东北大学 资源与土木工程学院, 辽宁 沈阳 110819
收稿日期：2017-06-02
基金项目：国家自然科学基金资助项目(51504125);辽宁省自然科学基金资助项目(20170540303)。
作者简介：侯雯峪(1987-), 女, 辽宁本溪人, 东北大学博士研究生;
王连广(1964-), 男, 辽宁鞍山人, 东北大学教授, 博士生导师。
摘要：为研究预应力CFRP布加固腐蚀钢梁静载、超载的抗弯性能, 进行了7根钢梁的抗弯试验, 研究了加固梁在静载及超载下的破坏形态、承载力和刚度.结果表明, 加固钢梁可以提高钢梁的承载力与刚度, 预应力的存在, 可以显著提高CFRP布的利用率; 腐蚀程度影响钢梁的刚度与极限承载力, 腐蚀程度增加1倍, 钢梁的承载力降低50%左右.超载次数增加, 钢材发生时效硬化, 钢梁刚度可提高13%左右, 但承载力有所降低; 超载下, 预应力的施加可提高钢梁的延性.建立了预应力CFRP布加固腐蚀钢梁的承载力计算公式, 理论计算结果与试验结果吻合良好.
关键词：超载预应力CFRP布腐蚀钢梁时效硬化刚度
Flexural Behavior of Corroded Steel Beams Strengthened with Prestressed CFRP Sheets Under Overloading
HOU Wen-yu, WANG Lian-guang
School of Resources & Civil Engineering, Northeastern University, Shenyang 110819, China
Corresponding author: WANG Lian-guang, E-mail: wanglianguang@mail.neu.edu.cn
Abstract: In order to investigate the flexural behavior of corroded steel beams strengthened with prestressed CFRP sheets under static loading or overloading, the bending tests of seven steel beams were carried out to study the failure mode, bearing capacity and stiffness of the corroded steel beams. The results showed that the CFRP sheets could improve the stiffness and bearing capacity, and adding prestress to the steel beam could remarkably improve the use of CFRP sheets. The corrosion could influence both the stiffness and bearing capacity. The bearing capacity decreased by about 50% when the corrosion degree increased by 1 times. The improvement of the overloading numbers can improve the stiffness by 13% because of the steel's age hardening, but the bearing capacity can reduce. And the prestress can improve the ductility of the steel beam. The formula of ultimate bearing capacity was established, and the calculated results agreed well with the experimental results.
Key words: overloadingprestressed CFRP sheetscorroded steel beamage hardeningstiffness
钢结构桥梁受到环境等因素的影响易发生腐蚀, 导致其承载力与耐久性降低, 已有的对钢结构加固的方法有预应力加固、底部焊接或锚固钢板加固、外包钢加固等.近年来, 碳纤维增强复合材料(carbon fiber reinforced polymer, CFRP)由于质量轻、强度高、耐腐蚀性良好等优点, 得到了业界的青睐[1-3].加固后的钢结构桥梁由于车流量的增加会处于超载工作状态, 根据美国公路运输部(AASHO)规定[4], 正常使用极限状态下桥梁构件内部钢筋应力不超过钢筋屈服应力的0.6, 当超过这一限值则视为超载运营.许多专家、学者对CFRP材料加固钢结构、超载下的混凝土结构进行了研究[5-10], 但对加固腐蚀钢梁的超载研究很少.本文对预应力CFRP布加固腐蚀钢梁的静载、超载的受力性能进行了试验研究, 考虑了预应力、超载次数等参数对试件的影响.
1 试验概况1.1 试件制作试验中共制作7根受弯试验构件.其中, 1根为对比钢梁, 3根为静载作用的加固腐蚀钢梁, 3根为超载作用的加固腐蚀钢梁.试件长1.6 m, 计算长度1.5 m, CFRP布的粘贴长度为1.3 m.用钢梁下翼缘切除宽度的百分比来模拟钢梁的腐蚀程度.CFRP布沿钢梁下翼缘受拉区长度方向粘贴, 并在CFRP布的两端采用100 mm宽的U型箍进行锚固.试件的几何尺寸, 见图 1.试件的主要参数, 见表 1.
