第1章　緒　論

1.1　研究背景

　　在各類工業與民用建筑物、構筑物、橋梁、涵洞和隧道等工程結構中存在大量的鋼結構，這些結構在國民經濟中占有重要的地位，如鋼結構橋梁、建筑物、構筑物、海岸和近海工程及石油化工用壓力容器、管道、塔桅等。在這些鋼制結構中，有些結構長期處于腐蝕環境中，有些結構經受交變荷載的作用；有些結構處于高溫、高濕或高壓的服役環境中，而有些結構內部則充滿易燃、易爆、有毒、腐蝕等介質，它們在運行過程中會受到自然環境的侵蝕、外部荷載的作用或人為因素的破壞，不可避免地會存在各種各樣的損傷和缺陷，尤其是在長期服役的鋼結構中更為突出。材料的微觀缺陷在載荷、環境等各種因素的作用下，逐漸成胚、孕育、擴展和匯合，當損傷累積到一定程度時，就會引起材料宏觀力學性能的劣化，終導致結構失效，例如鋼制輸送管道在周圍環境和內部介質的作用下經常會發生化學或電化學腐蝕，嚴重時導致腐蝕穿孔和泄漏，一旦發生泄漏或爆炸，往往會發生火災或中毒、爆炸等災難性事故；同時，有毒有害物料進入大氣、土壤和水源，既污染了環境，又造成了工程事故。
　　鑒于社會資源的稀缺性和工程建設的經濟性，這些鋼結構不可能一旦出現損傷就退役，同時結構損傷具有局部性和多發性的特點，因此為了延長這些損傷鋼結構的使用壽命和確保結構安全工作，避免資源浪費，就必須對損傷結構構件進行修復。傳統的鋼結構修復方法是把鋼板焊接、螺接、鉚接或者粘結到結構的損傷部位。這些方法雖在一定程度上改善了原結構缺陷部位受力狀況，但同時又給結構帶來一些新的問題。
　　焊接修復技術是目前鋼結構修復中普遍采用的方法，它是在結構損傷部位焊接金屬蓋板或型鋼，使結構恢復正常承載能力而得以安全運行的修復技術。如埋地管道因腐蝕會引起坑、槽等體積缺陷，通過對缺陷部位的簡單清理、打磨，采用與管道材質和規格相同或相近的片狀或半環狀管材焊接在缺陷部位并將其覆蓋，然后進行一些簡單熱處理和表面防腐處理，從而使管道恢復承壓能力。但是這種方法主要采用現場焊接，焊接時高溫作用使焊接部位組織及性能劣化、材質變脆，斷裂韌性降低，抵抗脆性斷裂的能力變差，影響結構運行的安全性；另外焊縫或多或少會存在一些缺陷，在荷載作用下會萌生新的裂紋斷裂源；同時在焊接過程中易產生氫脆、焊接后結構內部存在殘余應力，和其他作用結合在一起可能導致開裂，裂縫一旦擴展，就有可能一斷到底，造成嚴重后果。
　　此外焊接修復技術對操作要求也較高，如焊接操作人員為熟練工人，可能修復焊縫的缺陷較少，而如果為非熟練工人操作，可能其所修復焊縫的焊接缺陷就較多，因此一般對修復結構，焊后需要進行現場探傷；另外由于焊縫高溫熔化和冷卻過程中成分和組織的變化，如果焊條選擇不當，很容易造成焊縫的電位比母材低，焊縫與母材組成電偶腐蝕電池，將大大加速焊縫的電偶腐蝕速度；當損傷結構內存在大量易燃易爆介質時，修補期間還需要停止運行，焊接修復屬于明火作業，對于壁厚不均的結構，如果焊接電流會穿透管壁造成介質泄漏，造成維修結構的爆炸危險，帶來很大的經濟損失。
　　如采用螺接或鉚接修復方法對損傷鋼結構進行修復，則需要在母材上損傷部位區域開孔，這又會削弱了結構的受力截面，惡化了損傷區域的受力情況，形成新的應力集中區；另外普通螺栓在動荷載作用下易發生松動，高強度螺栓易發生應力松弛現象；而采用鉚接修復，鉚接處鉚合溫度過高，易引起局部材質硬化，鉚合質量不易控制，不易確定其結構修補的效果。
　　始于20世紀60年代的粘鋼技術，它是用特制的膠粘劑將鋼制蓋板粘貼于鋼結構的損傷部位，使鋼制蓋板與帶缺陷的原結構緊密結合在一起，鋼制蓋板承擔了原結構的部分荷載，降低了原結構缺陷部位承受的荷載，從而達到修復的效果。這種方法雖說避免了焊接、螺接、鉚接等修復方法產生殘余應力、削弱構件截面、劣化母材材質等的不足，但同時又帶來鋼制蓋板容易銹蝕，維護費用較高，其厚度也較大，既不利于成形，施工工效低，又會在粘結界面產生較大的剝離應力，與界面剪應力共同作用導致界面過早發生剝離破壞，修復質量不易保證等缺陷，限制了該技術的應用。因此，尋求經濟高效的鋼結構修補技術是現代土木工程領域迫切要求解決的問題。

1.2　FRP修復鋼結構的特點

　　纖維增強復合材料(Fiber Reinforced Polymers，簡稱FRP)是由高性能纖維，如碳纖維(Carbon Fiber)、玻璃纖維(Glass Fiber)和芳綸纖維(Aramid Fiber)等與基體，主要是樹脂(Polymer)體系按一定比例、并經過一定加工工藝制成的一種復合材料。它的性能與其組成和加工工藝密切相關，隨著FRP的開發應用和粘結劑性能的不斷改進，高性能復合材料依靠其優異的性能在航空、航天、體育、衛生、電子、兵器等領域得到了廣泛的應用，至今已有三四十年的歷史，目前在這些領域仍然是先進的主導修復技術。
