈服加载至0.8 3P.时，钢梁上翼缘加载点局部屈曲加载至0.91Pu时，钢梁左侧螺栓锚固处发出巨大响声，胶层局部出现裂纹加载至0.97 P.时，胶层发出频繁响声，持荷一段时间，跨中CFRP板与钢梁基本脱离加载至0.98 P.时，端部锚固处CFRP板撕裂破坏，加载至38 1.8 5kN时，上翼缘屈曲严重，钢梁破环此时钢梁左侧锚固端CFRP板产生5.0 mm滑移.BP-1（锈蚀钢梁，粘贴预应力度8%fu的CFRP板）：加载初期与B-1相似加载至0.9 3Pu时，右侧锚固端胶层出现四条细微裂纹，裂纹间距3mm加载至0.97 Pu时，钢梁上翼缘加载点处屈曲变形，突然胶层与碳板处发出巨大响声，胶层与CFRP板大面积脱离加载至0.98 Pu时，钢梁下翼缘右侧（距离支座30 mm处），CFRP板横向被撕裂成段并纵向拉断加载至39 3.9 kN时，上翼缘屈曲，钢梁破坏此时钢梁左侧锚固处CFRP板滑移10 mm.BP-2(锈蚀钢梁，粘贴预应力度15%fu的CFRP板）：加载至0.6 3Pu时，钢梁跨中挠度超过6.5mm，达到正常使用极限状态.加载至0.88P.时，钢梁底部出现响声，胶层出现裂纹.(e)BP-2加载至42 6.8 8 kN时，钢梁底部出现巨响，胶层与CFRP板大面积脱离，钢梁底部左侧CFRP板横向撕裂，继续缓慢加载，上翼缘中段屈曲变形，钢梁破坏此时钢梁右侧碳板产生10 mm滑移.3试验结果分析3.1荷载-挠度曲线试件的荷载-位移曲线，如图7 所示从图中可以看出，所有试件的荷载-位移曲线形式基本一致，但脱胶导致CFRP加固钢梁曲线出现下降段，并由于锚固端的作用其承载力持续增加.400CFRP板脱胶3503002502001501005000Fig.7Load-deflection curve of specimens表3为试件的极限荷载和屈服荷载从图中可以发现，相对于未加固锈损钢梁，CFRP板加固锈损钢梁屈服承载力提高了2.56%2 3.9%，极限CFRP板脱胶A-0A-1-B-1BP-1BP-21110203040跨中挠度/mm图7试件的荷载-挠度曲线150607080第4期承载力提高了7.95%2 3.2 6%，预应力CFRP板比未施加预应力的具有更明显的优势；相对于未锈损钢梁，CFRP板加固锈损钢梁屈服承载力恢复试件编号屈服荷载/kN与试件 A-1梁对比A-0277A-1234B-1240BP-1263BP-22903.2应变分析3.2.1平截面假定试件跨中截面应变分布情况，如图8 所示从图中可以看出，钢梁的跨中截面应变基本符合平截面假定，但中性轴并不位于H型钢截面的对称轴位置，而随着荷载增加，逐渐下移.80卜6040200-20-40-60-80-15000-10000-5 000应变/u&(a)BP-1806040200-20-40-60-80-15 000-10000-5 000应变/u(b)BP-2图8 试件跨中截面应变分布Fig.8Strain distribution of cross section of specimen3.2.2CFRP板纵向应变分布CFRP板纵向应变分布如图9所示试件达到剥离荷载前，CFRP板处于粘结状态，应变沿钢梁跨度方向变化规律明显当达到剥离荷载后，碳板处于无粘结应力状态，沿长度方向应力重分布，CFRP板各位置应变基本相同.张宗星，等：预应力碳纤维板加固锈损钢梁抗弯性能试验研究蚀钢梁恢复至未锈蚀状态.表3试件极限荷载和屈服荷载对比Tab.3Comparison of ultimate load and yield load of specimens18.38%/2.56%12.22%23.9%05 00010015020025030032034036038040042005000595到8 6.6 4%10 4.6 9%，极限承载力恢复到92.82%10 5.98%，说明预应力CFRP板可将锈与试件 A-0 对比极限荷载/kN与试件 A-1对比/402.78-15.52%346.33-13.36%373.85-5.2%393.94.69%426.8880007000600050004000300020001000100015002002503003203403603801000010000与试件 A-0 对比16.30%/-14.01%7.95%-7.18%13.74%一2.2%23.26%5.98%100kN200KN300kN330kN360kN374kN100200距跨中距离/mm(a)B-1800070006000500040003000200010000080007000/60005 000400030002.000100000图9碳板在不同荷载作用下的应变Fig.9Strain of carbon plate under different loads3.2.3界面剪应力分析通过张贴在CFRP板表面应变片测得的应变，计算加固钢梁界面剪应力为300100200距跨中距离/mm(b)BP-1100200距跨中距离/mm(c)BP-2400100kN200KN300KN330kN360KN380kN300400100kN200kN300KN330KN360KN390KN.420KN300400596式中：ti+0.5为应变片之间的剪应力，；和ei+1分别为第i、i十1应变片的应变，Li,汁1为应变片的距离E，和t分别为CFRP板的弹性模量和厚度.