CFRP板-钢黏结界面的疲劳性能

开展了碳纤维增强聚合物（CFRP）板-钢双搭接试件的疲劳试验,考虑荷载水平的影响,分析了黏结界面的疲劳性能,比较了基于平均黏结应力幅或局部黏结应力幅的中值及设计疲劳曲线（S-N曲线）的适用性.结果表明：疲劳荷载下CFRP板-钢接头的主要破坏模式为钢-胶层界面剥离或钢-胶层/CFRP板-胶层界面剥离的混合破坏模式;不同荷载水平下荷载-位移曲线斜率的变化趋势大致相同;界面损伤从界面黏结应力较大的加载端开始,逐渐向自由端扩展,扩展至一定程度后界面突然断裂;采用幂函数公式预测试件的疲劳寿命时,基于平均黏结应力幅S-N曲线的拟合优越性更为显著,疲劳极限为1.88 MPa;最后,给出了具有95%可靠度的设计S-N曲线.     

固化剂对室温胶黏CFRP板/钢板界面性能的影响

基于自研的纳米SiO2环氧树脂胶黏剂配比,制作了室温固化的21个胶黏剂拉伸试件、20个碳纤维增强复合材料(CFRP)板/钢板双搭接接头试件,进行了胶黏剂拉伸力学指标及搭接试件承载能力、有效黏结长度、传力模式和黏结-滑移本构等试验研究,得到了固化剂种类及掺量对搭接试件界面黏结性能的影响规律.结果表明:固化剂种类和掺量不同的7种胶黏剂的拉伸强度依次为GY34(基于缩氨105和聚醚氨D230按质量比1∶2复配的胶黏剂)＞GY35(基于聚醚氨D230的胶黏剂)＞GY31(基于缩氨105的胶黏剂)＞GY2(基于改进酚醛胺GR07的胶黏剂)＞GY33(缩氨105和聚醚氨D230按质量比1∶1复配的胶黏剂)＞GY1(基于芳香氨BD11的胶黏剂)＞GY32(基于缩氨105和聚醚氨D230按质量比2∶1复配的胶黏剂);搭接试件的抗剪承载力依次为GY34-S＞GY31-S＞GY35-S＞GY2-S＞GY33-S＞GY1-S＞GY32-S;GY31-S、GY35-S、GY34-S 的破坏模式为 CFRP 板层离,其界面胶层黏结强度大于CFRP板内层间剪切强度;各CFRP板/钢板搭接接头有效黏结长度为50～80mm;4种采用单一固化剂粘接的搭接试件的黏结-滑移曲线均为双线性三角形模型;采用GY34粘接的搭接试件的黏结-滑移曲线为三线性直角梯形,界面韧性能得到提升.     

基于不同黏结材的CFRP链-混凝土#br# 界面黏结性能试验研究

为研究碳纤维增强复合链(CFRP Strand Sheet)与混凝土的界面黏结性能,共制作8组共24个试件并进行拉伸双剪试验,观测各组试件的破坏形态和应变分布规律,分析CFRP链与混凝土界面的黏结破坏机理,研究不同黏结材的力学性能和CFRP链加固层数对CFRP链 混凝土界面的剪切应力传递和黏结性能的影响。研究结果表明：CFRP链与混凝土的双剪试件均为表层混凝土的剪切破坏,随着CFRP链加固层数的增加,试件的剥离承载力增大,而CFRP链最大应变和界面断裂能均减小;当采用环氧树脂(EP)为黏结材时,CFRP链的材料利用率较大,而采用聚合物水泥砂浆(PCM)为黏结材时,虽单层CFRP链与混凝土界面间具有较优的抵抗剥离能力,但双层加固时,CFRP链的材料利用率却大幅降低。基于现有FRP片材 混凝土的双线性黏结滑移模型,并考虑CFRP链加固层数和黏结材力学性能的影响,建立了相应的界面黏结-滑移模型。     

GFRP/CFRP 混凝土界面剪切性能

设计GFRP/CFRP 混凝土搭接双剪试验,研究了界面糙化方式、界面剂种类以及界面形成过程中的压力和温度对GFRP/CFRP层间混杂纤维复合材料混凝土界面剪切性能的影响,并分析了各种因素的影响机理.结果表明：界面化学糙化（酸化）方式可提高界面的机械锚固性能,但降低了固化剂活性,界面剪切强度较物理糙化方式降低29%;15%（质量分数）KH550（硅烷偶联剂）界面剂能显著改善GFRP/CFRP 混凝土界面粘接性能,用其粘接的界面剪切强度较用普通E44环氧树脂界面剂提高66%;GFRP/CFRP 混凝土界面剪切强度随固化压力的增加先增加后减少,005MPa固化压力下界面剪切强度最优;常温范围内（15～45℃）,固化温度对GFRP/CFRP 混凝土界面剪切强度影响不大,但当温度低于15℃时界面的剪切性能急剧降低,且升温后界面剪切强度仍较常温固化试件差.     