　　20世紀80年代以來，FRP修補技術作為一種高效率、低成本的先進結構修復方法，即將已固化的、半固化的或未固化的FRP材料，粘貼到結構破壞損傷部位以完成結構修復的方法，已在土木工程中得到了很大重視并進行了廣泛的研究與應用。目前碳纖維增強復合材料(Carbon Fiber Reinforced Polymer，簡稱CFRP)修復混凝土結構技術已經成熟并廣泛應用于混凝土梁、板、柱、橋墩等工程結構的修復中。而FRP粘結修補飛機、航空器部件的鋁金屬薄板缺陷的成功運用，為其向鋼結構工程領域移植及進一步拓展提供了技術基礎和借鑒。
　　FRP修復鋼結構技術是通過在鋼結構損傷區域表面涂覆特制的膠粘劑，將FRP片材粘貼到鋼結構損傷部位的表面，使一部分荷載通過膠層傳遞到FRP片材上，降低了鋼結構損傷部位的應力水平，將鋼結構和FRP粘結成整體，協調變形、共同工作，使裂紋擴展速率降低或制止了裂紋的擴展，以提高鋼結構承載能力和改善其疲勞性能，延長了結構的使用壽命，從而提高結構服役安全可靠性的一種修復方法。
　　與傳統的鋼結構修復方法相比，粘貼FRP修復鋼結構技術具有明顯的優勢：
　　(1)FRP材料自重輕，力學性能優越，比強度和比剛度高，要達到同樣的修復效果，FRP的尺寸明顯小于金屬板的尺寸，同時FRP本身密度小，而粘貼修復又省去了緊固件，修復后基本不增加原結構的自重和原構件的尺寸；
　　(2)FRP具有可設計性，即可以根據結構缺陷的嚴重程度和受力情況，在單向FRP中，通過改變組分和組分含量以改變其縱向和橫向性能以及它們的比值；對于FRP板采用改變FRP鋪層的取向與順序而改變復合材料的彈性特性和剛度特性來設計復合材料的性能，從而適應特殊應用的要求，大限度地提高結構的修復效果；
　　(3)FRP具有可成形性，對于復雜曲面結構(如壓力容器、管道、安全殼等)的修復，該方法具有特別的優勢；
　　(4)FRP具有良好的抗疲勞性能，能夠改善動荷載環境下缺陷構件應力集中和承載情況，有效地阻止裂紋的繼續擴展，從而提高結構的抗疲勞性能；
　　(5)對母材損傷小，不需要對母材鉆孔，對母材承載截面基本無削弱，不破壞原結構的整體性，不會形成新的應力集中源，避免了新的孔邊裂紋的產生。不增加新的焊縫，不會產生殘余應力，不會形成新的裂紋疲勞源；
　　(6)FRP本身對酸、堿、鹽等腐蝕介質具有很好的耐腐蝕性能，柔性的FRP修復任意封閉結構和形狀復雜的被修復結構表面，基本上可以保證近100％的有效粘貼率，與金屬表面有良好的界面粘結性能、密封性，減少了滲漏甚至腐蝕的隱患，很少出現二次腐蝕破壞現象，這一點對石油化工行業的壓力容器、輸送管道等結構尤為重要；
　　(7)粘貼FRP修復鋼結構是連續的面際連接(即兩者相鄰表面結合起來)，整個粘結面都承受荷載，克服了焊接僅依靠邊緣結合而內部不能結合的缺陷。鋼結構與FRP構成整體，荷載從原鋼結構傳遞到FRP更加均勻有效，應力分布更為均勻，大大緩解了應力集中，這些都顯著地提高了靜強度和剛度，抗疲勞性能好，延長了結構的使用壽命；
　　(8)該方法施工便捷，簡便易行，成本低，效率高，特別適合于現場修復?，F場實施無需大型專用設備，可節省人工與機器設備搬運，修復所用的時間短，大約是常規修復方法所用工時的1／3～1／5，狹小空間亦可施工；
　　(9)施工過程中無焊接明火，現場主要采用常溫固化工藝施工，安全可靠，對生產影響小，適用于特種環境，如燃氣罐、貯油箱、井下設備(具有爆炸危險的情況)、電纜密集處或化工車間、煉油廠等環境；
　　(10)有利于實現CFRP的自感知智能特性。可以利用碳纖維自身的導電性能，根據補強片電阻的變化規律來獲得修復部位的應變及應力信息，實現對結構的安全監視與診斷。
　　因此，粘貼FRP修復鋼結構技術是一種很有發展前途的新型結構修復技術，具有廣闊的應用前景，它可以應用到飛機機身的裂紋修復、鋼結構橋梁和建筑物的修復以及船體結構、壓力容器、輸送管道和鋼儲罐等的結構缺陷修復。

1.3　國內外研究狀況

　　粘貼FRP修復鋼結構時，應選擇合適的修復材料、正確地進行修復設計和選擇正確合理的修復方案，這就需要對原結構和修復后的復合結構進行深入的力學分析。同時，為了評估該技術的修復效果，必須對修復結構進行試驗研究。根據分析手段的不同，國內外的研究基本上是從兩方面進行，即理論分析和試驗研究。
1.3.1　國外相關研究狀況
