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1.研究背景
碳纖維增強(qiáng)聚合物(Carbon fiber reinforced polymer， CFRP)因其卓越的力學(xué)性能和耐腐蝕性被廣泛應(yīng)用于鋼結(jié)構(gòu)的加固工程中。
研究表明 CFRP 與鋼結(jié)構(gòu)之間的界面粘結(jié)性能對于加固效果影響較大，故需對CFRP-鋼結(jié)構(gòu)界面剪切滑移性能進(jìn)行研究。傳統(tǒng)測量方式是通過在CFRP表面貼應(yīng)變片，粘貼會存在間距，致使測量結(jié)果離散，且操作繁瑣，成本高昂。
數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)DIC
作為一種非接觸式光學(xué)測量手段，基于數(shù)字圖像相關(guān)和雙目視覺測量原理重建被測物表面點(diǎn)在變形前后的三維空間坐標(biāo)，進(jìn)而獲取形貌與變形信息，與應(yīng)變片比具有可視化、全場連續(xù)動態(tài)測量等特點(diǎn)。
2.試驗簡介
研究人員通過雙剪試驗，采用千眼狼3D-DIC非接觸應(yīng)變測量系統(tǒng)，研究3類溫度（-10°C、25°C、60°C），3類濕度（30%、60%、90%），4種粘結(jié)長度（40mm、60mm、80mm、100mm），2種膠層厚度（0.5mm、1mm）對CFRP-鋼界面的剪切應(yīng)力分布，并通過平滑法擬合其剪切-滑移本構(gòu)關(guān)系。
圖1 CFRP-鋼板試件
3.試驗步驟
1）按3類溫度、3類濕度、4種粘結(jié)長度、2種膠層厚度四個維度有效搭配，準(zhǔn)備共計56個雙剪試件，試件由兩塊鋼板、兩塊CFRP板通過粘結(jié)劑粘結(jié)組成。如圖1所示。
2）將待觀察應(yīng)變的一側(cè)CFRP板打磨后噴白色啞光漆，粘貼散斑。如圖2（左）所示。
3）使用500kN疲勞試驗機(jī)加載，速率0.2mm/min，采集頻率100Hz。
4）利用標(biāo)定板對試件標(biāo)定，確定CFRP板上散斑點(diǎn)位置與軟件中對應(yīng)點(diǎn)的位置關(guān)系。
5）采用千眼狼3D-DIC非接觸應(yīng)變測量系統(tǒng)，以1Hz頻率與疲勞試驗機(jī)同步采集，記錄加載過程中CFRP板的應(yīng)變分布變化。如圖2（右）所示。
6）加載結(jié)束后使用千眼狼3D-DIC軟件計算CFRP表面應(yīng)變數(shù)據(jù)。
圖2試件制作步驟及加載裝置
4.試驗部分?jǐn)?shù)據(jù)
圖3為-10°C、100mm粘結(jié)長度、0.5mm膠層厚度、30%濕度下試件在不同載荷下，用千眼狼3D-DIC技術(shù)捕捉的不同載荷下應(yīng)變分布的演化過程和局部應(yīng)變和應(yīng)力集中現(xiàn)象。起初，應(yīng)變主要集中在加載端，呈現(xiàn)出高應(yīng)變梯度。 隨著荷載增加，應(yīng)變影響區(qū)域逐漸向自由端擴(kuò)散，表明剪應(yīng)力界面的影響區(qū)域逐漸增大。
圖3 DIC應(yīng)變云圖
根據(jù)3D-DIC分析數(shù)據(jù)，可獲得每個試件拉伸時CFRP的軸向應(yīng)變數(shù)據(jù)。圖4 為A（-10°C）、B（25°C）組中4個存在應(yīng)變軟化試件的應(yīng)變分布曲線。以峰值載荷Pu 為依據(jù)，依次繪出0.2 Pu、0.4 Pu、0.6 Pu、0.8 Pu、Pu 的應(yīng)變分布曲線。初始加載階段，軸向應(yīng)變主要在加載端附近高度集中，且最大應(yīng)變隨著施加載荷的提升而增加。當(dāng)荷載達(dá)到特定值，界面剝離的跡象便顯現(xiàn)，隨后最大應(yīng)變趨于穩(wěn)定并在一定區(qū)間內(nèi)波動。
圖4 部分應(yīng)變軟化試件軸向應(yīng)變分布曲線
5.研究總結(jié)
研究基于雙剪試驗探析溫濕度養(yǎng)護(hù)環(huán)境對CFRP與鋼板界面粘結(jié)性能的影響機(jī)理。分析溫度、相對濕度、粘結(jié)長度、膠層厚度因素對粘結(jié)性能的影響，采用3D-DIC技術(shù)獲得CFRP板表面的應(yīng)變場，分析靜載拉伸過程中CFRP-鋼板粘結(jié)界面力學(xué)性能及破壞過程。
試驗結(jié)果表明：60°C與60%相對濕度養(yǎng)護(hù)條件下粘結(jié)峰值載荷較高；低溫和高濕環(huán)境易致界面失效；溫度升高和濕度增加均會導(dǎo)致界面剪應(yīng)力峰值降低與滑移量增加；粘結(jié)長度的增加有助于分散區(qū)域應(yīng)力，較薄的膠層有助于提高界面剪應(yīng)力峰值和改善應(yīng)力分布。研究為CFRP加固鋼結(jié)構(gòu)的工程應(yīng)用提供理論支持和設(shè)計參考。文章來源《溫濕度養(yǎng)護(hù)環(huán)境對CFRP-鋼板界面粘結(jié)性能的影響》
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