CFRP加固钢板的粘结界面剥离破坏

II型界面破坏是碳纤维增强树脂复合材料(CFRP)加固钢板常见的破坏方式之一。为揭示CFRP加固钢板粘结界面破坏的力学机制,开展了单剪试验和双剪试验分别研究了CFRP-钢板界面力学性能及破坏过程,并采用数字图像相关技术(DIC)对CFRP的轴向应变分布进行监测。对比两个试验的破坏模式发现,双剪试件的粘结界面主要发生II型破坏,界面破坏的主要力学原因是剪应力;而存在偏心加载的单剪试件,粘结界面上的剪应力和偏心加载引起的弯矩共同作用,使粘结界面发生I/II型混合模式失效。在II型破坏模式下,不同粘结长度的极限荷载及粘结滑移值随着粘结长度的增大而增大,但当粘结长度超过有效粘结长度后,极限荷载及极限滑移值基本保持不变。而在所讨论的偏心加载引起的界面I/II型混合破坏模式下,不同粘结长度的极限荷载基本不变。基于试验数据得到的双线性粘结-滑移关系建立了有限元模型,对CFRP加固钢板的II型界面粘结破坏行为进行分析,数值模拟结果与试验结果吻合较好。      

胶膜连接碳纤维增强树脂复合材料板-钢搭接接头室温条件的力学性能试验

针对碳纤维增强树脂（CFRP）复合材料板-钢搭接接头连接的糊状胶黏剂粘层厚一致性控制较难、铅垂向成形可能不易等问题,将糊状胶黏剂换成胶膜,制作了胶膜连接的五种粘结长度共15个CFRP板-钢双搭接接头试件,并对该胶膜连接的CFRP板-钢搭接接头进行了室温条件下的破环模式、有效粘结长度、传力规律、粘结-滑移本构、承载力等的试验研究。结果表明:所用胶膜的连接强度略高于CFRP板层间强度（即碳纤维与树脂基体的黏聚强度）;室温下,所用胶膜连接的CFRP板-钢搭接接头有效粘结长度约为80 mm;加载初期,剪应力最大值位于接头钢板端;继续加载,其位置向接头CFRP板端移动;加载末期,其位置位于距接头钢板端20 mm （粘结长度不超过80 mm时）或者50 mm （粘结长度不小于120 mm时）处;胶膜连接的CFRP板-钢搭接接头界面粘结-滑移模型为近似梯形,不同于胶黏剂连接的CFRP板-钢搭接接头的近似三角形,胶膜连接接头的延性大为提升;所用胶膜连接接头界面峰值剪应力、断裂能、界面刚度等代表值（可视为准平均值）分别为四种典型商品胶黏剂连接接头的1.2~3.0倍、1.6~5.7倍和5.4~7.5倍;在粘结长度不小于有效粘结长度条件下,所用胶膜连接接头的抗拉承载力代表值为四种典型商品胶黏剂连接接头的1.25~2.39倍;胶膜连接接头的抗拉承载力、最大位移的变异系数与糊状胶黏剂连接接头相差不大。      

CFRP片材-工程水泥基复合材料-混凝土复合界面单面剪切试验研究

为解决碳纤维增强树脂复合材料(CFRP)片材加固混凝土结构时CFRP片材易过早剥离及工程水泥基复合材料(ECC)加固混凝土结构极限承载力提高不足等问题,采用CFRP片材-ECC-混凝土复合界面,以同时发挥CFRP片材高抗拉强度和ECC多缝开裂及耐久性较好的优势。设计21个单面剪切试件并进行单面剪切试验,研究不同ECC厚度和混凝土/ECC强度对复合界面承载力、应变分布及粘结滑移曲线等影响规律。试验结果表明：设置ECC层的单面剪切试件破坏模式均为CFRP片材和ECC界面间的剥离破坏,有效延缓了CFRP片材的剥离,并可以有效地传递界面剪应力。与无ECC层的试件相比,设置ECC层试件的极限承载力增加了27.3%～59.6%。基于陆新征等提出的极限承载力计算模型,提出了考虑ECC厚度的复合界面单面剪切试件的极限承载力预测模型,计算值与试验值相吻合。采用不同粘结滑移模型对试验数据进行分析,对比结果表明：Ferracuti等提出的模型考虑的影响因素较全面且模型的拟合结果较好。     