　　在20世紀70年代，在美國空軍飛行力學研究室(AFFDL)、Northrop公司、Donglas航空公司等率先采用FRP進行膠結修補飛機損傷構件，隨后澳大利亞、英國、法國等相繼對這項技術展開了全面的研究和應用。
1.3.1.1　理論分析
　　由于FRP性能差異較大、粘貼質量的影響因素甚多，因此用試驗方法來研究FRP修復鋼結構受到一定的限制。一般情況下，理論分析方法是研究FRP粘貼修復技術的主要手段，特別是在基礎研究階段，通過理論計算分析，可以用較少的費用，獲得大量有用的信息，并為試驗提供必要的數據，然后做少量的驗證性試驗。
　　1.解析方法
　　Erdogan，Arin和Ratwani等人采用平面彈性理論的復變函數方法，以應力函數為出發點，用解析方法分析了含裂紋金屬板粘貼復合材料后的受力情況，對金屬板內裂紋尖端的應力強度因子、FRP中的大拉伸應力和膠層內的大剪應力進行了分析。在該分析模型中，膠層被認為是各向同性材料，并能發生彈塑性變形；金屬板和FRP均處于平面應力狀態，兩者之間的作用力通過膠層的剪切變形來實現，并把膠層對金屬裂紋板和FRP的剪切力作為體力，在各自的厚度上均勻分布。
　　Keer，Lin和Mura等人用傅立葉變換，分析了結構粘貼FRP后的修復效果。該求解方法較有特色，采取了較少的假設，長度方向雖然仍考慮為無窮大，但裂紋板和修復板寬度則是有限的，由于膠層厚度是有限厚度，所以認為應該考慮膠層厚度的影響，并假定不存在脫膠現象。但是，裂紋板和修復板僅限于各向同性材料，且兩者的泊松比相同。因此，在使用時受到很大的限制，當修復板為FRP時，此方法不能使用。
　　Sebastian對工字形鋼梁受拉翼緣外側粘貼FRP后組合梁的彈一塑性性能進行了分析，考察了組合截面從彈性階段發展到彈塑性階段的全過程特性，共分為五個階段。由于粘貼了復合材料，因此組合截面不再關于強軸對稱，對于這種截面需要由二個參數來定義它的彈塑性性能，而且隨著截面彈塑性曲率的增大中性軸向復合材料方向移動。分析時，假定組合截面的變形仍符合平截面假定。
　　2.數值方法
　　數值方法主要有邊界元法和有限元法。數值方法的主要優點是不作許多假設，適應性強，分析時不受結構形狀、受載情況和邊界條件的限制，能夠比較真實地反映工程實際。
　　粘貼FRP修復鋼結構時，存在FRP與膠層之間和膠層與金屬表面之間的界面，因此在建立有限元分析模型時，如何考慮修復結構的界面應力和建立相對真實的膠層數學模型是關鍵。Jones和Callinan等人采用有限元方法，研究了粘貼FRP修復中心穿透裂紋板的裂紋尖端應力強度因子、膠層中大剪切應力和FRP中的大拉伸應力。分析中將金屬板與FRP板化成一般的平面單元，將膠層模型化成特殊的“膠元”，認為膠層只發生剪切變形，且限制在線彈性范圍內，并且在線彈性范圍內考慮整個修復結構的橫向剪切變形。由于裂紋尖端存在應力奇異性、應力梯度較大，故一般在裂紋尖端使用裂尖奇異單元。后來，他們還將FRP修復的有限元方法推廣到FRP結構的裂紋修補問題。Kan和Ratwani在計算中則考慮了膠粘劑非線性性能的影響，Chandra等利用J積分與有限元相結合的辦法計算了孔邊裂紋板、中心穿透裂紋板的裂尖應力強度因子。
　　Tran和Shek用有限元和邊界元相結合的方法，分析了粘貼FRP后的修復效果。
在這個分析模型中，采用剪切彈簧模型來模擬膠層的作用，將通過膠層傳遞的表面剪切力視為體力作用于裂紋板和FRP上，FRP采用有限元方法分析，而裂紋板則采用邊界元處理，并利用裂紋表面的邊界條件進行求解。文中同時分析了單邊粘貼修復和雙邊粘貼修復以及膠層厚度對裂紋尖端應力強度因子的影響。
　　Sun等利用“雙板．彈簧”模型考慮了中心穿透裂紋板的單邊及雙邊粘貼修復問題，并且計算了中心橢圓脫膠時裂尖的能量釋放率。為了考察“雙板-彈簧”模型的精度，他們同時還進行了三維有限元分析，三維計算結果表明，彎曲應力沿板厚為線性分布，這進一步表明可以使用二維板元來簡化修復問題的建模。
　　Naboulsi、Schubbe采用三板技術分析了粘貼FRP修復裂紋鋼結構。在他們的分析模型中，將裂紋金屬板、膠層和FRP板都用二維Mindlin板單元來模擬，為了保證變形協調，在金屬板．膠層界面和膠層-FRP界面的節點之間引入約束方程。并采用該模型分析了金屬板裂紋尖端的應力強度因子和膠層界面裂紋的能量釋放率。
1.3.1.2　試驗研究
　　國外對FRP修復鋼結構的試驗研究主要集中在以下幾個方面：
　　1.FRP修復高強鋁合金薄板
