cfrp加固修復鋼結(jié)構(gòu)的技術(shù)研究

cfrp加固修復鋼結(jié)構(gòu)的技術(shù)研究

在服務(wù)的技術(shù)結(jié)構(gòu)中，有許多基于鋼的結(jié)構(gòu)，如橋梁、建筑、結(jié)構(gòu)、沿海和海上工程、石油壓力容器、管道、塔桅等。由于生產(chǎn)、制造、施工、使用及環(huán)境等因素的影響,在這些鋼結(jié)構(gòu)中不可避免地存在各種各樣的缺陷和損傷,尤其是在長期服役的鋼結(jié)構(gòu)中更為突出。在荷載和環(huán)境等因素的作用下,材料的微細結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,引起材料宏觀力學性能的劣化,最終導致鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件宏觀開裂或材料破壞甚至造成工程事故。為了延長損傷鋼結(jié)構(gòu)的使用壽命并確保結(jié)構(gòu)安全工作,就必須對損傷結(jié)構(gòu)構(gòu)件進行更換或加固,更換這些構(gòu)件將浪費大量的人力、財力和物力,而且會影響結(jié)構(gòu)的正常使用。同時,結(jié)構(gòu)損傷具有局部性和多發(fā)性特點,這些結(jié)構(gòu)不可能在出現(xiàn)損傷時就立即退役。因此,尋求經(jīng)濟高效的鋼結(jié)構(gòu)修復技術(shù)既是土木工程領(lǐng)域亟待解決的技術(shù)問題,又是一個關(guān)系到可持續(xù)發(fā)展的社會問題。近年來,纖維增強復合材料(FRP)粘結(jié)修復技術(shù)作為一種高效率、低成本的先進結(jié)構(gòu)修復方法,已在土木工程中受到重視并進行了廣泛研究。美國、日本和一些歐洲國家于20世紀80年代率先開展了這方面的研究工作,國內(nèi)的研究則開始于1996年。目前碳纖維增強復合材料(CFRP)修復混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)已經(jīng)成熟并廣泛應用于混凝土梁、板、柱、橋墩等結(jié)構(gòu)的加固中。人們對FRP用于砌體結(jié)構(gòu)的修復補強技術(shù)也進行了一些試驗研究和理論分析。目前,國內(nèi)外對碳纖維增強復合材料(CFRP)粘結(jié)修復鋼結(jié)構(gòu)這一技術(shù)的研究、試驗和應用涉足甚少。因此,如何將高性能復合材料粘結(jié)修補技術(shù)引入到鋼結(jié)構(gòu)工程的修復中,以提高鋼結(jié)構(gòu)的承載能力并改善其疲勞性能,提高結(jié)構(gòu)服役的可靠性,將是鋼結(jié)構(gòu)工程加固修復領(lǐng)域中的一次技術(shù)性革命。1管道焊縫的焊接采用傳統(tǒng)的焊接加固方法時,高溫作用會使焊接部位的組織及性能劣化、材質(zhì)變脆、斷裂韌性降低、抵抗脆斷的能力變差;而且焊縫常?；蚨嗷蛏俚卮嬖谝恍┤毕?會產(chǎn)生新的裂紋,引入新的斷裂源;焊接后結(jié)構(gòu)內(nèi)部存在殘余應力,與其他作用結(jié)合可能導致開裂;焊接使結(jié)構(gòu)形成連續(xù)的整體,裂縫一旦失穩(wěn)擴展,就有可能一斷到底;焊接時,如果焊條選擇不當,則焊縫與母材組成電偶對,將大大提高焊縫的電偶腐蝕速度。采用螺栓連接或鉚接方法需要在損傷部位附近的母材上開孔,從而削弱了截面,惡化了損傷區(qū)域的受力情況,形成新的應力集中區(qū);普通螺栓在動荷載作用下易發(fā)生松動,高強螺栓易發(fā)生應力松弛現(xiàn)象,鉚接溫度過高,易引起局部材質(zhì)硬化,且鉚接質(zhì)量不易控制,降低了結(jié)構(gòu)的修補效果。粘鋼加固技術(shù)是在鋼結(jié)構(gòu)表面用特制的建筑結(jié)構(gòu)膠粘貼鋼板,依靠結(jié)構(gòu)膠使之粘結(jié)形成整體共同工作,以提高結(jié)構(gòu)承載力的一種加固方法。該技術(shù)始于20世紀60年代,簡單、快速,不影響結(jié)構(gòu)外形,在國際上廣泛應用于建筑、公路橋梁的加固中。