CFRP加固受壓中長圓管柱穩(wěn)定試驗研究

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

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

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

1 試驗設(shè)計

1.1 試驗材料

試驗鋼管采用Q235鋼，采用的碳纖維復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)材料為日本進口的型號為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《金屬材料拉伸試驗第1部分：室溫試驗方法》（GBT228.1-2010）中有關(guān)試驗的規(guī)定選取的，材性試驗具體尺寸見圖1。材料拉伸力學性能試驗在CMT5105電子萬能試驗機上進行，如圖2所示，鋼材力學性能見表1。由于試驗條件限制，所以本文參考廠家出具的出場材料的檢測報告中關(guān)于碳纖維布的具體材料力學性能參數(shù)。詳細的CFRP材料力學性能見表2。表1～2中fy為彈性模量；E為屈服強度；fv為極限強度；μ為泊松比；δ為斷裂伸長率。

圖1 材性試驗尺寸

鋼材力學性能 表1

CFRP布力學性能 表2

1.2 試驗設(shè)計

本次試驗采用10根長度為1500mm的Q235無縫圓鋼管，所有圓管規(guī)格為102mm×4mm，構(gòu)件長細比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。為方便進行試驗，對試件進行對應(yīng)因素的編號，比如編號“B-1Z10E30C”表示試件縱向粘貼1層碳布，荷載偏心10mm，加固前30%的負載。試件詳細參數(shù)見表3。

圖2 試件截面示意圖

本次試驗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，這比較真實的模擬柱兩端鉸接的情況。試件設(shè)計如圖2和圖3所示。

1.3 加載制度

本次試驗分為負載試件和非負載試件兩種情況，對負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行試驗加載。非負試件加載裝置為合肥工業(yè)大學結(jié)構(gòu)實驗室的YES-500型壓力試驗機，采用逐級加載的加載方式。兩種情況均使用JM3813型號的多功能靜態(tài)應(yīng)變測試系統(tǒng)來采集試驗中產(chǎn)生的應(yīng)變和荷載等數(shù)值。

①預加載。試驗前首先對已安裝好的試件進行預加載，目的是查看試件與加載裝置的接觸情況和檢測位移計及應(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

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

②正式加載。非負載試件在YES-500型壓力試驗機上進行加載。采用分級加載的方式進行正式加載，每級荷載增量20kN，持荷的時間為30s；當壓力值達到圓管柱理論計算值的60%時，則改為每級荷載增量10kN，持荷的時間為30s；當壓力值達到圓管柱理論計算值的80%時，則改為每級荷載增量5kN，持荷的時間為30s。

負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%)，并對試件進行持荷。持荷的期間進行粘貼CFRP加固試件，當脫氧樹脂結(jié)構(gòu)膠完全固化，粘結(jié)強度達到要求，為保證試件正常受力采用分級加載的方式進行正式加載，先每一級增加荷載10kN，持荷30s；在達到理論極限荷載值80%之后每一級增加荷載5kN，持荷1min。

圖7 加載裝置示意圖

2 試驗現(xiàn)象

10根試件均為整體失穩(wěn)破壞。試驗現(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，響聲就會再次響起。當荷載增加到284.6kN時，連續(xù)的噼啪脫落的響聲，這時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。對極限承載力變化進行極差數(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)、偏心距和負載百分比在各自對應(yīng)的水平下的平均提高率，用來反映各個因素的水平對極限承載力變化的影響。用極限承載力變化的極差R來反映各因素間水平條件的變化對極限承載力變化的影響程度的大小，極差值越大說明該因素越重要，越小說明該因素相對次要。根據(jù)正交表極差數(shù)據(jù)的計算方法，計算出試驗結(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對于中長圓管柱受壓失穩(wěn)模式為整體失穩(wěn)，柱中CFRP布剝離。

②基于正交試驗設(shè)計數(shù)值分析，影響中長柱極限承載力的因素主次順序為偏心距、CFRP層數(shù)、初始應(yīng)力。

正交試驗計算結(jié)果直觀表 表5