　　FRP修復鋼結構早是從航空領域開始應用的。由于飛機制造采用了大量的高強鋁合金薄壁構件，因此，機身出現裂紋后，可以采用高性能的FRP進行修復和修復，既可以減輕修復的重量，提高使用的耐久性，同時，由于裂紋構件受力狀態復雜，可以利用復合材料的可設計性進行優化，大限度地利用復合材料的性能。
　　Jones和Callinan在試驗和計算的基礎上研究了粘貼FRP修復前后金屬板裂紋張開位移和應力強度因子之間的關系，結果表明：對于中心穿透裂紋板，修復前后裂紋板的應力強度因子之比等于裂紋張開位移之比。他們還對粘貼硼／環氧復合材料修復鋁合金的表面裂紋進行了有限元分析和試驗研究。
　　Chandra利用光彈試驗方法，研究了CFRP對裂紋尖端應力強度因子的影響，分析結果表明：含裂紋板經粘貼修復后，裂紋尖端的應力強度因子可下降80％～90％。
　　Alawi和Saleh對粘貼修復后的結構通過疲勞裂紋擴展試驗，研究了FRP的幾何外形尺寸、原結構的表面質量、FRP的數量、單面粘貼或雙面粘貼對疲勞裂紋擴展速率的影響。其基本出發點是：通過對疲勞試驗數據的統計分析，得出Paris裂紋擴展公式中的材料常數，并認為粘貼修復結構中疲勞裂紋擴展速率降低的主要原因是由疲勞裂紋擴展公式中參數的改變引起的。由于疲勞試驗試件的數量有限，沒有得到原結構表面質量與修復效果的關系。Lai、Kam考察了粘貼碳／環氧復合材料修復裂紋鋁合金板的疲勞性能。
　　Baker等采用硼／環氧復合材料來修復飛機的金屬構件，并已成功地用于軍用飛機的修復中。Baker還對含疲勞裂紋的A12024-T3構件粘貼硼／環氧復合材料修復進行了試驗，研究了修復結構的脫膠及試驗溫度對修復效果的影響，研究結果表明：脫膠出現在金屬板裂紋周圍，脫膠裂紋出現在界面上而不是出現在膠層內部，脫膠導致裂紋擴展速率的增大，文中提出了一種估計脫膠對修復效果影響的簡單模型，通過試驗還意外地發現：利用膠膜粘貼FRP修復裂紋板時，修復結構工作在100％下，修復效果仍然不受影響。
　　2.CFRP修復鋼結構
　　由于環境劣化導致鋼結構橋梁截面嚴重削弱，交通量日益增加使現有的橋梁不能滿足運行的需要，為了保證橋梁安全運行，就必須對現役損傷鋼結構橋梁進行修復。
　　(1)受彎構件修復
　　1)修復自然腐蝕鋼梁
　　Miller對四個足尺鋼梁進行了試驗，長21英尺(6.4m)，截面為美國標準鋼梁S24×80。這些鋼梁是從Rausch Creek橋上替換下來的損傷鋼梁，鋼梁受拉翼緣和腹板大部分截面都已被腐蝕掉，鋼梁的剛度降低了20％～32％。在鋼梁受拉翼緣外側表面粘貼CFRP板修復后，其剛度提高了10％～37％，極限承載力提高了17％～25％。試驗采用的CFRP板由單向碳纖維(T-300型碳纖維)和乙烯基樹脂復合而成，纖維體積含量為51％、抗拉強度為930MPa、彈性模量為112GPa、泊松比為0.37、延伸率為0.9％。
　　2)修復人工切槽鋼梁
　　Missouri-Folla大學對粘貼CFRP板修復損傷鋼梁進行了試驗研究，共完成了四根鋼梁的三點彎曲試驗，試驗梁兩端簡支。鋼梁長度為2.74m、支座間距為2.438m，鋼梁截面為W12×14；修復材料為CFK200／2000，其抗拉強度為2300MPa，拉伸彈性模量為200GPa，寬度為100mm，厚度為1.4mm。個試件未修復，作為對比件；第二個試件也未修復，但是在受拉翼緣開有一寬度為106mm的槽口，用來模擬由于腐蝕而造成的截面嚴重削弱。第三個和第四個試件具有和第二根鋼梁相同的槽口，第三根梁在全長范圍內粘貼寬100mm的CFRP板，而第四根鋼梁只在跨中四分之一范圍內粘貼100mm寬的CFRP板，用來考察粘貼長度對修復的影響。為了減小側扭屈曲的影響，在兩端支座處和跨度四分點處采用四組橫向支撐。試驗加載過程中，試件1和試件2由于側向屈曲而破壞；試件3和試件4由于槽口處存在應力集中和較大的剪切應力，因此剝離從槽口處開始，然后向CFRP板兩端延伸，當CFRP板完全剝離后加載結束。試件3(全長范圍粘貼修復)CFRP板的剝離相對較慢；對于四分之一范圍內粘貼CFRP板的試件4，整個CFRP板突然發生剝離破壞。與對比梁相比，修復梁的剛度略有增加，但承載力則顯著提高，試件3的塑性承載能力增加了60％，試件4的塑性承載能力增加了45％。