但是,這些常規(guī)的修補方法共同的缺點是使結(jié)構(gòu)重量增加很多,不易將鋼板制作成復雜形狀,運輸和安裝也不方便,耗時、費力,質(zhì)量不易保證,而且鋼板容易銹蝕,會影響粘結(jié)強度,維護費用高。2復合材料加固術(shù)復合材料補強片粘結(jié)修復損傷鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)是利用粘結(jié)劑將已固化的、半固化的(B階段)或未固化的復合材料預浸料補強片粘貼到鋼結(jié)構(gòu)損傷部位的表面,使一部分荷載通過膠層傳遞到補強片上,降低了結(jié)構(gòu)損傷部位的名義應力,從而延長結(jié)構(gòu)的使用壽命。與常規(guī)的修補方法相比,粘結(jié)復合材料修復技術(shù)具有明顯的優(yōu)勢:1)復合材料補強片的比強度和比剛度高,加固修補后,基本不增加原結(jié)構(gòu)的自重和原構(gòu)件的尺寸。2)由于復合材料的可設(shè)計性,能適應特殊要求,最大限度地提高結(jié)構(gòu)的修補效果。3)復合材料具有良好的抗疲勞性能和耐腐蝕性能。4)該方法不需要對原結(jié)構(gòu)鉆孔,不減小構(gòu)件橫截面面積,不會形成新的應力集中源。5)柔性的復合材料對于任意封閉結(jié)構(gòu)和形狀復雜的被加固結(jié)構(gòu)表面(如壓力容器、管道、安全殼等)具有特別的優(yōu)勢,有效粘貼率可達到100%。密封性較好,減少了滲漏甚至腐蝕的隱患,對石油化工用壓力容器、城市供水、供氣管道等尤為重要。6)該方法特別適合于結(jié)構(gòu)局部損傷和腐蝕等的修復。7)該方法簡便易行、成本低、效率高,在狹小空間亦可施工,特別適合現(xiàn)場修復。8)施工過程中無明火,適用于特殊環(huán)境,如燃氣罐、儲油箱、井下設(shè)備(具有爆炸危險)、電纜密集處或化工車間、煉油廠等環(huán)境。9)有利于實現(xiàn)CFRP自感知的智能特性。用碳纖維增強復合材料作為加固修復材料,可以利用碳纖維自身的導電性能,根據(jù)補強片電阻的變化規(guī)律獲得加固修復部位的應變及應力信息,實現(xiàn)對該部位的安全監(jiān)視與診斷。3frp粘接修復技術(shù)的研究由于復合材料粘結(jié)修復技術(shù)明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的損傷修補技術(shù),因此,該技術(shù)引起了國內(nèi)外工程界的普遍關(guān)注。3.1修補結(jié)構(gòu)試驗研究Erdogan,Arin和Ratwani等人采用平面彈性理論的復變函數(shù)方法,以應力函數(shù)為出發(fā)點,用解析方法分析了含裂紋金屬板粘結(jié)復合材料補強片后的受力情況,對裂紋尖端的應力強度因子、補強片中的最大拉伸應力和膠層內(nèi)的最大剪應力進行了分析。Keer,Lin和Mura等人用富立葉變換,分析了結(jié)構(gòu)的粘結(jié)修補效果。Jones和Callinan等人采用有限元方法研究了復合材料補強片粘結(jié)修補中心穿透裂紋板的裂紋尖端應力強度因子、膠層中最大剪切應力和補強片中的最大拉伸應力。R.Chandra等利用J積分與有限元相結(jié)合的方法計算了孔邊裂紋板、中心穿透裂紋板的裂尖應力強度因子。Tran和Shek用有限元與邊界元相結(jié)合的方法,分析了粘結(jié)補強片的修補效果。Chue和C.H.Chang利用三維有限元計算了雙向加載下的中心穿透裂紋板的修補問題。C.T.Sun等利用“雙板-彈簧”模型考慮了中心穿透裂紋板的單邊及雙邊修補問題,并且計算了中心橢圓脫膠時裂尖的能量釋放率。試驗研究主要側(cè)重于修補后裂紋板的疲勞裂紋擴展方面。Alawi和Saleh對補強片粘結(jié)結(jié)構(gòu)通過疲勞裂紋擴展試驗,研究了補強片的幾何外形尺寸、修補結(jié)構(gòu)的表面質(zhì)量、補強片的數(shù)量、單面修補或雙面修補對疲勞裂紋擴展速率的影響。Baker還研究了修補結(jié)構(gòu)的脫膠及試驗溫度對修補效果的影響。