带栓钉波形钢板混凝土组合构件粘结滑移性能与承载力试验研究

通过11个带栓钉的波形钢板混凝土组合构件在单调荷载下的推出试验和1个自然粘结构件的对比试验,研究带栓钉波形钢板混凝土组合构件的破坏形态、裂缝模式、荷载-滑移特性、波形钢板应变分布和承载力等。结果表明:带栓钉波形钢板混凝土组合试件的破坏形态以混凝土劈裂为主。试件的荷载-滑移曲线由上升阶段、下降阶段、残余阶段三个部分组成。由于混凝土和栓钉的组合作用,波形钢板自由端存在受拉区,产生过零点现象。带栓钉波形钢板混凝土组合试件的抗剪承载力随栓钉直径、数量的增长呈线性增长,而在一定条件下,栓钉长度、钢板厚度对抗剪承载力影响不大,另外在200 mm范围内适当增大栓钉间距对抗剪承载力也有提高。基于试验结果和力的扩散原则,分别提出了考虑栓钉影响的波形钢板混凝土界面粘结滑移本构模型以及带栓钉的波形钢板混凝土推出试件的承载力计算公式,所提模型与试验结果吻合良好,承载力公式计算结果与试验结果总体相符且偏于安全。     

高温下双搭接钢-CFRP板胶粘界面力学性能试验

高温环境下钢-碳纤维增强聚合物复合材料(CFRP)板的胶粘界面是CFRP粘贴加固钢结构的薄弱环节。为掌握温度对钢-CFRP板胶粘界面力学性能的影响,制作了双搭接接头试件,开展了3种胶粘剂在4种温度下(25℃、55℃、70℃和90℃)的静力拉伸试验。探索了接头试件的破坏模式、荷载-位移关系、CFRP板表面应变分布、界面剪应力分布和粘结-滑移关系等。结果表明:当温度低于55℃时,试件的破坏模式与胶粘剂种类相关性更大,当温度高于70℃时,不同胶粘剂的破坏模式具有相似性,且均出现了CFRP板撕裂。温度对不同胶粘试件的承载力影响存在差异,HJY-4105高韧性环氧树脂结构胶粘剂(HJY胶)试件的承载力随温度的升高而增大,LICA-100A/B 环氧树脂结构胶粘剂(LICA胶)试件的温度稳定性较差,Sikadur-30 CN双组份环氧结构加固碳板胶(SIKA30胶)试件在55℃时承载力最高。随着温度升高,胶粘层的剪切强度、界面剪应力峰值和剪切刚度下降,胶粘剂的延性增加,峰值剪应力不影响试件的抗拉强度。温度对粘结-滑移关系的影响显著,HJY胶随着温度的升高,粘结-滑移本构的延性增加,破坏模式由脆性破坏变为延性破坏。研究表明:合理的耐高温胶应用于钢结构加固,能适应自然高温环境的不利影响。      

海洋大气环境对CFRP-钢界面粘结性能的影响

为研究长期海洋大气环境作用对碳纤维增强树脂复合材料(CFRP)-钢界面粘结性能的影响,设计并制作了36个CFRP-钢板双搭接试件,采用盐雾沉降量1～2 mL/80 (cm2·h)的盐雾箱来模拟海洋大气环境。对试件进行了疲劳加载后的静力拉伸试验,分析了环境作用时间(30、180、360天)、长期持续荷载和硅烷表面处理方式对CFRP-钢界面破坏模式和承载力的影响。研究结果表明：随着海洋大气环境作用时间增加,CFRP-钢双面搭接节点由胶层内破坏伴随CFRP层离破坏逐渐向钢-胶界面粘结失效转变。暴露360天后极限承载力最大下降了15.72%。硅烷表面处理对CFRP-钢界面耐久性提升作用较小。持续荷载导致短期环境作用下(30天)极限承载力下降了18.39%,但对长期环境作用影响很小,高应力预加疲劳导致CFRP-钢界面极限承载力最大下降了26.6%。采用Hart-Smith模型对CFRP-钢界面极限承载力进行计算,发现长期环境作用后的承载力预测值和试验值误差超过了30%。在考虑破坏模式变化对界面极限承载力的影响下进行了修正,将误差减小到最大为14.04%。     

