浅谈型钢的加固

摘要：本文以工程实际为背景，介绍了碳纤维、粘钢复合加固这样一种新型加固方式，通过试验，这种加固方式对结构的强度，变形等都有较大的提高，是一种较理想的加固方式，对实际工程有很好的参考价值。
关键词： H型钢      碳纤维         加固


    碳纤维、粘钢复合加固修复技术是一项新型、高效的结构加固修补技术，碳纤维、粘钢加固修复是利用浸泽树脂将碳纤维布粘贴于H型钢的受拉区域，而在H型钢的受压区粘贴钢板条，使他们与H型钢共同工作，从而达到与H型钢的加固补强目的。碳纤维为极细纤维，因其强度高，故由环氧树脂将其结合在一起后具有很强的抗拉强度。在构造物的加固设计中，一般避免两种性能差异过大的材料结合在一起。而碳纤维的材料强度虽然很高（约为钢筋的十倍），但它的弹性模量却与钢筋相差不多，所以碳纤维加固H型钢不会出现不匹配的现象。碳纤维、粘钢复合加固属于结构二次组合结构，就好比钢筋与混凝土的结合一样，碳纤维、粘钢与H型钢必须通过粘结剂结合，结合力必须大于结构本身的强度。相对于单纯的的粘钢加固或单纯的碳纤维加固，粘钢碳纤维复合加固既克服了碳纤维无抗压强度的缺点，又充分利用了碳纤维抗拉强度高、效果好、不影响结构外形，耐久性、耐腐蚀性好、施工便捷的特点。而钢结构相对混凝土结构而言，具有自重较轻，不需要养护等优点。因此，碳纤维粘钢复合加固H型钢梁就有较强的研究价值与实际意义。……………………………………………………(前言)
1.加固方案的确定
   本试验采用跨度为2m的H型钢梁作为实验研究对象，考虑到H型钢在受到正截面受弯时其跨中界面中和轴正好位于中心，根据平截面假定，达到正截面极限状态时，其极限拉应变、压应变基本相等。为了避免试件在受拉区还未屈服时受压区破坏，在受拉区粘贴碳纤维的同时在受压区粘贴钢板，同时，为了测定碳纤维的粘贴层数对加固效果的影响，本试验采用在受拉区分别粘贴两层、三层碳纤维进行试验。受压区采用翼缘粘贴-5*50的钢板条的加固方式。

2.加固设计
  试件采用H型钢梁

                                                               碳纤维材料采用碳纤维布状材料，型号为UT70-30,宽50mm,厚0.161mm.其主要性能指标见下表1，表2。

           表1  碳纤维材料主要性能指标

碳纤维材料
        计算厚度
（mm）    抗拉强度
（Mpa）    弹性模量
（Mpa）    断裂伸长率
（％）        密度
（g/cm3）
UT70-30    0.161    1800    2.2*10E5    1.4-1.5    1.76



    表2  粘结剂的主要性能指标
材料名称    抗压强度
（Mpa）    抗拉强度
（Mpa）    剪切强度
（Mpa）    弹性模量
（Mpa）
JH-结构锚固胶    50-60    15-18    20-30    (5-6)*10E3

钢板及H型钢上应变片型号为1mm*2mm,碳纤维上应变片型号为10mm*50mm.千斤顶型号根据H型钢达到屈服强度时的极限应力选用，根据本试验试件的极限荷载选用500KN的千斤顶。
3.试件加载
加载前，对试件进行预加载，检查仪器设备合格后正式加载。试件加载时，采用分级加载。因荷载较小，为更清楚了解试件在加载过程中的变化情况，分十级加载。
对比梁：加载初期，构件处于弹性阶段，当荷载加至240KN时，构件开始出现塑性变形，腹板处应变迅速增大，跨中挠度明显增大，加至260KN时，荷载-位移曲线接近直线，跨中位移继续增大，荷载保持不变的情况下，构件开始破坏，同时由于缺少平面外支撑，加上加载点位置的影响，构件出现平面外失稳现象。
拉区粘贴两层碳纤维，压区粘贴钢板条的构件：加载初期，构件处于弹性工作阶段，粘贴钢板、碳纤维布与H型钢协同工作，施加荷载时，碳纤维布发出噼里啪啦的声音，碳纤维开始发挥作用。当荷载加至290KN时，构件开始屈服。继续加载，荷载仍能继续少量增加，构件达到屈服后强化阶段，此时，跨中位移迅速增加。当荷载继续增加到340KN时，受压区粘贴钢板条在距支座450mm处由于超过粘结剂的抗剪强度而发生脱落，继续加载，跨中挠度进一步增加，脱落部位继续加大，一直延伸至支座处。同时，对称的另一侧钢板条也发生相同的脱落，而碳纤维未破坏。
拉区粘贴三层碳纤维，压区粘贴钢板条的构件：加载初期，同粘贴两层碳纤维相似，构件处于弹性工作阶段，碳纤维、钢板条与H型钢协同工作，施加荷载时，碳纤维布发出噼里啪啦的声音，碳纤维开始发挥作用。当荷载加至300KN时，构件开始屈服。继续加载，荷载仍能继续少量增加，构件达到屈服后强化阶段，此时，跨中位移迅速增加。当荷载继续增加到334KN时，受压区粘贴钢板条在距支座450mm处由于超过粘结剂的抗剪强度而发生脱落，继续加载，跨中挠度进一步增加，脱落部位继续加大，直至支座处。同时，构件出现因扭曲而产生的局部失稳现象。
4.试验结果分析：
     通过比较，可以从强度，刚度、变形来分析构件的加固效果：强度方面: 本试验中，对比梁屈服时，其屈服强度约240KN,粘贴两层碳纤维的梁的屈服强度为280KN,粘贴三层碳纤维时，其屈服强度为300KN；强度分别提高了16.7%，25%。屈服时，粘贴两层碳纤维的钢梁跨中截面受拉区应变为1205.5*10E-6,纤维强度为265.2Mpa；粘贴三层碳纤维的钢梁碳纤维跨中截面受拉区的应变为1079*10E-6,纤维强度为237.5Mpa,远远低于纤维的抗拉强度,可见加固后，H型钢的承载力有了较大的提高，而纤维的强度还远未达到其抗拉强度；刚度方面: 由于粘贴了碳纤维，它是一种高强、弹性材料，结构受拉区受力发生屈服应变时，会受到它的约束，从而提高其刚度，加上结构受压区粘贴的钢板条，增大了结构截面，从而使结构的抗弯刚度EI得到提高;变形方面: 弹性阶段，挠度随荷载变化情况三种构件相差不多，粘贴三层碳纤维布时挠度略有减少。可见，弹性阶段，通过施加粘贴碳纤维、钢板来改善结构的挠度效果不明显，当荷载达到140KN时，此荷载接近对比梁的弹性极限荷载，之后，由图可见，通过粘贴碳纤维布、钢板来改善结构的挠度效果比较明显，特别是碳纤维的粘贴层数对结构挠度有比较明显的效果。

5.结论：
   本试验的目的就是通过粘贴钢板条、碳纤维来加固H型钢，通过实验效果来看，加固效果还是不错的，结构的强度，刚度、抵抗变形的能力都有较大的提高，可以用于工程实际。不足之处就是试件的跨度、截面高度都不是太大，关于大跨度，截面高度很大的工程还需要进一步的实验研究。