摘要：本文基于钢结构加固需求的迅速增加，阐述了应用粘贴纤维增强复合材料加固钢结构的新方法，并通过对Hamid Kazema等人的研究，介绍使用小直径CFRP钢绞线对钢桥梁进行剪切加固的效果，通过一个综合实验研究CFRP加固比和股线方向的影响。研究结果表明其方法可有效提高钢桥梁的抗剪承载力。
关键词：钢结构；加固；小直径CFRP；钢梁；强化三
1 国内外钢结构加固的需求和迫切性不断增加
20世纪80年代随着我国经济快速发展，钢产量居世界之首，钢结构在工业建筑、民用建筑、公共建筑和桥梁建设等领域得到广泛应用。钢结构质量轻、抗震性能好、基础造价低、工业装配化程度高、综合效益高、绿色环保等优点，在工程建设领域中得到大量运用[1]。同时，钢结构体系施工复杂、防火性能差、技术不够完善、工程人才匮乏、实际桥梁运营中超载运营或钢的腐蚀等等问题，造成安全事故多、带来损失大。因此，针对既有钢结构建筑物进行更好地维修、加固与改造，是工程界面临的紧迫任务。
2 国内外应用CFRP加固钢结构新技术的研究现状
2.1 FRP材料在加固混凝土结构和砌体结构中普遍应用
现有钢结构加固新技术中，粘贴纤维增强复合材料(FRP)加固钢结构，国内外研究起步较晚，相比其他钢结构加固方法应用实例也较少。纤维增强复合材料(FRP) 具有优异的物理、力学性能，如比强度和比刚度高、抗疲劳性能和耐腐蚀性能好、现场可操作性强、施工周期短、不损伤原结构等，目前已广泛用于混凝土结构和砌体结构的加固之中[1,2,3]，从而在全世界范围内得到了越来越多的认可。但FRP材料用在加强钢结构时，其弹性模量低于钢材的弹性模量，加强作用不大。
2.2 FRP材料在加固钢结构应用中的新进展
FRP是一种复合材料，包括通常嵌入树脂基质中的碳纤维，玻璃纤维，玄武岩纤维或芳纶纤维。使用外部粘结的FRP复合材料系统强化结构的一个关键问题是由于强化材料的剥离而失效。常用的FRP 有三种，即碳纤维增强复合材料(CFRP) 、玻璃纤维增强复合材料(CFRP))和芳纶纤维增强复合材料(AFRP)，由于钢结构的强度和刚度高，因此采用强度和弹性模量相对较高的CFRP 较为合适，而且除对钢管柱采用FRP布进行环向加固之外，宜采用板材对钢构件进行加固。最近几年生产的高模量碳纤维增强塑料（CFRP）弹性模量类似于或高于钢的弹性模量的层压板，为加固钢结构提供了一种有前途的替代方法，用于外部粘合强化钢结构。由于FRP复合材料和钢基板之间经典的脱粘失效的不确定性和突然性，而层压板仅从一侧粘合到基材上，所以通过大量实验和分析研究粘合行为尤为重要[2]。钢梁的抗弯强化通常用作研究CFRP与钢基材之间粘结机理的初始步骤。许多研究探索了使用外部粘合的高模量CFRP材料大幅提高强化钢构件的弯曲能力和刚度[3]和[4]。但CFRP用于钢结构剪切强化的研究很少。
2.3 本文介绍CFRP加固系统对钢结构抗剪切的强化效果研究
钢桥梁钢腹板的典型破坏模式是在施加剪力的主压应力方向上屈曲。因此，可以通过增强腹板的抗弯曲性来增加钢桥梁的剪切能力。目前关于钢桥梁FRP剪切强化的研究很少。有Patnaik等人[4]当采用高拉伸单向CFRP层压板加强纤维网时，钢制工字梁的抗剪切能力可提高26％。其失效模式是由来自梁腹板的CFRP层压板的剥离决定的。以前使用相同CFRP钢绞线的研究已经证明其具有优越性，并对加强钢构件的弯曲和压缩强化应用非常有效。
本文介绍了一种相对较新的材料，它以小直径CFRP股线的形式用于钢板的剪切强化,CFRP股线缝合在一起，每根股线之间有间隙，使粘合剂完全包裹每根股线从而产生良好的粘接性，从而对钢板剪切强化，并有望指导实践。