纳米SiO2质量分数对胶粘碳纤维增强树脂复合材料板-钢搭接界面黏结性能的影响

胶黏剂力学性能对碳纤维增强树脂复合材料(CFRP)加固钢结构的界面黏结性能影响显著。基于研制的胶黏剂配比,分析了不同纳米SiO₂质量分数对胶黏剂常温固化后基本力学性能及微观结构的影响,制作了31个CFRP板-钢板双搭接试件,对其进行了常温固化后的承载能力、有效黏结长度、传力模式、黏结-滑移本构等试验研究,得出了纳米SiO₂质量分数对CFRP板-钢板搭接试件界面黏结性能的影响规律,并与常用商品胶黏剂进行了比较。研究结果表明:随纳米SiO₂质量分数的增加,胶黏剂应力-应变关系由线性转变为非线性,应变能、断裂伸长率及剪切强度分别最高提升了292.10%、202.88%和133.12%。微观结构分析表明纳米SiO₂的添加使断面粗糙度显著增加,形成了密集的塑性空穴,产生了更多的微裂纹,使胶黏剂的韧性大幅度提高。当纳米SiO₂质量分数从0增至1wt%,搭接试件破坏模式由界面破坏逐渐变为CFRP板层离破坏。掺入纳米SiO₂能显著增加搭接试件的极限承载力(提升256.96%)及界面有效黏结长度(提升3倍),提高CFRP表面的应变及界面剪应力峰值。纳米SiO₂质量分数为0与0.5wt%的搭接试件的黏结-滑移曲线为双线性三角形模型,纳米SiO₂质量分数为1wt%的搭接试件的黏结-滑移曲线为三线性梯形模型,黏结界面韧性大幅提升。CFRP-钢界面承载能力受胶黏剂拉伸强度与断裂伸长率的双重影响,非线性高强度(即具有较高应变能)胶黏剂对应的CFRP-钢搭接接头具有更好的界面性能。      

基于双剪试验的铝合金板-混凝土界面粘结滑移性能研究

铝合金板具有轻质高强、延展性好、低温脆断敏感性小、耐腐蚀、易于成型等优点,可用于腐蚀及寒冷环境下的混凝土结构加固。该文基于双剪试验下的铝合金板-混凝土界面粘结滑移性能研究,完成了45个构件的双面纯剪试验,分析了混凝土强度等级、铝合金板表面粗糙度、铝合金板粘结长度和粘结宽度对粘结界面破坏机理、剥离承载力以及界面滑移的演化规律。研究表明:加载过程中界面应力从加载端向自由端逐步传递,且随着混凝土强度等级、铝合金板的粘结长度和宽度的增加,试件的剥离承载力也有所提高。但铝合金板的粘结长度存在一个有效粘结长度值,超过该值试件的剥离承载力将不会增加,同时铝合金板表面粗糙度对试件剥离承载力的提高没有实质影响。     

GFRP-混凝土组合板界面抗剪连接性能的试验研究

FRP-混凝土组合板界面的可靠连接是保证其正常工作的基础。为考察组合板中的界面粘结性能,该文对采取4种连接方式的27个玻璃FRP（GFRP）-混凝土组合构件进行双剪推出试验,根据试验结果分析构件的破坏模式、承载力变化及界面滑移情况。研究结果表明:4种连接方式均获得了较高的粘结强度,可考虑作为GFRP-混凝土组合板的界面抗剪构造措施;GFRP-混凝土界面粘结强度与混凝土强度等级、界面粗糙程度、胶结剂的粘结能力、剪力键布置方式有关,且随混凝土强度等级的提高而有所增大。基于该文的试验设计和试验结果,对试验中的3个试件进行了三维非线性有限元分析。     

免蒸养超高性能混凝土-既有混凝土界面粘结性能试验研究

免蒸养超高性能混凝土(Ultra-high performance concrete, UHPC)在常温养护下具有超高强、超耐久等优异性能，其与普通混凝土(Normal concrete, NC)界面的粘结性能是保证免蒸养UHPC加固NC结构获得良好性能的重要因素。为研究免蒸养UHPC-NC界面粘结性能，设计直剪试验，分析免蒸养UHPC龄期、NC强度、NC表面处理方式和界面粘结剂对界面粘结性能的影响，提出了免蒸养UHPC-NC界面粘结-滑移本构模型，并给出相关刚度系数建议值。结果表明：免蒸养UHPC-NC试件界面破坏模式主要分为粘结界面破坏、粘结界面和NC破坏、NC破坏及NC和UHPC破坏；刻槽组较凿毛组试件具有明显的开裂阶段，表现出一定的延性且具有更高的粘结强度，最大提高量为183.7%;界面使用SiKa 32LP结构胶时，其粘结强度为4.91 MPa,是其他界面粘结剂试件粘结强度的两倍以上。因此，当采用免蒸养UHPC加固NC构件时建议NC表面刻槽和采用SiKa 32LP结构胶。     

