CFRP加固軸壓方鋼管短柱局部穩(wěn)定性試驗(yàn)研究

劉 俊， 完海鷹

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

加固修復(fù)鋼結(jié)構(gòu)一直以來都是土木工程領(lǐng)域研究的一項(xiàng)重要課題。近年來用它代替?zhèn)鹘y(tǒng)的加固材料在混凝土結(jié)構(gòu)加固領(lǐng)域得到了大量應(yīng)用[5]，CFRP加固鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)也受到重視并在進(jìn)行研究[3]。

本文是CFRP加固軸壓方鋼管柱局部穩(wěn)定性的試驗(yàn)研究，分析不同長細(xì)比和CFRP粘貼方向?qū)庸毯箐摴苤€(wěn)定極限承載力的影響，并利用ANSYS有限元分析軟件對CFRP加固軸壓試驗(yàn)進(jìn)行數(shù)值模擬分析。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)材料

本次試驗(yàn)共設(shè)計(jì)了12根軸壓方管柱試件，試件長度L分別為460mm、920mm、1380mm和1840mm。

圖1 方管截面設(shè)計(jì)尺寸示意圖

型號屈服強(qiáng)度/MPa彈性模量/GPa泊松比抗拉強(qiáng)度/MPaQ1952881990.3354

方鋼管截面設(shè)計(jì)寬度B為150mm，管壁設(shè)計(jì)厚度t為2.8mm，試件長細(xì)比λ分別為7、14、21和28，試件具體設(shè)計(jì)截面尺寸如圖1所示。試驗(yàn)采用的碳纖維織物是日本東麗UT70-30高性能碳纖維單向布，試驗(yàn)用結(jié)構(gòu)膠為日本進(jìn)口小西碳纖維浸漬樹脂E2500S型碳布膠。材料力學(xué)性能參數(shù)如表1所列。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

分析不同長細(xì)比和CFRP粘貼方向?qū)庸毯箐摴苤€(wěn)定極限承載力的影響。各試件的實(shí)際測量參數(shù)及相應(yīng)編號如表2所列。

表2 試件尺寸及編號表

1.3 試驗(yàn)現(xiàn)象

列舉部分試件破壞現(xiàn)象照片。如圖2所示。

圖2 試驗(yàn)現(xiàn)象

加載初期，CFRP與鋼管變形協(xié)調(diào)同步，膠層所受剪切力小于膠層剪切強(qiáng)度，二者粘接較好。柱底、柱中和柱頂管壁和CFRP應(yīng)變片讀數(shù)平穩(wěn)增長。荷載增加到臨近極限荷載時(shí)，開始傳出間斷的噼里啪啦脆響，判斷聲響來源方鋼管柱縱向粘貼的CFRP與管材外壁間發(fā)生剝離和膠層脫落，當(dāng)荷載達(dá)到極限承載力時(shí)，試件突然傳出連續(xù)的CFRP剝離的噼啪脆響，方鋼管喪失局部穩(wěn)定，此時(shí)管壁凹曲面和凸曲面的變形量迅速增長，并不斷向上下兩側(cè)擴(kuò)展形成連續(xù)的凹陷凸起變形狀態(tài)。加載結(jié)束，噼啪脆響隨即迅速消失。

通過觀察12根試件破壞現(xiàn)象，試件沿縱向出現(xiàn)3個(gè)屈曲半波，而環(huán)向僅出現(xiàn)1個(gè)屈曲半波，相鄰兩面破壞波形相反，非加載邊均產(chǎn)生一定程度的轉(zhuǎn)角。其中8根加固試件破壞后CFRP與鋼管均有不同程度的剝離現(xiàn)象。

2 數(shù)值分析模型

圖3 整體模型單元?jiǎng)澐?/p>

整體模型單元?jiǎng)澐秩鐖D3所示。在鋼管單元節(jié)點(diǎn)與鋼管-膠層界面節(jié)點(diǎn)、CFRP單元節(jié)點(diǎn)與CFRP-膠層界面節(jié)點(diǎn)之間，分別建立2對約束方程以確保變形協(xié)調(diào)，約束方程以節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)系為基準(zhǔn)[7]。采用映射劃分網(wǎng)格單元。建立模型時(shí)平移復(fù)制節(jié)點(diǎn)，使端板、鋼管柱、CFRP以及膠層上的節(jié)點(diǎn)能夠?qū)?yīng)，方便接觸界面上節(jié)點(diǎn)約束方程的建立。