碳纤维复合材料筋-环氧树脂胶界面传力机理研究

碳纤维增强复合材料(CFRP)筋常以环氧树脂胶为传力介质应用于建筑工程中。通过分析CFRP筋-环氧树脂胶界面黏结应力的组成及其影响因素,采用拔出试验对两种直径的压纹CFRP筋与环氧树脂胶界面最大黏结应力τmax及临界黏结长度lcr(小于该长度时测得平均黏结应力可认为等于τmax)以及界面压应力对黏结性能的影响,界面的破坏模式,拔出力-滑移量关系曲线进行研究,并提出了压纹类CFRP筋-环氧树脂胶界面τmax的理论预测模型。结果表明:压纹CFRP筋-环氧树脂胶界面lcr值远小于CFRP筋-混凝土界面;CFRP筋直径的大小对界面的破坏模式和拔出力-滑移量的力学关系有较大影响;界面压应力大小对界面τmax值影响较大。     

氯盐环境下CFRP加固混凝土结构的黏结性能研究

碳纤维增强复合材料(Carbon Fiber-Reinforced Polymer)与混凝土界面的黏结性能是影响CFRP加固效果的重要因素.采用双面剪切试验,探究氯盐侵蚀时间对CFRP-混凝土黏结性能的影响规律.结果表明:随着氯盐侵蚀时间的增加,界面黏结强度先增加后逐渐降低,破坏界面逐渐由混凝土表层向胶层发展;端部滑移总量也随着侵蚀时间的增加而降低;CFRP应变及CFRP-混凝土局部平均黏结剪应力的分布曲线能较好地反应界面黏结破坏的过程.     

浸水环境下FRP-混凝土界面剪切黏结性能研究

采用单搭接头剪切试验比较FRP-混凝土界面使用不同树脂黏结剂在不同浸水时长下的剪切黏结强度、破坏模式、剪切断裂能、黏结滑移曲线等黏结特性。最大6个月的20℃浸水试验表明,采用多乙烯多胺混合硬化树脂的界面黏结强度降低了11%～14%,采用多胺硬化树脂的界面黏结强度降低了2%～10%,黏结层断裂能和局部最大剪应力也有所降低。浸水后的界面破坏模式由浸水前的混凝土黏聚层转移为界面黏着层,这表明浸水条件下界面黏着力降低。同时,树脂黏结材料的材料试验结果表明,树脂本身的抗拉强度在浸水6个月后有所提升,而剪切黏结强度只有微小降低。局部黏结滑移关系的计算结果表明浸水后最大局部剪切应力有所降低,同时界面的平均剪切断裂能降低26%。     

CFRP板加固高强混凝土梁试验研究

通过三点弯曲试验,并利用CCD相机及数字散斑分析技术研究了CFRP板裂缝扩展至破坏的全过程。结果表明:各因素对试件承载力的影响程度从大到小依次为CFRP板厚、加载速率、裂缝深度、混凝土强度;粘贴CFRP板的高强混凝土试件破坏是由混凝土剪切破坏引起的CFRP板粘贴胶层与混凝土之间的界面剥离破坏,其从裂缝开始扩展到完全破坏的时间明显长于未粘贴CFRP板的试件;黏结界面仍是外粘CFRP板加固高强混凝土构件的薄弱部位。     

干湿循环下钢与碳纤维增强复合板搭接接头的拉伸试验研究

碳纤维增强复合材料(CFRP)加固钢结构在实际工程中,往往遭受到湿热环境的影响而导致加固结构失效。通过对8个钢与CFRP板搭接接头试件的拉伸试验,分析干湿循环对钢和CFRP黏结界面的破坏模式和极限荷载的影响。试验结果显示:钢和CFRP板的搭接接头在干湿循环的影响下会显著降低其抗拉承载力,干湿循环90次后试件承载力趋于稳定;通过理论计算式推算出最大界面主应力试验结果与理论计算结果的偏差在15%以内,验证了理论计算式的准确性。     