图 1(Fig. 1)
 | 图 1 试件几何尺寸及加固方式(mm)Fig.1 Dimension of the specimens and strengthened method |
表 1(Table 1)
 表 1 试件的设计参数Table 1 Parameters of specimens
| 表 1 试件的设计参数 Table 1 Parameters of specimens | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
1.2 材料性能钢梁采用I14号工字钢, 其屈服强度与极限抗拉强度分别为256, 423 MPa.CFRP布的主要力学性能, 见表 2.
表 2(Table 2)
表 2 CFRP布的主要力学性能Table 2 Mechanical properties of CFRP sheet
| 表 2 CFRP布的主要力学性能 Table 2 Mechanical properties of CFRP sheet |
1.3 预应力的施加施加预应力的装置, 见图 2.将CFRP布粘贴在工字钢两端的固定钢板上, 再将可移动钢板放在固定钢板上并用4个螺栓与固定钢板锚固; 调整装置中的螺杆使其两端高度一致, 将CFRP布撑起并处于紧绷状态; 通过螺杆升起高度来确定预应力大小, 并在CFRP布上贴应变片确保预应力施加准确, 当达到设定预应力时, 停止扭动螺帽.
图 2(Fig. 2)
 | 图 2 施加预应力装置Fig.2 Equipment for prestressing CFRP sheet |
1.4 加载方案在5 MN压力机上分别进行超载与静载试验, 超载加载过程采用荷载控制, 需要在压力机上分别设定荷载的上下限及超载次数; 静载加载过程采用分级单调加载.试验加载装置, 见图 3.
图 3(Fig. 3)
 | 图 3 加载装置图(mm)Fig.3 Loading device of experiment |
2 试验结果及分析2.1 试验现象对比试件SB0:在荷载作用的初始阶段, 试验构件的变形很小; 当加载到30%Pu左右时, 钢梁的下翼缘屈服; 当加载到70%Pu左右时, 钢梁的上翼缘屈服; 当加载到136.6kN时, 钢梁的上翼缘失稳, 试件发生破坏; 钢梁破坏时, 下翼缘切口宽度由原来的3 mm扩展到7 mm, 见图 4a.
图 4(Fig. 4)
 | 图 4 试件破坏图Fig.4 Failure patterns of specimens |
试件CFSB1~CFSB3(静载试件):加载的初始阶段, 试验构件变形均较小, CFRP布与钢梁均处于弹性受力工作阶段; 当加载到35%Pu左右时, 钢梁下翼缘屈服; 当加载到65%Pu~85%Pu时, 钢梁上翼缘屈服; 荷载达到95%Pu左右时, CFRP布接连有清脆声音发出, 继续加载, 试件破坏.破坏时, 试件CFSB1的CFRP布与钢梁下翼缘部分剥离、拉断, 下翼缘切口宽度由原来的2 mm扩展为6 mm; 试件CFSB2的部分CFRP布断裂, 钢梁上翼缘失稳, 下翼缘切口宽度由原来的2 mm扩展到3.1 mm; 试件CFSB3的部分CFRP布剥离, 钢梁下翼缘断裂, 下翼缘切口宽度由原来的2.5 mm扩展到18 mm, 并且深入腹板30 mm.试件的破坏形态, 见图 4b~图 4d.
试件CFSB4~CFSB6(超载试件):试件均超载100次, 最后一次加载, 加载的初始阶段, 试验构件变形均较小, CFRP布与钢梁均处于弹性受力工作阶段; 荷载达到55%Pu左右时, 钢梁下翼缘屈服; 荷载达到70%Pu~85%Pu时, 钢梁上翼缘屈服; 荷载达到95%Pu左右时, CFRP布接连发出清脆响声; 继续加载, 试件破坏.破坏时, 试件CFSB4的钢梁上翼缘失稳, 下翼缘切口宽度由原来的1.5 mm扩展到4.2 mm; 试件CFSB5的CFRP布拉断, 下翼缘切口宽度由原来的4.4 mm扩展到11.5 mm, 并且深入腹板24 mm; 试件CFSB6的CFRP布拉断, 下翼缘切口宽度由原来的2.7 mm扩展为5 mm.试件的破坏形态, 见图 4e~图 4g.