3 結(jié)果分析

通過試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，各試件的破壞模式均為喪失局部穩(wěn)定性破壞。提取試件A-460L1NA、A-460L1NC、A-920L1NA與A-920L1NC破壞部位應(yīng)變片數(shù)據(jù)，如圖4所示。各個(gè)試件的極限承載力如表3所列。

圖4 荷載-CFRP應(yīng)變關(guān)系曲線

表3 試件極限承載力試驗(yàn)結(jié)果

3.1 試驗(yàn)結(jié)果

當(dāng)試件長細(xì)比為7，縱向加固1層CFRP時(shí)，試件極限承載力提高3.8%；環(huán)向加固1層CFRP時(shí)，極限承載力提高9.0%。當(dāng)試件長細(xì)比為14，縱向加固1層CFRP時(shí)，試件極限承載力提高4.7%；環(huán)向加固1層CFRP時(shí)，極限承載力提高7.9%。當(dāng)試件長細(xì)比為21，縱向加固1層CFRP時(shí)，試件極限承載力提高6.4%；環(huán)向加固1層CFRP時(shí)，極限承載力提高7.3%。當(dāng)試件長細(xì)比為28，縱向加固1層CFRP時(shí)，試件極限承載力提高7.8%；環(huán)向加固1層CFRP時(shí)，極限承載力提高6.5%。

3.2 模擬結(jié)果

表4 ANSYS分析極限承載力結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對比

ANSYS模擬的各試件極限穩(wěn)定承載力具體數(shù)值如表4所列。對比試驗(yàn)結(jié)果和數(shù)值模擬結(jié)果，兩者之間差別不大，兩者相互印證了各自的準(zhǔn)確性和有效性；在極限承載力方面，通過有限元模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果相對比相對誤差最大為8.9%，本文建立的有限元模型可以較好的模擬試驗(yàn)情況。

4 結(jié)論

(1)縱向粘貼CFRP。加固機(jī)理如下：加載初CFRP沿軸向全截面受壓，分擔(dān)一小部分壓應(yīng)力，無法充分發(fā)揮CFRP的抗拉強(qiáng)度優(yōu)勢。隨著荷載繼續(xù)增加，部分CFRP為了限制方鋼管局部向外凸曲變形，開始從壓應(yīng)力狀態(tài)逐漸向拉應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)換。當(dāng)荷載達(dá)到鋼管極限承載力時(shí)，鋼管局部變形量迅速增長，膠層剪切應(yīng)力超過膠層抗剪強(qiáng)度，導(dǎo)致CFRP與鋼管管壁間發(fā)生相對錯(cuò)動(dòng)而剝離破壞。

(2)環(huán)向粘貼。CFRP加固機(jī)理如下：加載初CFRP沿環(huán)向受拉，隨著方鋼管局部向外凸曲變形的產(chǎn)生，該部位CFRP通過環(huán)箍作用限制向外凸曲變形的發(fā)展，管壁向內(nèi)凹曲部位的CFRP將發(fā)生應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)換，從受拉狀態(tài)逐漸過渡到受壓狀態(tài)。當(dāng)荷載達(dá)到鋼管極限承載力時(shí)，鋼管變形量迅速增長，部分CFRP被拉斷，膠層剪切應(yīng)力超過膠層抗剪強(qiáng)度，導(dǎo)致CFRP與方鋼管管壁間發(fā)生相對錯(cuò)動(dòng)而剝離破壞。

(3)長細(xì)比。試驗(yàn)中方鋼管柱隨長細(xì)比增加，縱貼CFRP加固后鋼管極限承載力提高幅度逐漸上升，環(huán)貼CFRP加固后鋼管極限承載力提高幅度逐漸下降。因此本文建議當(dāng)方鋼管柱長細(xì)比不大于23時(shí)，采用環(huán)向粘貼CFRP加固鋼管，當(dāng)長細(xì)比大于23時(shí)，采用縱向粘貼CFRP加固鋼管。

本文研究內(nèi)容為我國新編國家標(biāo)準(zhǔn)《鋼結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)規(guī)范》和相關(guān)工程設(shè)計(jì)方法提供理論分析和試驗(yàn)依據(jù)。