3.2修補結(jié)構(gòu)的研究我國在復合材料粘結(jié)修補止裂技術(shù)方面的研究工作起步較晚,與先進國家相比還有很大差距,而且工作主要集中在用近似方法進行理論研究方面。吳小林、高永壽利用保角變換研究了帶裂紋和各種孔的缺損平板粘貼補強片后的修補效果。蔣金龍、趙名泮對用FRP補強片粘結(jié)修補的含裂紋金屬板采用8節(jié)點等參元進行了分析,計算了粘結(jié)修補后裂紋前緣應力強度因子及膠層剪應力分布等。徐建新將有限元方法與彈性理論的復變函數(shù)方法相結(jié)合,分析了補強片尺寸、膠層厚度等因素對修補效果的影響,并考慮了膠層的非線性變形。孫洪濤改進了R.Jones等人的數(shù)值計算方法,提出用剪切彈簧元和Mindlin板元共同考慮修補結(jié)構(gòu)的剪切效應,并提出了“雙板-膠元”修正模型和“雙板-彈簧元”修正模型。張寧等對粘貼碳纖維布加固修復鋼板的靜力拉伸性能和鋼吊車梁的疲勞性能進行了大量的試驗研究。馬建勛對粘貼不同面積碳纖維布加固后的鋼板進行了單軸拉伸試驗,研究了CFRP布對試件屈服荷載、承載力和延性的影響,并對CFRP布與鋼板的共同工作進行了初步分析。迄今為止,國內(nèi)外對FRP粘結(jié)修補技術(shù)的研究主要局限于航空工業(yè),用于修補飛機結(jié)構(gòu)中的復合材料結(jié)構(gòu)(如飛機的方向舵、機翼、蒙皮等)和高強度鋁合金薄壁構(gòu)件(如飛機的承載大梁等)的裂紋,對宏觀裂紋尖端的應力強度因子進行分析;試驗則集中于含有宏觀裂紋的鋁合金薄板采用FRP補強片粘結(jié)修補后,對其疲勞裂紋擴展速率影響的研究。而對FRP粘結(jié)修補技術(shù)在具有廣闊應用前景的鋼結(jié)構(gòu)領(lǐng)域,對其缺陷和損傷進行加固和修復方面的研究和應用則非常缺乏。4cfrp修復片連接修復鋼結(jié)構(gòu)的施工方法和步驟4.1cpr修復片的設(shè)計和準備4.1.1粘合劑、抗腐蝕用于結(jié)構(gòu)加固修補的碳纖維主要選用PAN基碳纖維,該纖維具有優(yōu)異的物理力學性能,良好的粘合性、耐熱性和抗腐蝕性。由于高溫固化樹脂的加熱速率以及在現(xiàn)場難以實現(xiàn)高溫環(huán)境,同時高溫固化還會導致較高的殘余熱應力,所以在現(xiàn)場采用常溫固化樹脂比較方便,樹脂體系大都采用環(huán)氧類材料。因此,該項技術(shù)采用碳-環(huán)氧復合材料。4.1.2纖維截面方向分析待修補結(jié)構(gòu)的受力特點、傳力路徑和應力-應變場,據(jù)此確定CFRP補強片的幾何參數(shù)(形狀、尺寸)和鋪層取向等。為獲得最佳的修補效果,補強片纖維方向(主軸方向)應盡量與損傷構(gòu)件中最大受力方向保持一致。如果損傷部位處于復雜應力狀態(tài),則纖維取向和鋪層順序應盡量與控制主應力方向一致。4.1.3剪斷cfrp增強片按第4.1.2節(jié)設(shè)計的尺寸裁剪CFRP補強片,裁剪時應盡量保證補強片周圍纖維的完整性,避免截斷CFRP補強片的纖維絲。4.2表面粗糙度為了獲得良好的表面活性,以增強粘結(jié)劑與構(gòu)件表面的粘結(jié)力,就要對粘結(jié)件表面進行處理。1)根據(jù)無損檢測確定的鋼構(gòu)件損傷部位,用鉛筆在構(gòu)件的損傷部位按比補強片尺寸略大的范圍進行劃線,先用粗砂紙打磨構(gòu)件的粘結(jié)區(qū)域,清除表面的防護材料、氧化層、表面污染物和其他雜質(zhì),然后用細砂紙交叉打磨粘結(jié)區(qū)域,達到一定的表面粗糙度。2)用脫脂棉紗醮丙酮或酒精溶液后擦洗打磨表面,去除油污及污染物,晾置干燥,用粘結(jié)劑浸潤表面。3)如果補強片是CFRP板,則用細砂紙輕輕打磨補強片的粘結(jié)表面,使其表面粗化,增強粘結(jié)力。4.3連接cfrp增強皮4.3.1標準表面根據(jù)損傷部位的損傷情況(如微裂紋的數(shù)量和方向)及受力狀態(tài)確定補強片的鋪貼方位,并用鉛筆在粘貼部位劃出補強片的中心位置及軸向定位線。4.3.2粘結(jié)劑用量的確定按粘結(jié)樹脂的使用說明將不同組分按適當比例混和并攪拌均勻,并根據(jù)施工進度、固化溫度確定固化劑的用量。將配制好的粘結(jié)劑用排刷涂抹在構(gòu)件的粘貼部位,根據(jù)粘結(jié)劑的濃度和重度、粘結(jié)面的粗糙程度、結(jié)構(gòu)類型等確定其用量。