2.2 参数影响图 5~图 10是由试验得到预应力CFRP布加固腐蚀钢梁在静载、超载作用下的变形随荷载发展的曲线.由图可知, 曲线呈初始直线、弹塑性微弯及强化直线三个阶段.在加载初期, 曲线呈线性增长趋势, 初始直线段结束后, 变形增加速度加快, 试验构件的刚度降低, 曲线出现微弯曲段, 加固钢梁处于弹塑性工作状态, 持续加载, 曲线继续呈线性增长.
图 5(Fig. 5)
 | 图 5 CFRP布加固的影响Fig.5 Influence of strengthening with CFRP sheets |
图 6(Fig. 6)
 | 图 6 腐蚀程度的影响Fig.6 Influence of corrosion |
图 7(Fig. 7)
 | 图 7 预应力的影响Fig.7 Influence of prestress |
图 8(Fig. 8)
 | 图 8 超载次数的影响Fig.8 Influence of overloading number |
图 9(Fig. 9)
 | 图 9 超载下预应力的影响Fig.9 Influence of prestress under overloading |
图 10(Fig. 10)
 | 图 10 超载下腐蚀程度的影响Fig.10 Influence of corrosion under overloading |
1) CFRP布加固的影响, 见图 5.由图可知, 在荷载作用的初始阶段, 试件SB0与CFSB2的刚度相差不大, 继续加载至初始直线段结束前, 试件CFSB2的刚度比SB0提高19.5%, 最终其极限荷载比SB0提高15.8%.说明, CFRP布可以充分发挥其高强度作用, 明显提高试件的刚度与极限承载力.
2) 腐蚀程度的影响, 见图 6.由图可知, 腐蚀程度从试件加载的初始阶段影响就较大, 腐蚀程度为50%的试件CFSB1的刚度比腐蚀程度为100%的试件CFSB3提高55.6%, 极限荷载比CFSB3提高58.7%.说明, 钢梁的腐蚀程度增加1倍, 试件的刚度与极限承载力均可降低50%左右.
3) 预应力的影响.从图 7可以看出, 荷载作用的初始阶段, 预应力已经开始发挥作用了, 试件CFSB1的刚度比CFSB2提高16.1%, 极限荷载比CFSB2提高1.1%.说明, 预应力在加载的初始阶段已经发挥作用, 其对刚度有着较大的影响, 但对极限承载力影响较低.
4) 超载次数的影响, 见图 8.由图可知, 由于CFSB6进行超载100次, 钢材发生时效硬化, 所以曲线在初始直线段结束前, 试件CFSB6的刚度比CFSB1提高13.2%, 极限荷载比CFSB1降低5.4%.说明, 超载次数的增多, 试件的刚度会有所提高, 但极限承载力会有一定程度的降低.
5) 超载下预应力的影响.从图 9可以看出, 初始直线段结束前, 试件CFSB6的刚度比CFSB4提高2.7%, 极限荷载比CFSB4提高1.6%.说明, 预应力对超载一定次数的试件的刚度与极限承载力有着比较小的影响, 但施加预应力的试件CFSB6的延性有明显提高.
6) 超载下腐蚀程度的影响.从图 10可以看出, 腐蚀程度小的试件CFSB6的刚度比CFSB5提高83.1%, 极限荷载比CFSB5提高了59.8%.说明, 超载一定次数的试件的腐蚀程度增加1倍, 其刚度与极限承载力可降低50%以上.