端部混锚CFRP加固混凝土界面黏结性能模型

现阶段工程实际中CFRP加固钢筋混凝土构件采用的纯粘贴CFRP的方法,容易发生CFRP片材的早期剥离破坏,大大降低了加固效果,采用端部混锚技术可以有效改善该问题。为丰富端部混锚技术加固理论,研究端部混锚技术对CFRP加固混凝土界面黏结性能的影响,结合指数型双参数黏结-滑移本构模型,利用叠加法建立了端部混锚CFRP加固混凝土界面黏结行为理论模型,得到了界面荷载-滑移曲线、界面黏结剪切应力、CFRP正应力和应变分布表达式。并设计进行了端部锚固加固混凝土试件的单面剪切试验,将试验数据与理论公式进行了对比分析,验证了解析推导公式的正确性。此外,经参数分析可知,界面参数A对界面剥离荷载值和相对应滑移值的影响最大;当黏结长度小于有效黏结长度时,剥离荷载及对应的加载端滑移都会明显减小。     

硫酸盐环境下CFRP加固顺序对混凝土梁界面黏结性能影响

提出了先粘贴CFRP后硫酸盐腐蚀以及先硫酸盐腐蚀后粘贴CFRP两种加固顺序,开展了64块CFRP-混凝土试件的双剪试验,分析了CFRP粘贴顺序、粘贴长度、粘贴宽度对混凝土界面破坏模态、抗压强度、剥离荷载、黏结强度、界面能、黏结应力-滑移曲线的影响,并基于硫酸盐环境影响系数建立了CFRP-混凝土界面黏结强度模型。试验结果表明,硫酸盐环境下,环氧树脂胶体能较好的保护混凝土黏结区域;随着硫酸盐腐蚀时间的延长,界面的剥离荷载、黏结强度均呈下降趋势,腐蚀至123 d时,下降最为严重,而对于界面断裂能,腐蚀至123 d时,下降幅度反而降低;CFRP黏结长度为65 mm下的界面黏结强度最大,随着黏结长度的增加,CFRP-混凝土界面的黏结性能逐渐降低;硫酸盐环境影响系数的提出可为恶劣环境的分类提供科学依据。     

Short and long-term bond performance of prestressed FRP sheet anchorages

This paper discusses experimental results of the short and long-term behavior of the anchorage zones of externally bonded prestressed fiber reinforced polymer (FRP) sheets. An experimental program was conducted to investigate seven beams bonded with prestressed FRP sheets including anchored or unanchored FRP sheet ends. Using different layers of FRP sheet, the prestress level of FRP sheets varied from 20% to 40% of the guaranteed tensile strength. The experimental observation was conducted in an outdoor environment and lasted about twenty months when temperatures were in the 7–30 ^°C range. This study provides significant data on the development of the effective bonding lengths, as well as the initiation and propagation of debonding along the FRP-concrete interface due to creep effect of the adhesive layer. Although adhesive creep leads to debonding propagation at higher shear stress, this creep is favored at low shear stress because it increases the effective bond length which improves the bond capacity of FRP-concrete interface and prevents premature failure of the anchorages. The effective bonding length was found to increase to 50% due to creep of the adhesive layer. The anchored end of the FRP sheets using steel plates and anchor bolts is an effective solution to enhance the bond capacity of FRP-concrete interface for short and long-term loading.     

端部机械锚固FRP-混凝土黏结界面承载力试验研究

采用胶-机械混合锚固体系可以有效防止纤维增强复合材料 (FRP)与混凝土之间的早期剥离破坏,提高FRP材料的强度利用率。为明确端部锚固对黏结界面性能及破坏形式的影响,进行了不同锚固形式的FRP-混凝土黏结结点的单面剪切试验,对比分析了纯外贴锚固（EB）、普通混合锚固（HB）和自锁混合锚固(SLHB)三种不同端部锚固形式的锚固性能。对于HB-FRP加固方法,探究了FRP黏贴长度和机械锚固扣件施加扭矩大小对加固效果的影响。结果表明：采有EB、HB、SLHB锚固形式的FRP加固构件破坏形式分别为界面剥离、FRP滑动拉出和FRP拉断（强度利用率为1.0）;采用SLHB-FRP和HB-FRP加固方法的试件相比采用EB-FRP加固方法的加固构件在15N·m的扭矩下可以提高承载力约122.9%和56.4%,采用EB-FRP和HB-FRP加固方法试件的FRP强度利用率分别为0.448和0.702;随着扭矩的增大,采用HB-FRP加固方法的试件极限荷载也有不同程度的提升,且失效荷载与扭矩线性相关;对于自锁混合锚固形式,在15kN·m的扭矩作用下,FRP强度均能得到100%利用,失效荷载均为FRP拉断荷载,与黏结长度无关。     