　　Tavakolizadeh和Saadatmanesh對八根鋼梁進行了四點彎曲試驗，鋼梁截面為S5×10，長1300mm。其中六個試件在受拉翼緣的跨中切槽，深度分別為3.2mm和6.4mm。對每組切槽考察了不同的CFRP粘貼長度，對于深度為3.2mm的鋼梁粘貼長度分別為100mm、200mm和300mm；對于深度為6.4mm的鋼梁粘貼長度分別為200mm、400mm和600mm。試驗結果表明，修復梁的剛度和承載能力與完善鋼梁粘貼0.13mm厚的CFRP布接近，而與粘貼的CFRP的長度關系不大。極限承載能力增加很多，淺槽口試件增加了63％，深槽口試件增加了144％。淺槽口與深槽口試件的主要不同之處是延性損失。根據試驗記錄，這一點可以通過增加粘貼長度來解決。
　　Shulley等人研究了在鋼梁損傷腹板區域粘貼FRP布修復的效果。對六根跨度為711mm的損傷鋼梁進行了三點彎曲試驗，在離支座178mm處的腹板高度中部鉆一直徑為100mm的圓孔來模擬腹板的損傷。修復過程采用不同種類的FRP布，所有修復梁的破壞形式均相同，隨著荷載的增加，孔洞區域的FRP開始屈曲，然后與腹板分離。因此，所有修復梁均沒有達到未損傷鋼梁的承載能力。
　　3)修復未損傷鋼梁
　　Mertz等人對粘貼各種形式的FRP修復鋼結構橋梁進行了試驗研究，鋼梁跨度為1372mm、截面為W8×10，在每根鋼梁跨中1219mm的范圍內粘貼復合材料進行修復。試驗采用了四種修復方案：①采用雙組分環氧膠粘劑AV8113，將厚度為4.6mm的單向CFRP板粘貼于鋼梁下翼緣外側表面，如圖1.1(a)所示；②采用相同的CFRP板，但是在CFRP板與鋼梁之間增加鋁制蜂窩結構，使CFRP板離開鋼梁翼緣一段距離，形成夾層結構以增加截面的抗彎剛度，如圖1.1(6)所示；③先將泡沫夾芯連于鋼梁受拉翼緣外側表面，然后沿鋼梁腹板、翼緣和泡沫夾芯纏繞±45°的玻璃纖維織物，如圖1.1(c)所示；④在鋼梁受拉翼緣粘貼E-玻璃纖維拉擠型材，并采用螺釘與鋼梁翼緣機械連接，如圖1.1(d)所示。對試件進行四點彎曲試驗，四種修復方案的剛度分別增加了20％、30％、11％和23％，強度分別增加了42％、71％、41％和37％。因此，試驗結果表明夾芯-CFRP板技術(圖1.1(b))是有效的，纏繞GFRP修復方法(圖1.1(c))的效果差。

　　Abushaggur和El Damatty研究了粘貼GFRP板來提高鋼梁承載能力的效果。鋼梁跨度為2800mm，截面為W6×25；GFRP板的長度為2400mm，厚度為19mm。采用四點彎曲試驗，GFRP板分別粘貼于鋼梁的下翼緣和上翼緣。據報道試件的破壞形式為GFRP板的斷裂或GFRP板的層間剝離，并沒有發生鋼梁與GFRP板之間的膠層破壞。修復鋼梁的剛度、屈服荷載和極限荷載分別增加了15％、23％和78％。
　　4)修復鋼-混凝土板組合梁
　　鋼梁上翼緣的混凝土面板為鋼梁提供了連續的側向支撐，可以避免鋼梁過早發生扭轉屈曲。而且，組合截面的中和軸位置遠離受拉翼緣，使在受拉翼緣粘貼FRP的修復更加有效。
　　Sen等人通過在鋼梁受拉翼緣外側粘貼CFRP板，研究了采用CFRP板修復鋼結構橋梁的可行性。他們共進行了6個試件的試驗，并對修復前、修復后試件的強度和剛度進行了比較。試驗中所用的鋼梁長度為6.1m，截面為W8×24，屈服強度有310MPa和370MPa兩種；鋼梁上部混凝土面板寬度為71cm，厚度為11.4cm，混凝土的抗壓強度為43.6MPa。修復所用的CFRP板長度為3.65m、寬度為16.5cm、厚度有2mm和5mm兩種，其抗拉強度為1840MPa，彈性模量為114GPa。試驗中所用的粘結材料為雙組分環氧膠粘劑FR1272，其適用期在24℃時為10～15min。為了模擬結構的實際受力情況，在粘貼CFRP板之前，先對每個試件采用四點彎曲試驗進行預載，使鋼梁受拉翼緣發生屈服，這樣在對組合梁修復之前構件已存在永久變形；然后在損傷試件的受拉翼緣粘貼165mm×3650mm、厚度為2mm和5mm的CFRP板進行修復，并試驗至破壞。用2mm厚CFRP板修復的試件由于撓度超過了LVDT的量程(100mm)而終止試驗；采用5mm厚CFRP板修復的試件由于cFRP板突然從鋼梁翼緣剝離而破壞。試驗結果表明極限強度的提高幅度約為46％～109％。采用2mm厚CFRP板修復的試件提高較低，而采用厚度為5mm厚的CFRP板修復的試件提高較多。除了能夠提高承載能力外，修復試件的彈性剛度也增加了20％～67％。試驗中為了防止CFRP板端部發生剝離破壞，所有的試件均在CFRP板端部采用夾具進行錨固，另外還有兩個試件除采用夾具錨固外，在CFRP板端部還用兩個螺栓進行錨固。從破壞形態來看，在界面發生粘結破壞的試件其承載能力提高的程度低，而采用夾具和螺栓雙重錨固的試件其承載能力明顯提高。
