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(
The fatigue experiments of carbon fiber reinforced polymer (CFRP) laminates‑steel double lap joint specimens were carried out. Considering the effects of load levels, the fatigue behaviors of the interface were analyzed. Meantime, the applicability of the mean stress‑number of cycle(
当前,中国许多在役钢桥存在疲劳开裂病害,亟需加固和修复[
CFRP板与钢结构黏结界面的疲劳性能是加固系统的关键问题[
本文通过开展CFRP板
CFRP板采用南京海拓公司生产的单向板CFRP1.4
CFRP、黏结剂及钢材的性能
Material parameter | CFRP laminate | Araldite 420 | Q345qc |
---|---|---|---|
Young's modulus/GPa | 161.2 | 2.4 | 206.2 |
Yield strength/MPa | 461.1 | ||
Tensile strength/MPa | 2 263.0 | 30.5 | 565.0 |
Elongation at break/% | 1.7 | 4.1 | 31.5 |
Poisson's ratio | 0.3 | 0.3 |
CFRP板
所有试验均在250 kN的 MTS电液伺服疲劳试验机上进行,加载装置如
试件分为8组,记为A~H.试件标号采用“D
试件的疲劳试验结果
Group | Specimen | Fatigue loading range/kN | Load level | Front failure mode | Reverse failure mode | ||
---|---|---|---|---|---|---|---|
A | DC | Static loading | 131.09 | d | d | ||
DC | 122.35 | d | d | ||||
DC | 124.17 | d | d | ||||
B | DF | 1.888-18.880 | 0.15 | 10 100 000 | a | d + a | |
C | DF | 2.266-22.660 | 0.18 | 6 208 900 | d + a | a | |
DF | 0.18 | 2 145 831 | a + b | a + c | |||
D | DF | 2.517-25.170 | 0.20 | 1 124 325 | b + a | a | |
DF | 0.20 | 5 100 000 | d + a | a | |||
DF | 0.20 | 4 128 004 | a | a | |||
DF | 0.20 | 2 377 402 | a | a | |||
E | DF | 3.775-37.750 | 0.30 | 153 909 | b + a | a | |
DF | 0.30 | 464 912 | a + d | a | |||
DF | 0.30 | 90 517 | b + a | a | |||
DF | 0.30 | 421 359 | a | a | |||
F | DF | 5.035-50.350 | 0.40 | 97 901 | a + d | b + a | |
DF | 0.40 | 65 698 | a | a | |||
G | DF | 6.294-62.940 | 0.50 | 12 438 | b + a | a | |
DF | 0.50 | 19 115 | b + a | a | |||
H | DF | 7.552-75.520 | 0.60 | 6 231 | d | a |
静力试件的荷载-位移曲线如
(1)3个静力试件荷载-位移曲线的变化趋势基本相同,大致可分为3个阶段.在加载初期,位移随着荷载的增加呈线性增长,界面处于弹性阶段,曲线斜率较大.
(2)随着荷载的增加,胶层界面出现损伤,随后界面进入弹塑性阶段,曲线斜率逐渐平缓而且大幅下降.在该阶段可以观察到CFRP板表面碳纤维与基体逐步剥离,试件开始出现损伤并不断扩展.
(3)继续加载,界面黏结逐渐失效,荷载骤降,试件进入破坏阶段.可以发现,加载至90%
由
此外,随着循环次数的增加,试件的最小位移、最大位移以及二者的差值均逐渐增大,表明疲劳加载使试件产生了一定程度的损伤,发生了明显的界面软化,导致界面疲劳性能不断退化.同时观察到疲劳谷值荷载作用导致的位移变化较小,而峰值荷载作用导致的位移发展范围较大,证明疲劳峰值荷载对界面疲劳性能的影响更为不利,但仍远小于静力加载破坏时产生的位移,表明疲劳破坏相对于静力破坏发展更为迅速、更不易被观测到,属于脆性破坏.
CFRP板较薄,其表面的应变变化可以表征黏结界面的损伤发展过程.加载端附近的应变值及应变梯度均最大,界面损伤通常始于此处,故重点分析端点附近测点G1~G3与G10~G12的应变变化.以试件DF
试件DF
测点
式中:
采用
由图
(1)在加载初期,应变和剪应力随着与加载端距离的增加而减小.随着循环次数的增加,G1处的应变逐渐减小,G2和G3处的应变逐渐增大,之后反超G1处;G1/G2中点的界面剪应力相应地表现为先急剧减小,然后反向增大.这是由于加载端附近的界面不断软化,然后引发局部钢-胶层剥离所致,如
(2)随后,应变集中逐渐由加载端向自由端转移.当循环至约78 412次时,G1~G3处的应变突增,G10~G12处的应变下降至0,黏结剪应力突然跳跃然后变为接近于0.表明此时试件反面的整个黏结区域内突然发生了钢-胶层界面剥离破坏,此侧的CFRP板不再分担荷载;试件正面的CFRP板还未完全剥离,荷载转由该侧的CFRP板承担.
(3)此后,G1~G3处的应变维持在一个较高的水平,且应变值几乎相同.界面剪应力保持为0,表明加载端附近的界面剥离范围已经超过G3,此阶段约占疲劳寿命的13%.当循环至约90 517次时,G1~G3处的应变骤降为0,此时正面的CFRP板也全部剥离,试件破坏.根据破坏模式,可以判断是突然发生了CFRP板
此外,疲劳试件两侧的界面剪应力发展并不对称,破坏也并不完全同步.这是由于实际试验中存在不可避免的材质不均匀性、表面处理差异等不可控因素.疲劳荷载下CFRP板
当前
式中:
对
式中:
由于G1/G2中点处(距加载端8.5 mm)的黏结应力是现有应变测试手段下可测得的最大黏结应力,且应力梯度相较其他位置也更大,故采用此处在加载初期的最大黏结应力幅来构造基于局部黏结应力幅的
式中:
由
因此,基于幂函数公式预测界面疲劳寿命时,采用平均黏结应力幅似乎更为适合.需要说明的是,本文只讨论了最常用的幂函数公式下基于2种黏结应力幅的拟合结果,结果显示基于平均黏结应力幅的拟合优度更高,但若使用其他公式进行
此外,基于无限疲劳寿命准则,得到基于平均黏结应力幅和局部黏结应力幅的500万次疲劳寿命对应的黏结应力幅(即常幅疲劳极限)分别为Δ
在实际工程的安全疲劳设计中,不能直接采用中值
基于本文试验结果得到的设计曲线(
虽然2种基于应力幅的设计曲线均具有很好的安全性,但在实际工程中进行黏结接头设计时,推荐使用基于平均黏结应力幅的设计
(1)静力荷载作用下CFRP板
(2)在不同疲劳荷载水平下,CFRP板
(3)在疲劳荷载作用下CFRP板
(4)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的疲劳曲线(
(5)在实际工程设计中,推荐采用具有95%可靠度的基于平均黏结应力幅的
柯璐,朱夫瑞,李传习等.
KE Lu,ZHU Furui,LI Chuanxi,et al.Fatigue Behavior of Bonding Interface between CFRP Laminates and Steel[J]. JOURNAL OF BUILDING MATERIALS,2023,26(03):266-274.