2.3 应变分析1) CFRP布和钢梁的下翼缘应变.CFRP布和钢梁的下翼缘的应变随荷载发展的曲线, 见图 11.在加载初期曲线呈线性增长, 当加载到静载作用下试件的30%Pu~36%Pu(试件SB0为30%Pu, 试件CFSB1为33%Pu, 试件CFSB2为34%Pu, 试件CFSB3为36%Pu), 超载作用下试件的55%Pu~57%Pu(试件CFSB4为57%Pu, 试件CFSB5为55%Pu, 试件CFSB6为55%Pu)时, 钢梁下翼缘屈服.说明, 超载一定次数, 钢材发生时效硬化, 下翼缘的屈服强度有所提高.继续加载, 试件CFRP布的荷载与应变关系曲线出现拐点, 随后应变增加速率加快.预应力CFRP布的最大拉应变为1.7×104左右, 接近其极限拉应变, 而非预应力CFRP布的最大拉应变约为1.0×104.说明施加预应力能够有效提高CFRP布的利用率.
图 11(Fig. 11)
 | 图 11 试件的荷载与应变关系曲线Fig.11 Relationship between load and strain (a)—SB0；(b)—CFSB1；(c)—CFSB2；(d)—CFSB3；(e)—CFSB4；(f)—CFSB5；(g)—CFSB6. |
2) 钢梁上翼缘的应变.钢梁上翼缘的应变随荷载发展的曲线, 见图 11.在加载初期曲线呈线性增长, 当加载到静载作用下试件的65%Pu~85%Pu(试件SB0为70%Pu, 试件CFSB1为70%Pu, 试件CFSB2为66%Pu, 试件CFSB3为72%Pu), 超载作用下试件的70%Pu~85%Pu(试件CFSB4为83%Pu, 试件CFSB5为70%Pu, 试件CFSB6为84%Pu)时, 钢梁上翼缘屈服, 此时曲线出现拐点.说明, 超载一定次数, 钢材发生时效硬化, 上翼缘的屈服承载力有所提高.
3 承载力计算根据试验研究, 以及钢梁的内力平衡, 可得加固腐蚀钢梁的承载力Mu为
Mu=fytw(h－ty－x)[(h－x－ty)/2+x+z]+ fyAs(h－z1－z)+EfεfAf(h－z).
式中:fy为钢材的抗拉强度设计值; tw, ty分别为钢梁腹板、翼缘的厚度; x为钢梁受压区高度; z, z1为钢梁腹板受压区及钢梁上翼缘形心高度; h为钢梁截面高度; As, Af分别为钢梁下翼缘及CFRP布的截面面积; Ef为CFRP布的弹性模量; εf为CFRP布拉应变.
根据上述承载力计算公式, 得到极限荷载的理论值与试验值对比结果, 见表 3.
表 3(Table 3)
表 3 理论结果与试验结果对比Table 3 Comparisons between theoretical and experimental results
| 表 3 理论结果与试验结果对比 Table 3 Comparisons between theoretical and experimental results | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
由表 3可见, 公式计算的承载力理论值与试验值符合较好, 两者之比的平均值、标准差、变异系数分别为1.007, 0.039, 0.038, 说明计算公式是可靠的, 可以用于实际工程计算.
4 结论1) 预应力CFRP布加固腐蚀钢梁在静载及超载下的荷载与变形关系曲线均呈现初始直线、弹塑性微弯及强化直线三个阶段.试件破坏模式主要有钢梁失稳破坏、CFRP布拉断、CFRP布拉断并且钢梁失稳及CFRP布与钢梁部分剥离4种形式.
2) 静载作用下, 钢梁加固后, 刚度与极限承载力分别提高了19.5%与15.8%;腐蚀程度小的钢梁的刚度与极限承载力比腐蚀程度大的钢梁分别提高55.6%与58.7%;施加预应力可提高钢梁的刚度.超载作用下, 超载次数的增加, 钢材发生时效硬化, 能够将刚度提高13.2%;施加预应力可提高钢梁的延性; 腐蚀程度小的钢梁的刚度与极限承载力比腐蚀程度大的钢梁分别提高83.1%与59.8%.
3) 超载一定次数后, 钢材发生时效硬化, 钢梁的上、下翼缘的屈服承载力均有所提高并且施加预应力能够有效提高CFRP布的利用率.
4) 建立了加固腐蚀钢梁的抗弯承载力公式, 计算结果与试验结果吻合良好, 计算公式是合理的, 可用于实际工程计算.
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