　　Tavakkolizadeh研究了采用CFRP板修復鋼-混凝土組合梁的效果，共進行了6個大比例尺試件的試驗，采用四點彎曲試驗。試件分為二組，每組各三個試件，組為完善組合梁，即鋼梁下翼緣無損傷，如圖1.2(a)所示；第二組為損傷組合梁，即鋼梁下翼緣部分寬度切除，如圖1.2(6)所示。試驗梁長度為4.9m，截面為W14×30，鋼材為A36；鋼梁上部混凝土面板寬度為91cm，厚度為7.5cm。修復所用的CFRP板寬度為75mm、厚度為1.27mm，抗拉強度為2137MPa、拉伸彈性模量為144.0GPa、泊松比為0.34。CFRP板并排粘貼于鋼梁受拉翼緣外側表面兩側，組試件的粘貼層數分別為1層、3層和5層；第二組試件鋼梁受拉翼緣考慮了三種不同程度的損傷：25％、50％和100％；對應粘貼的CFRP片材分別為1層、3層和5層。為了盡可能避免CFRP片材端部剝離，CFRP片材從里到外逐層內收，即對于粘貼一層的試件，CFRP片材的粘貼長度為3.95m；對于粘貼三層的試件，CFRP片材的長度依次為3.95m、3.65m、3.35m；對于粘貼5層的試件，CFRP片材的長度分別為3.95m、3.80m、3.65m、3.50m、3.35m。組試件的破壞形式分別為混凝土板壓碎(粘貼1層)、CFRP板剝離(粘貼3層)、混凝土面板壓碎并伴隨著腹板破壞(粘貼5層)。修復梁的承載能力大大提高，對于粘貼1層、3層和5層片材修復的試件承載能力分別提高了44％、51％和76％；而且，與原始未修復梁相比，在給定荷載水平下下翼緣的拉應變平均降低了21％、39％和53％。試驗結果表明，破壞時對于粘貼一層CFRP板的試件CFRP的應力約為其極限強度的75％，而粘貼5層CFRP板的試件其應力則降低到其極限強度的42％。第二組試件的破壞形式分別為CFRP板被拉斷(粘貼1層)、混凝土壓碎(粘貼3層)、CFRP板與鋼梁翼緣之間發生剝離(粘貼5層)。三種修復梁的承載能力分別提高了20％、80％和10％。修復梁的彈性剛度恢復非常明顯，對于粘貼1層、3層和5層的試件，其彈性剛度分別恢復到91％、102％和86％。

　　Al-Saidy對粘貼CFRP板修復鋼．混凝土組合梁進行了試驗研究。試件共分二種類型：未損傷組合梁和損傷組合梁，其中損傷組合梁是通過去掉部分鋼梁下翼緣來模擬的，鋼梁下翼緣面積削弱分別為50％和75％。對于兩類組合梁，都采用了兩種修復方案(圖1.3和圖1.4)：種方案是在鋼梁下翼緣外側表面粘貼CFRP板進行修復，第二種方案是在鋼梁受拉翼緣外側表面和腹板下部靠近受拉翼緣的兩側表面均粘貼CFRP板。未損傷組合梁粘貼CFRP板修復后，一方面，對彈性階段的影響不大，其彈性剛度幾乎沒有增加；修復梁的屈服荷載增加約為20％。另一方面，修復梁在非彈性階段的剛度增加很多，修復梁的極限荷載提高了20％～45％。粘貼CFRP板對損傷組合梁的修復非常有效，強度和剛度明顯增加，極限荷載比修復前提高了25％和43％，相對于未損傷組合梁則提高了6％和24％。試件破壞時并未發生CFRP板與鋼梁之間的粘結破壞，說明它們之間的粘結是有效的。

　　(2)鋼結構的疲勞修復
　　傳統鋼結構修復方法存在的構造細節(如焊接缺陷、構件鉆孔等)對疲勞荷載非常敏感，而粘貼FRP修復鋼結構正好解決這一問題，先FRP具有良好的抗疲勞性能，另外FRP與原結構通過膠粘劑連接，屬于面際傳力，荷載傳遞均勻，應力集中程度低。粘貼FRP修復鋼結構能有效地阻止裂紋和破壞的繼續擴展，大大延長了結構的使用壽命。不同研究者都已證實了采用CFRP布或CFRP板來提高鋼結構疲勞壽命的效果。
　　Miller等人對二根取自于舊橋的銹蝕鋼梁粘貼CFRP板修復后進行了疲勞試驗，在受拉翼緣上、下表面粘貼CFRP板進行修復。試驗中施加的應力幅與現場使用時的應力水平相當，疲勞試驗循環次數為1000萬次，對CFRP板進行監測，試驗中并未觀察到CFRP板剝離。
　　Tavakkolizadeh和Saaadatmanesh對粘貼CFRP改善含缺陷鋼梁的疲勞性能進行了試驗研究，共試驗了21個試件的疲勞強度。鋼梁截面為S127×4.5，鋼材為A36，所有試件的凈跨為1220mm。采用常應力幅四點彎曲試驗，應力幅值為69～379MPa，加載頻率為5～10Hz，二加載點間距為200mm。試驗中為了引入疲勞敏感缺陷，在鋼梁中部受拉翼緣兩側各制造了一個槽口，采用厚度為0.9mm的帶鋸切槽，切槽深度為12.7mm。采用長度為300mm、與翼緣等寬的CFRP板粘貼于受拉翼緣的下表面。試驗結果表明，采用CFRP板修復后鋼梁可以有效降低裂紋擴展速率，從而大幅度延長了疲勞壽命，修復后試件的疲勞壽命提高到未修復試件的2.6～3.4倍。