Finite Element Analysis of the Void Growth and Interface Failure of Ductile Adhesive Joints

Progressive failure of ductile porous adhesive joint generally includes two competitive failure modes: the void growth of ductile adhesive layer and the interface debonding between the adhesive layer and bonding plates. The damage evolution behavior and ultimate strength of ductile adhesive joint are largely dominated by their evolving interactions. However, most of the existing research failed to predict the damage evolution of these two failure modes simultaneously. After the variational weak form of dynamic equilibrium for two adhesive solids with a finite-thickness adhesive layer and two discontinuous cohesive interfaces is given, this paper studies theoretically the competition between these two failure modes using explicit finite element analysis (FEA). The finite-deformation Gurson–Tvergaard–Needleman (GTN) model is used to predict the void growth of adhesive layer, and the bilinear cohesive model as a ABAQUS module is used to simulate the interface debonding. For single-lap joint under tensile loads, effects of the cohesive strengths, the initial void volume fraction, and the thickness of adhesive layer on their interactions are explored. Besides, the ultimate strengths by FEA are also compared with analytical solutions. Numerical results show that dominating failure mode changes from the interface debonding to the failure of adhesive layer at about the cohesive strength 40 MPa and the thickness of adhesive layer 0.5 mm for FM-73 ductile adhesive joint.     

搭接长度和铺层方式对CFRP复合材料层合板胶接结构连接性能和损伤行为的影响

针对不同搭接长度和铺层方式的碳纤维增强树脂（CFRP）复合材料层合板单搭胶接结构进行了拉伸试验,观察了试件的受力过程和失效形态,获得了载荷-位移曲线;同时基于连续损伤力学模型和三维Hashin失效准则模拟了CFRP复合材料层合板的层内损伤形成和演化,并利用内聚力模型来模拟层间及胶层的失效损伤,对CFRP复合材料层合板单搭胶接结构在拉伸作用下的失效强度和损伤机制进行了预测,通过对比验证了该数值方法的有效性;通过数值试验比较不同搭接长度和铺层方式的单搭胶接结构及双搭胶接结构的连接强度和损伤行为,并提出了一种优化的CFRP复合材料层合板胶接结构。结果表明:CFRP复合材料层合板胶接结构的极限失效载荷随着搭接长度的增大逐渐增加并趋于稳定值,且结构的失效形式逐渐从胶层自身剪切失效过渡到邻近胶层的层合板层间分层失效;CFRP复合材料层合板胶接结构的连接强度和损伤行为随着铺层方式的不同而改变,通过对3种铺层方式的对比和分析,得到性能最好的铺层方式是[0₃/90₃]_2S;在搭接长度为5~20 mm时,通过对搭接长度进行优化,得到单搭胶接结构的最优搭接长度是17 mm,双搭胶接结构的最优搭接长度是19.3 mm,与搭接长度为20 mm相比,单搭胶接结构和双搭胶接结构的连接强度分别提高了13.26%和0.43%。      

Hybrid epoxy-silyl modified polymer adhesives for CFRP sheets bonded to a steel substrate

This paper presents an experimental study examining the interfacial behavior between a steel substrate and carbon fiber reinforced polymer (CFRP) sheets bonded with hybrid epoxy-silyl modified polymer (SMP) adhesives. The epoxy adhesive has high modulus and strength characteristics, while the SMP adhesive possesses a low modulus with permanent elastic nature. The hypothesis tested is that a combination of these two distinct materials can alleviate interfacial stresses along the bond line with maintaining adequate strength. Two types of double-lap tension tests are conducted to evaluate the bond-capacity of the epoxy and SMP adhesives and to study the effect of various hybrid bond schemes. Test results show that the specimens bonded with homogeneous epoxy demonstrate abrupt failure, whereas those with SMP exhibit gradual load-softening at failure. The load-carrying capacity and stiffness of the CFRP–steel interface are not influenced by hybrid bond configurations. The degree of CFRP-debonding is, however, affected by the hybrid bond scheme. Stress transfer from the steel substrate to the CFRP is well maintained along the hybrid bond line with significant local deformability of the interface layer. Analytical models report that shear stresses along the CFRP–steel interface are noticeably mitigated at geometric discontinuities and the proposed hybrid bond technique can be used for structure-level application.     