加载点位置的CFRP在不同荷载作用的界面剪应力如图10 所示当剪应力达到最小值，CFRP板开始剥离本文取界面剪应力最小对应的荷载作为CFRP板剥离荷载试件剥离荷载，如表4所示.14一B-112BP-1BP-210864200501001502002500300350400450荷载/kN图10 试件界面剪应力-荷载曲线Fig.10Interfacial shear stress-load curve of specimen表4试件的剥离荷载Tab.4 Stripping load of specimen试件编号最小剪应力/MPaB-11.584BP-11.478BP-21.9843.2.4CFRP板强度利用率分析CFRP板利用率为极限荷载对应的应变（包括初始应变)与其极限应变的比值表5是试件不同阶段的CFRP板利用率其中初始应变取张拉完成后放张拉时的瞬时应变，钢梁屈服和极限荷载对应的应变取跨中CFRP板处.表5碳板利用率Tab.5Utilization ratio of CFRP plate初始屈服荷载试件利用应变对应的应编号率/%/ue变/ueB-10BP-11200BP-22100由表5可知钢梁屈服时，非预应力CFRP板加固钢梁的碳纤维板利用率仅为18.9%，而15%fu预应力水平下CFRP板利用率提高到33.34%；对比极限状态，非预应力CFRP板加固钢梁的碳纤西安建筑科技大学学报(自然科学版)e-ei+lEptpTi+0.5Li,i+1223418.92.41824.12.90133.34第55卷维板利用率为56.7%，造成大量的浪费但预应(2)力CFRP板的自身利用率显著提高，其中15%fu预应力水平对应的利用率为7 1.59%可见预应力CFRP片材能够充分发挥材料性能，提升碳纤维板的利用率，使CFRP片材对结构起到主动加固的作用.4结论(1)CFRP板加固锈损钢梁的破坏均为CFRP板的撕裂，试件破坏后CFRP板产生510 mm纵向滑移粘结剪应力主要集中在碳纤维板端部区域，且剪应力峰值出现在加载点；(2)预应力CFRP板可有效提升锈损钢梁承载力，最高达2 3.2 6%；相比于未锈损钢梁，预应力CFRP板加固锈损钢梁可将其极限承载力恢复至92.82%10 5.98%，说明预应力CFRP板可将锈蚀钢梁承载力恢复至未锈蚀状态；（3）预应力CFRP板加固钢梁显著提升CFRP板利用率，非预应力CFRP板加固钢梁的碳纤维板利用率仅为56.7%，15%fu预应力水平对应的碳纤维板利用率为7 1.59%.参考文献References剥离荷载/kN1 徐善华，张宗星，苏超，等中性盐雾环境锈蚀H型375钢柱抗震性能试验研究J.建筑结构学报，2 0 19，40380(1):49-57.370XU Shanhua,ZHANG Zongxing,SU Chao,et al.Experimental study on seismic behavior of corroded H-shaped steel columns under neutral salt spray environ-mentJ.Journal of Building Structures,2019,40(1):49-57.2徐善华，张宗星，何羽玲，等考虑蚀坑影响的腐蚀钢板力学性能退化试验研究J西安建筑科技大学学报（自然科学版），2 0 17，49（2）：16 4-17 1.XU Shanhua,ZHANG Zongxing,HE Yuling,et al.Experimental study on monotonic tensile behavior ofcorroded steel in neutral salt spray environmentJ.J.极限荷载利用对应的应率变/ue/%850156.78 41064.1863971.59of Xian Univ.of Arch.&.Tech.,2017,49(2):164-171.3 ZHAO Xiao-Lin,ZHANG Lei.State-of-the-art reviewon FRP strengthened steel structures.EngineeringStructuresJ,2007,（2 9):18 0 8-18 2 3.4程璐，冯鹏，徐善华，等.CFRP加固钢结构抗疲劳技术研究综述J.玻璃钢复合材料，2 0 13，（4)：58-6 2.CHENG Lu,FENG Peng,XU Shanhua,et al.TheTechnology and Research of Steel Structure Strength-ened with CFRPJ,Composites Science and Engi-第4期neering,2007,(29):1808-1823.5彭福明，岳清瑞，郝际平.碳纤维增强复合材料(CFRP)加固修复损伤钢结构J.工业建筑，2 0 0 3.33(9):7-10.PENG Fuming,YUE Qingrui,HAO Jiping.CFRPfor strengthening and repairing of damaged steel struc-tureJ.Industrial Construction,2003.33(9):7-10.6 卢亦焱，龚田牛，李杉，等预应力碳纤维布加固钢梁抗弯承载力研究J铁道学报，2 0 13，35（6）：104-109.LU Yiyan,GONG Tianniu,LI Shan,et al.Study onflexural strength of steel beams strengthened with pre-stressed carbon fiber reinforced polymer(CFRP)J.Journal of the China Railway Society,2013,35(6):104-109.7吴涛.