　　Mosallam等人對采用CFRP加勁肋修復鋼框架節點進行了循環荷載試驗，CFRP加勁肋如圖1.5所示。試驗采用兩種修復方式，一種是粘貼CFRP加勁肋；另一種是將CFRP加勁肋與節點之間采用機械連接，并與全焊接的鋼框架節點試件進行了對比。試驗結果表明，粘貼CFRP加勁肋修復試件的延性比全焊接節點試件的延性提高了25％。

　　Nozaka對粘貼CFRP板修復鋼結構橋梁的疲勞性能進行了試驗研究。受拉翼緣存在裂紋，在受拉翼緣內側表面粘貼CFRP板對其進行修復，試驗鋼梁長8.5m，支座間距為8.1m，截面為W27×84。采用四點彎曲試驗，加載點距支座的距離為3.05m，加載頻率為1～2Hz。修復材料采用Fyfe Tyfo UC CFRP板和3M DP-460 NS膠粘劑。當裂紋尖端位于腹板時，修復后裂紋尖端的應變明顯降低；當鋼梁受拉翼緣存在微小裂紋時，試驗未能很好地得到粘貼CFRP板對于抑制裂紋擴展的效果。由于所選用的膠粘劑韌性較好，在20MPa的名義應力幅下循環200萬次鋼梁與CFRP板之間的膠結界面仍未發生任何剝離。
　　(3)修復鋼結構的耐久性能
　　通常修復后的復合構件在實際使用時，總是要處于各種環境因素的作用，如有的須長年累月暴露于大氣之中，有的要處于特定的介質中，有的要經受高溫、低溫、交變溫度的熱沖擊等。在這些環境條件的作用下，其粘結性能必然受溫度、濕度、化學物質和大氣環境等因素的影響而發生變化。為了保證復合構件在不同的環境下能長期安全運行，就必須進行各種環境條件下的性能試驗，即耐久性試驗。國外對膠粘劑進行了大量的耐久性試驗。但他們的試驗主要針對航空領域，所用的金屬材料是高強鋁合金或鈦合金，采用的粘結材料是航空專用膠粘劑。航空領域所用的膠粘劑性能優異，金屬構件表面可以采用多種處理方法，如脫脂法、機械打磨法、化學處理法等；主要采用高溫固化，膠粘劑固化反應充分，因此界面的粘結強度高，斷裂韌性好。
　　由于金屬材料和碳纖維均能導電，而且二者之間存在電位差，Tavakkolizadeh對采用CFRP修復鋼結構時鋼材與碳纖維之間可能發生的電偶腐蝕問題進行了研究。共完成了38個試件的試驗，試驗模擬了兩種腐蝕環境(海水和防凍液)和四種不同的環氧涂層厚度(其中一種未涂環氧樹脂，即環氧涂層厚度為0)。另外，還考察了膠粘劑對電偶腐蝕速度的影響，同時采用不同的溶劑來清除CFRP表面的膠粘劑。通過對極化電位和腐蝕電流密度進行測試，試驗結果表明鋼材與碳纖維之間確實存在電偶腐蝕問題，另外由于環氧涂層的隔離作用可以使腐蝕速度大大降低。
　　West對CFRP和鋼材之間的電偶腐蝕、粘結強度和粘結耐久性進行了試驗研究。電偶腐蝕試樣是將CFRP直接粘貼于鋼材表面，通過觀察界面的表面形態和稱量試樣的質量隨時間的變化，并考察了不同的措施對防止電偶腐蝕的效果；參照美國材料試驗協會(ASTM)的標準ASTMD3165規定的單搭接拉伸剪切試驗，測試了不同膠粘劑與鋼材的粘結強度；參照ASTMD3762的標準，采用楔子試樣來考察不同的膠粘劑及表面處理對鋼材與膠粘劑之間粘結耐久性的影響。
1.3.2　國內相關研究狀況
　　我國在粘貼FRP修復鋼結構技術方面的研究起步較晚，主要采用理論分析方法，研究領域主要限于航空工業。目前，工業建筑診斷與改造工程技術研究中心對土木工程領域鋼結構的修復進行了比較系統的試驗研究。
1.3.2.1　理論研究
　　吳小林、高永壽利用保角變換研究了帶裂紋和各種孔的缺損平板粘貼FRP板后的修復效果。為了便于計算，把基板視為含缺損(裂紋和各種孔)的無限大板，膠層很薄假設僅受剪切作用，作為一系列的剪切彈簧來處理；并假設基板和FRP各自取分離體后，該剪力作用在它們各自的中面上，并可通過基板、FRP板和膠層各點的位移協調關系求得。為了求得基板和FRP板的應力和位移，文中對含孔無限大板和具有各種外邊界的有限板承受集中力的情況進行了分析。
　　蔣金龍、趙名泮對粘貼FRP修復的含裂紋金屬板采用8節點等參元進行了分析，計算了粘貼修復后裂紋前緣應力強度因子及膠層剪應力分布等，并研究了FRP板的位置、剛度比及膠層厚度等因素對止裂效果的影響；進行了修復前后裂紋擴展速率的對比試驗，并對疲勞裂紋擴展過程作了統計分析。