型钢与混凝土之间粘结强度的力学分析

基于大量实腹式型钢混凝土试件粘结滑移性能对比试验研究结果,得到了型钢与混凝土粘结面上粘结应力的分布特征和粘结力组成部分(化学胶结力、摩擦阻力和机械咬合力)之间的转化规律;根据磨损接触面的运动调节机理,分析了型钢与混凝土之间粘结面的微动磨损特征,论证了型钢混凝土粘结滑移试验中荷载-滑移曲线与接触体系三体理论中破损混凝土形成和演化规律之间的吻合特性;根据型钢与混凝土协同受力的主要缺陷是其粘结面易发生剪切粘结破坏的试验结论,对型钢与混凝土之间的粘结滑移破坏进行了剥层理论分析,阐释了型钢与混凝土之间摩擦阻力和机械咬合力的产生和转化规律;对型钢混凝土粘结强度进行了塑性极限理论分析,推导了粘结强度上限解的数学表达式,并对影响型钢与混凝土粘结性能的材料因素进行了探讨。研究成果为型钢混凝土结构的设计计算理论研究奠定了基础,并且为组合结构的数值实验分析提供了理论依据。     

固化剂混掺对高温下CFRP板-钢板界面黏结性能的影响

针对单一固化剂难以兼顾耐热性和韧性的不足,研究了耐热性能较好的缩胺105和韧性较好的聚醚胺D230两种固化剂混掺对纳米SiO₂环氧胶黏剂玻璃转变温度及高温下基本力学性能的影响。按一定固化条件制作了30个胶黏剂拉伸试件、21个碳纤维增强树脂复合材料(CFRP)板-钢板双搭接试件,进行了高温及常温下的准静态拉伸试验、拉伸剪切试验,测试了相应胶黏剂的动态热机械性能,并与常用商品胶的耐热性能与力学性能进行比较,得到以下结论:随混掺固化剂中聚醚胺D230比重的增加,胶黏剂高温下的拉伸强度及弹性模量逐渐降低,断裂伸长率及应变能先增加后减小,缩胺105与聚醚胺D230两种固化剂混掺的推荐比例为1∶2。随固化温度的升高,具有固化剂混掺较佳比例的胶黏剂的玻璃转变温度有所提升,综合技术与经济因素,推荐(较佳)固化条件为90℃、2 h。推荐比例与推荐固化条件的纳米SiO₂环氧胶黏剂在环境温度20~70℃之间的拉伸强度及韧性均大大优于常用商品胶黏剂。基于推荐比例与推荐固化工艺的纳米SiO₂胶黏剂粘结的CFRP板-钢板搭接接头,在70℃服役温度下的荷载-位移曲线存在屈服段,承载能力(较采用单一缩胺105和单一聚醚胺D230固化剂的搭接试件分别提升了104.03%、64.43%)和延性(为采用单一缩胺105固化剂的搭接试件的2.5倍以上)均大幅提升。高温和常温下的黏结-滑移本构均为三线性四边形。胶黏剂在满足耐热性的同时,需尽可能提升其韧性,才能有效提升CFRP-钢搭接界面的力学性能。相比于常用商品胶黏剂,研制的推荐胶黏剂粘结的CFRP板-钢板搭接接头具有优越得多的承载能力和界面断裂能。      

Interaction of interface delamination and plasticity in tensile steel members reinforced by CFRP plates

This paper presents experimental and numerical results related to double shear lap tests performed on steel specimens reinforced using CFRP plates. These tests have been simulated taking into account the elastic–plastic behavior of the steel and the delamination between steel and CFRP by means of a cohesive approach. The results obtained are discussed in terms of: (i) maximum load bearing capacity, (ii) minimum bond length in order to exploit the maximum load bearing capacity, (iii) brittle to ductile transition of the interface failure (iv) combination of interface delamination and plastic deformation of the steel. Design formulas for the definition of the minimum bond length and the load bearing capacity of the joint are validated.