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3 实验介绍
3.1 材料特性
（1）使用万能试验机（UTM）制备并测试了四组由积层钢梁样品切割的狗骨型钢组件。 通过引伸计测量电子管的伸长率，并且施加的载荷由UTM称重传感器直接测量。
（2）在该程序中使用的高模量小直径CFRP股线。测试从CFRP对照板上切下的狗骨试样，以确定CFRP复合材料的性质。
3.2 测试设置
实验计划包括测试6.4m的组合钢梁。将4.8mm厚的梁腹板用9.5mm厚的板加固，形成914mm×914mm的板。法兰的宽度为381mm，厚度为12.7mm。梁的支撑跨度为3.7m，梁采用预制的A型框架进行横向支撑。钢梁所施加的负载分别用两个和四个445kN容量的千斤顶，用于控制和加强板，相同的梁多次用于测试板。
3.3 仪表
通过电阻应变仪测量每个测试板中点处的应变。两个应变计安装在未加强的控制面板的上下面。每个加强板的中点附四个应变计;在基底钢网的每个面上有一个应变计，在CFRP复合材料的每个外表面上有一个应变计。使用红外发射二极管测量每个测试板的平面变形。
3.4 加强系统应用
CFRP股线的应用需要先喷砂钢并用丙酮清洁表面，再用涂有底漆树脂的涂层覆盖表面并使其固化至少2小时。在施加底漆后，将应变仪连接到测试板的每侧中心，并用加压空气清洁面板。在底漆树脂完全固化后，施加聚脲腻子并使其固化至少6小时。最后施加环氧树脂和CFRP股线，同时钢梁处于垂直方向来模拟现场条件。在施加环氧树脂层之后，根据规定的取向将CFRP股线粘合到测试板上。连接到面板钢面上的应变仪座的引线穿过股线之间间隙，将CFRP股线牢固地压在钢板上挤出多余的环氧树脂以除去任何气穴后，在CFRP股线的顶部施加第二层环氧树脂。最后，将强化的板在测试前保持控制环境中至少七天以固化。
3.5 测试方案
总结了对四个钢网板进行的总共12次测试。该研究中包括的因素是纤维取向和CFRP增强比。每个小组测试三次：先进行有强化的控制测试，再在每个面上使用一层CFRP材料进行强化测试，最后在每个面上安装第二层CFRP后进行强化测试。
4 结论
本文研究了小直径CFRP材料对钢桥梁抗剪加固的有效性。试验结果表明，高模量 CFRP可有效提高钢梁的抗剪承载力，且无脱粘失效。具体结论如下：
（1）高模量小直径CFRP钢绞线是提高钢桥梁抗剪承载力的有效材料。
（2）本实验所用的强化系统提供优异的粘合性能。
（3）通过提高CFRP配筋率，增强系统的有效性。
（5）在主要压力应力方向上应用CFRP股线可以提供最有效的强化方向。但是，为了避免材料浪费和人工成本，建议在垂直方向上涂上第一层CFRP材料，然后附加额外的层或与底层正交。
参考文献
[1]王元清,宗亮等，钢结构加固新技术及其应用研究[J].工业建筑，2017，47(2) : 1-6.
[2]杨勇新，岳清瑞等，碳纤维布加固钢结构的黏结性能研究[J].土木工程学报，2006，39( 10) : 1-5，18．
[3]张宁，岳清瑞等，碳纤维布加固钢结构疲劳试验研究[J].工业建筑，2004，34( 4) : 19-21，30.
[4] Hamid Kazema, Ye Zhanga,CFRP shear strengthening system for steel bridge girders,Engineering Structures 175 (2018) 415-424.
论文作者:卢小彦
论文发表刊物:《基层建设》2019年第20期
论文发表时间:2019/9/20
标签：钢结构论文; 复合材料论文; 测试论文; 钢梁论文; 材料论文; 弹性模量论文; 腹板论文; 《基层建设》2019年第20期论文;