预应力碳纤维布加固钢梁抗弯性能研究D.武汉：武汉大学，2 0 0 5.WU Tao.Research on flexural behavior of steel beamsstrengthened with prestressed CFRP sheetsD.Wu-han:Wuhan University,2005.8刘清平,王静峰.采用H型钢梁与碳纤维布加固在工程中的应用J结构工程师，2 0 0 4，2 0（6）：7 0-7 3.LIU Qingping,WANG Jingfeng.Application of H-Shaped Beam and CFRP Sheet in Strengthening of aBuildingJ.Structural Engineers，2 0 0 4,2 0（6):70-73.9STRATFORD T,CADEI J.Elastic analysis of adhe-sion stresses for the design of a strengthening platebonded to a beamJ.Construction and Building Mate-rials,2006,20(1-2):34-45.1o ZHOU Y,FAN H,JIANG K,et al.Experimentalflexural behaviors of CFRP strengthened aluminumbeamsJ.Composite Structures,2014,116（1):761-771.11】贾永辉.预应力CFRP板加固带缺陷钢梁抗弯性能试验研究D.广州：广东工业大学,2 0 17.JIA Yonghui.Experimental study on the flexural ca-pacity of notched stel beams strengthened with pres-tressed CFRP plateD.Guangzhou:Guangdong Uni-versity of Technology,2017.张宗星，等：预应力碳纤维板加固锈损钢梁抗弯性能试验研究2022,39(2):746-758.LI Anbang,XU Shanhua.Effect of corrosion on thesurface properties of steel plate and interfacial bondingproperties between CFRP plate and corroded steelplateJ.Acta Materiae Compositae Sinica,2022,39(2):746-758.【14李安邦，徐善华，吴成，等.外贴CFRP板加固锈蚀钢板疲劳性能试验研究J土木工程学报，2 0 2 1，54(7):62-72.LI Anbang,XU Shanhua,WU Cheng.Experimentalstudy on the fatigue performance of corroded steelplate strengthened with externally bonded CFRP platesJ.China Civil Engineering Journal,2021,54(7):62-72.15武汉材料保护研究所.人造气氛锈蚀试验-盐雾试验：GB/T101252012S.北京：中国标准出版社,2 0 12.Wuhan Research Institute of Materials Protection.Corrosion test in artificial atmosphere-salt spray test:GB/T 101252012 S.Beijing:China StandardsPress,2012.16中国兵器工业第五九研究所金属和合金的腐蚀-户外周期喷淋暴露试验方法：GB/T245172009S.北京：中国标准出版社，2 0 0 9.No.59 Institute of China Ordnance Industry.Corro-sion of metals and alloys-Outdoor cyclic spray expo-sure test method:GB/T 24517-2009 S Beijing:China Standards Press,2009.(编辑郑晓龙沈波59712霍君华，王连广，张海伏，等预应力CFRP布加固腐蚀钢梁试验研究J建筑结构学报，2 0 15，36(11):72-77.HUO Junhua,WANG Liangguang,ZHANG Haifu,et al.Experimental research on prestressed CFRPsheets strengthened corroded steel beamsJ.Journalof Building Structures,2015,36(11):72-77.13李安邦，徐善华锈蚀对钢板表面特性及CFRP板-锈蚀钢板界面黏结性能的影响J复合材料学报，