冻融循环下CFRP—高性能混凝土的粘结性能

通过双面剪切试验,研究了冻融环境下CFRP-高性能混凝土界面粘结性能的发展规律。对比分析了未经冻融和经历25、50、100、150、200及300次冻融循环作用试件的破坏特征、剪应变分布、荷载滑移曲线、粘结承载力以及粘结破坏机理。结果表明,所有试件的界面破坏均发生在混凝土表层内,但随着冻融循环次数的增加,破坏界面有向胶层发展的趋势;经受冻融循环次数较少时(25、50次),界面的粘结强度、刚度及开裂荷载的变化不明显,甚至略微提高;但随着冻融循环次数的进一步增加,界面粘结性能有明显的变化,界面粘结强度、端部滑移量减小,刚度退化,初始开裂荷载水平降低,非线性特征增强。粘结极限承载力与混凝土立方体抗压强度均随冻融循环次数的增长存在先提高后下降的趋势,混凝土强度变化是界面粘结性能变化的最重要因素。     

不同FRP增强混凝土梁断裂性能试验研究

为了探讨不同种类纤维增强复合材料（FRP）增强带裂缝混凝土的断裂性能,开展了芳纶纤维增强复合材料（AFRP）、碳纤维增强复合材料（CFRP）和玻璃纤维增强复合材料（GFRP）增强带裂缝混凝土梁的三点弯曲试验,分析了其断裂性能参数.结果表明：相对于普通混凝土梁试件,FRP对带裂缝混凝土梁的阻裂加固效果更明显;CFRP增强混凝土梁的起裂荷载和失稳荷载均大于AFRP与GFRP增强混凝土梁,CFRP的阻裂增强效果最佳;AFRP增强混凝土梁和CFRP增强混凝土梁的破坏形式均为试件底部混凝土 FRP界面的剥离破坏,GFRP增强混凝土梁的破坏形式为试件底部GFRP的拉断破坏;通过对不同FRP增强混凝土梁阻裂加固机理的分析,计算得出CFRP增强混凝土梁的起裂韧度和失稳韧度最大,且CFRP价格适中,因此使用CFRP对带裂缝混凝土梁进行增强加固的性价比最优.     

Bond characteristics between ultra high modulus CFRP laminates and steel

The use of high modulus CFRP laminates in strengthening steel members has the advantage of increasing the strength and stiffness of such members. In this paper, the bond characteristics between ultra high modulus (UHM) CFRP laminates with a modulus of 460 GPa and steel were studied. A series of experiments with double strap steel joints bonded with UHM CFRP laminates were conducted. Experimental results presented in this paper include failure modes, bond strength, effective bond length, CFRP strain distribution, adhesive layer shear stress distribution and bond slip relationship. Comparison was made with previous research on CFRP sheet–steel and normal modulus CFRP laminate–steel systems and different aspects of bond characteristics were discussed. Theoretical models were employed for the prediction of the specimen bond strength and effective bond length, and their applicability for UHM CFRP–steel joints was verified by comparisons with experimental results. Nonlinear finite element analysis was carried out to simulate the experimental specimens. The FEA results agreed well with those from experiments.     