涂粘結(jié)劑時要求膠層厚度均勻、無氣泡,膠層厚度一般控制在0.1~0.3mm之間。若厚度不均勻或有氣泡,則反復用刷子多刷幾次。一般經(jīng)驗是在對CFRP補強片加壓時沿粘結(jié)面周邊擠出一些膠瘤,而且不能有空白,也不能出現(xiàn)流淌現(xiàn)象。如果出現(xiàn)空白,則需要采用針注法補膠,然后再加壓;如果出現(xiàn)膠液流淌,則說明涂膠過多,應減少涂膠用量,并及時清理流淌的膠液。4.3.3加強葉片的處理將準備好的CFRP補強片按照基準線進行鋪貼,要求CFRP補強片平整,并用力緊壓補強片,以趕走膠層中的氣泡。若補強片為碳纖維布,則應在補強片表面涂浸漬樹脂,并用滾筒順著碳纖維布的纖維方向反復滾壓,以使粘結(jié)劑充分浸潤碳纖維布。滾壓時不得損傷碳纖維布,在接近碳纖維布端部時應從中間向兩端滾壓,以免碳纖維布鼓起,而且在滾壓時,應用力按住碳纖維布,以防止其滑動。當多層鋪設(shè)時,應盡量使鋪層方向與主應力方向一致。4.4固化方式對cfrp的影響粘結(jié)劑固化的主要控制參數(shù)為壓力、溫度和時間。一般來講,采用加熱固化方式可使交聯(lián)反應進行得比較充分,獲得較高的粘結(jié)強度。但是考慮到現(xiàn)場加熱固化方式難以實現(xiàn),尤其是對石油、化工等要求禁止明火的行業(yè),宜選用室溫固化粘結(jié)劑,并充分考慮由于施工環(huán)境溫度和濕度差異對凝膠時間和固化周期造成的影響。為使CFRP補強片與原結(jié)構(gòu)粘結(jié)可靠,固化時應采用真空袋和真空泵對補強片加壓。在加壓時,應根據(jù)補強片的大小和層數(shù),控制好壓力分布的均勻性和加壓時間的長短。壓力的大小會通過影響膠層厚度等因素而影響到粘結(jié)強度的高低,因此壓力的大小應適當。4.5表面防護處理當粘貼完CFRP補強片后,應根據(jù)結(jié)構(gòu)的實際要求進行表面防護處理,如噴涂防銹漆、防火涂料和裝飾材料等,并應保證防護材料與CFRP補強片之間可靠粘結(jié)。4.6cfrp強片與鋼結(jié)構(gòu)的粘結(jié)質(zhì)量CFRP補強片實際粘貼面積應不小于設(shè)計量,位置偏差不大于10mm。CFRP補強片與鋼結(jié)構(gòu)之間的粘結(jié)質(zhì)量可用小錘輕輕敲擊或手壓CFRP補強片表面的方法來檢驗,要求在缺陷應力影響區(qū)域內(nèi)不能有空鼓。CFRP補強片加固修復鋼結(jié)構(gòu)的工藝流程如圖1。5cfrp加固片與鋼結(jié)構(gòu)的復合CFRP加固修復鋼結(jié)構(gòu)與加固修復鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在機理方面明顯不同,因此,為了使這一先進的結(jié)構(gòu)修復方法更廣泛地應用于工程實踐,還存在以下問題有待于解決:1)CFRP加固修復鋼結(jié)構(gòu)時,其特點是具有局部性,即修補是在鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件表面的局部區(qū)域粘貼CFRP補強片。這將導致補強片粘貼區(qū)域局部剛度增大,而其附近區(qū)域?qū)⒊蔀楸∪醪课?。因?有必要對CFRP補強片粘貼前、后該區(qū)域的應力場進行分析。2)鋼結(jié)構(gòu)經(jīng)CFRP加固后,當共同承載時可視為廣義的復合材料結(jié)構(gòu)(即由纖維與粘結(jié)劑組成的CFRP與鋼結(jié)構(gòu)的再次復合)。在待修復鋼構(gòu)件表面與粘結(jié)劑之間及粘結(jié)劑與CFRP補強片之間形成了粘結(jié)界面。界面作為加固后的復合結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中的薄弱環(huán)節(jié),破壞往往產(chǎn)生于此。因此,界面粘結(jié)機理及界面粘結(jié)破壞準則將無疑成為CFRP補強片加固修復鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)的研究重點,有