　　徐建新將有限元方法與彈性理論的復變函數方法相結合，分析了FRP板的尺寸、膠層厚度等因素對修復效果的影響，并考慮了膠層的非線性變形，其試驗結果表明：粘貼修復板的靜強度和臨界裂紋長度都有明顯的提高，疲勞裂紋擴展速率大幅度降低，結構的疲勞壽命有較大的提高。文中采用一維模型簡要地分析了金屬板中有效熱膨脹系數和熱應力大小，以及修復結構中的殘余熱應力對臨界裂紋長度、疲勞裂紋擴展速率和結構壽命的影響。
　　孫洪濤改進了R.Jones等人的數值計算方法，提出用剪切彈簧元和Mindlin板元共同考慮修復結構的剪切效應，增大了其適用范圍；并提出了“雙板．膠元”修正模型和“雙板-彈簧元”修正模型。由于FRP和金屬材料的熱膨脹系數相差很大，文中采用改進后的“雙板-彈簧元”模型對修復問題進行了熱．力分析，考察了不同的復合材料和幾何尺寸、膠層厚度對裂尖應力強度因子大小的影響。并通過大量的試驗進行了驗證。
　　郝際平、岳清瑞、彭福明等人采用“三維實體-彈簧-殼元”有限元模型，對金屬裂紋板、受彎鋼梁粘貼FRP加固后的性能，FRP加固含孔金屬板和金屬管線進行了分析，完成了CFRP加固鋼結構界面性能的研究，對CFRP加固修復鋼結構的基本問題，包括粘結機理、加固材料的要求、FRP與金屬材料的表面處理、FRP與金屬之間的荷載傳遞及構造措施、粘結耐久性、碳纖維與金屬的電偶腐蝕等進行詳盡的論述。
　　葉列平、岳清瑞、鄭云等人采用“三維實體-彈簧-板”模型，進行了CFRP加固鋼結構的應力強度因子分析研究，利用ANSYS參數化設計語言(APDL)編寫了CFRP加固鋼結構參數化建模的宏命令程序，對CFRP加固鋼板和鋼梁進有限元分析，得到加固前后應力強度因子的變化情況；并引入考慮裂紋閉合的疲勞壽命分析模型，采用斷裂力學方法對CFRP加固鋼結構進行了疲勞壽命計算，根據Miner線性累積損傷理論將實際變幅疲勞荷載轉化成等效應力幅下的常幅疲勞荷載，給出了CFRP加固鋼結構的疲勞驗算建議方法。
1.3.2.2　試驗研究
　　2000年，岳清瑞、佟小利、張寧對粘貼CFRP布修復鋼板的靜力拉伸性能和鋼吊車梁圓弧端的疲勞性能進行了大量的試驗研究。試驗結果表明，粘貼CFRP布后鋼板的屈服荷載有較大的提高；與焊接、栓接等傳統的修復方法相比，粘貼CFRP布對改善吊車梁的疲勞性能非常優越。
　　郝際平、岳清瑞、彭福明等人對七種粘結材料的材性、FRP和金屬之間的粘結強度進行了120批次以上的試驗，確定了適合于碳纖維材料加固鋼結構的粘結材料，碳纖維布-鋼剪切片雙搭接拉伸剪切強度≥10MPa，碳板-鋼剪切片拉伸剪切強度≥12.5MPa。并進行了10個碳纖維布加固鋼板的靜力拉伸試驗，并對碳纖維布與鋼板之間的粘結應力分布和有效粘結長度進行了試驗和分析，試驗結果表明，在碳纖維布加固鋼結構試件的端部，碳纖維布存在嚴重的應力集中，應采取有效措施在碳纖維布端部進行錨固，以降低碳纖維布端部的應力集中程度，從而提高加固效果。
　　葉列平、岳清瑞、鄭云等進行了6根CFRP加固含疲勞裂紋鋼板和9根CFRP加固鋼梁的疲勞試驗研究，試驗結果表明：疲勞損傷受拉鋼板采用CFRP板粘貼加固后，剩余疲勞壽命是未加固鋼板的2.6～6.8倍，采用高彈模的CFRP板對疲勞損傷鋼板進行雙面加固對改善鋼板的疲勞壽命為有效。鋼梁下翼緣采用CFRP板雙面粘貼加固后，疲勞壽命是未加固鋼梁的2.98～6.74倍；應力幅水平越小，CFRP對鋼梁的加固效果越好。
　　馬建勛對粘貼不同面積CFRP布修復后的鋼板進行了單軸拉伸試驗，研究了CFRP布對試件屈服荷載、承載能力和延性的影響，并對碳纖維布和鋼板的共同工作進行了一定程度的分析。
　　孔杰對粘貼FRP卷材修復含缺陷管道進行了室內水壓爆破試驗，研究了FRP卷材修復技術的施工工藝和修復效果。試樣采用鋼質273mm×6mm圓管，管道內徑為273mm、壁厚為6mm、管長為3.0m。端部采用焊接堵頭密封，缺陷在管道表面通過機械加工而成。管道缺陷處經粘貼FRP修復后，破壞均發生于端部焊縫處，無一是在缺陷處破壞，可見采用FRP修復含缺陷管道能有效提高管道的承壓能力，延長管道運行使用壽命。

1.4　本章小結

　　FRP從誕生到現在已有半個多世紀，但直到20世紀90年代，FRP修復混凝土結構的研究及應用在各國逐步開展，我國在2003年頒布了部FRP修復混凝土結構設計技術規程，涵蓋范圍更廣的《高性能纖維復合材料應用技術規范》也在編制中。
　　FRP修復損傷鋼結構技術是一種高效、實用的結構修復技術，其應用領域適用于鋼結構承載力修復、疲勞修復、銹蝕修復、脆性修復和穩定修復等，對此進行深入研究，使該技術在鋼結構構件損傷修復方面發揮重要作用，具有很大的經濟和社會效益。圖1.6給出了FRP修復鋼結構的研究應用體系框架。