经历不同温升作用后CFRP筋受力性能的试验研究

为研究经历不同温升作用后碳纤维(Carbon Fiber Reinforced Polymer,简称CFRP)筋材的静力性能,以筋材的处理温度为试验参数,完成9个试件的轴向拉伸试验;以筋材的处理温度和初张比为试验参数,完成15个试件的横向受力试验。结果表明：处理温度不超过100℃时,筋材的轴向拉伸、横向受力及与活性粉末混凝土(Reactive Powder Concrete,简称RPC) 间黏结强度等性能的退化程度轻微。对于轴向拉伸试验,经历30℃和100℃温升作用的试件均发生筋材拉断破坏,处理温度100℃试件的抗拉强度、极限应变和弹性模量较30℃试件分别减小2.9%、1.0%和1.6%;经历200℃温升作用的轴向拉伸试件均发生滑移破坏,筋材与RPC界面间的平均黏结强度较常温条件下降低34.5%,弹性模量较30℃试件减小9.1%。对于横向受力试验,所有试件均发生折断破坏。初张比一定时,随着处理温度由30℃增至200℃,CFRP筋的极限索力、最大索力增量及横向破断力均逐渐降低,但横向极限位移变化较小;处理温度相同时,随着初张比由0增至0.34,CFRP筋的最大索力增量、横向破断力及横向极限位移均逐渐减小,但破坏时的极限索力则逐渐增大。提出经历不同温升作用后CFRP筋横向极限位移、极限索力及横向极限荷载的计算公式,并以试验结果验证其适用性。     

盐腐蚀环境下内嵌FRP筋加固混凝土界面黏结性能试验研究

为了研究盐腐蚀环境下内嵌FRP筋加固混凝土界面的黏结性能,对27个内嵌FRP筋加固混凝土试件进行盐腐蚀后的单端拉拔试验,分析试件的受力过程和破坏模式,研究内嵌FRP筋黏结长度、腐蚀时间和FRP筋类型对界面黏结性能的影响。结果表明：盐腐蚀的试件破坏模式分为结构胶劈裂、FRP筋拉断和结构胶劈裂且FRP筋弯折等3种,且以结构胶劈裂破坏为主。盐腐蚀环境下内嵌FRP筋混凝土试件的黏结应力与黏结长度、破坏模式与腐蚀时间有关。盐腐蚀环境会影响混凝土、黏结材料及FRP筋的力学性能,加剧黏结界面失效破坏。腐蚀时间为30 d和90 d的内嵌BFRP筋加固混凝土试件的耐盐腐蚀能力高于内嵌GFRP筋加固混凝土试件的,腐蚀时间为60 d的内嵌GFRP筋加固混凝土试件的耐盐腐蚀能力优于内嵌BFRP筋试件的。根据试验数据拟合了盐腐蚀环境下内嵌FRP筋加固混凝土界面黏结-滑移本构关系,其拟合优度达到0.988 0。     

用无机胶粘贴CFRP布加固混凝土板抗火性能试验研究

针对粘贴CFRP布用有机胶软化点过低的问题,研制出600℃时强度不低于常温强度的无机胶。为探索用无机胶代替有机胶粘贴CFRP布提高加固结构抗火性能的可行性,进行了5块用无机胶粘贴CFRP布加固混凝土板的抗火试验。考虑到高温时CFRP布在绝氧条件下强度降低较为缓慢的特点,试验前分别选用厚型隧道防火涂料和厚型钢结构防火涂料对其进行防火保护。试验板先按ISO 834标准升温曲线升温1.5h,再自然降温1.0h。各板底纵向CFRP布经历最高温度为90~300℃,火灾下跨中最大新增位移介于计算跨度的1/438~1/95。经历火灾后,CFRP布完好,无机胶与混凝土板可靠粘贴。试验结果表明:采用无机胶粘贴CFRP布加固混凝土板,厚型隧道防火涂料和厚型钢结构防火涂料均能达到对CFRP布进行控温和绝氧的目的,前者防火效果明显优于后者;用无机胶粘贴CFRP布加固混凝土板采用防火涂料保护后,火灾下和火灾后CFRP布与混凝土板均可有效共同工作。     

预应力FRP筋增强RC梁受弯破坏模式研究

针对同时配有非预应力钢筋和有粘结预应力FRP筋的混凝土梁的受弯性能,分别以CFRP和AFRP作为预应力筋,研究对应于钢筋屈服和对应于FRP筋断裂的2类界限相对受压区高度大小关系的变化,进而研究FRP筋性能指标对受弯破坏模式的影响.研究表明,破坏模式与2类界限相对受压区高度大小直接相关,而2类界限相对受压区高度的大小又受FRP筋性能指标的直接影响,采用FRP筋短期性能指标和采用考虑了环境折减系数、徐变断裂折减系数、松弛提高系数和材料系数后的FRP筋长期性能设计值分别进行计算,结果存在着较大差异.4种破坏模式中,破坏模式Ⅰ为设计预期的正常破坏模式,破坏模式Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ应在设计时予以避免.极限延伸率相对较小的CFRP筋的张拉控制应力不宜过高,否则会在长期使用过程中先于结构中钢筋屈服发生断裂.