拉剪組合荷載下FRP-鋼膠接連接力學性能

姜旭，孫凱，強旭紅?，白潔

（1.同濟大學土木工程學院，上海 200092；2.中國建筑第八工程局有限公司工程研究院，上海 200122）

目前，FRP 橋面板在國外的橋梁工程中被廣泛應用，可以代替傳統鋼或混凝土橋面板用于橋梁新建或修復項目.FRP 橋面板比混凝土橋面板輕約80%，更換為FRP 橋面板的橋梁能承受更大的活荷載.此外，FRP 橋面板還具有易于安裝、對交通干擾小、對環境腐蝕和除冰鹽抵抗力強、使用壽命長以及維護成本低等優點.常用的FRP 橋面板可根據組裝類型分為兩類：夾心板和空腔模塊板.為了提高使用效率，FRP 橋面板通常由鋼梁支撐形成組合梁結構共同受力，并通過鋼梁彌補FRP 材料延性差的缺點［1］.在FRP 橋面板和鋼梁之間，通過結構膠粘貼形成粘貼連接節點，與螺栓連接相比，膠接連接可減少施工時間，并通過消除緊固件可減重5%～10%［2］，同時，荷載傳遞更均勻且可提供更好的長期使用性能.近年來，這種FRP-鋼組合梁橋逐漸得到應用［3-7］，如德國聯邦B3 公路的跨線橋、大廣高速深州至大名段K17+487.363分離式立交橋等.

目前在土木工程領域，對組合荷載作用下FRP膠接連接的研究仍非常有限.研究主要集中在單層膠接連接和雙層膠接連接的力學性能［8-13］，研究粘貼層重疊長度和粘貼層厚度、粘貼母材厚度和局部倒角程度等參數對膠接連接極限破壞荷載的影響.結果表明，貫穿厚度方向的拉伸（剝離）和剪切應力的組合是最不利的應力狀態，通常會引發黏合角和黏合邊緣下方粘貼母材的層間破壞.進一步的研究提供了準靜態軸向拉伸荷載作用下膠接連接的概率強度評估方法［14-16］，但其應用背景與FRP 橋面板與鋼梁間膠接連接的應用場景仍有較大差異，且基于統計學的分析，對破壞模式缺乏描述.此外，也有研究針對濕熱作用下的膠接連接性能展開［17-18］，結果表明長時間暴露在潮濕環境下會導致膠接連接強度降低，在45 ℃下浸泡會導致材料和節點的強度顯著降低.

國內FRP 橋面板體系的研究集中于FRP 橋面板本身，對其設計參數、靜力性能、疲勞性能及設計方法進行大量研究［19-25］.在FRP 橋面板與鋼梁連接節點方面，倪章軍［26］對FRP-鋼組合梁橋空間受力進行了分析，并提出可以假定GFRP橋面和工字形鋼縱梁是完全組合受力（剛結）的.進一步地，朱坤寧等［27］推導了FRP-鋼組合梁橋在溫差荷載和均布荷載下連接界面剪力效應的計算公式.結果表明，在溫差作用下，組合梁跨中界面剪應力最小，越靠近組合梁端部界面，剪應力增大越快.

通常，FRP 橋面板與鋼梁之間的黏結節點存在剪應力和拉應力兩種典型的應力狀態，且拉應力和剪應力的組合很容易引發膠接連接的斷裂破壞［24，28］.此前的研究受限于加載方式，多局限于荷載方向單一、所有工況荷載加載方向相同、缺乏組合荷載下膠接連接的受力狀態與破壞模式.FRP-鋼膠接連接作為復合橋面板系統中重要的傳力細節，其性能直接影響到系統整體傳力效率，其安全性至關重要.因此，有必要對拉剪組合荷載下FRP-鋼膠接連接力學性能進行進一步研究.

本文以FRP 夾心板和鋼梁之間的膠接連接力學性能為重點，進行了組合荷載作用下膠接連接的試驗研究.采用特定的拉剪加載裝置，該裝置能夠提供6種不同比例的拉伸和剪切荷載組合，通過圓盤加載試驗研究了FRP-鋼膠接連接的力學性能和破壞模式，并通過分析矢量分離的拉應力和剪應力，得出組合荷載下膠接連接的拉剪強度破壞準則.

1 試驗過程

1.1 試驗裝置

為在膠接連接中實現復雜的應力狀態，研發了一種特殊的輪盤加載裝置，用于提供純拉荷載、純剪荷載以及拉剪組合荷載，如圖1 所示.加載輪盤分為上、下兩部分，并把中心區域切除，以便布置位移傳感器.兩個傳力鋼塊分別通過8 個螺栓固定于上、下兩個加載輪盤上，膠接連接試件位于加載設備的中心.加載時，通過3 對螺栓孔固定加載方向進行均勻傳力，該加載設備可提供6 種加載工況：0°（純拉）、18°、36°、54°、72°和90°（純剪）角加載，實現不同比例的拉伸和剪切荷載組合作用.

圖1 加載裝置Fig.1 Loading device

1.2 試件設計

如圖2 所示，提取FRP 橋面板和鋼梁之間的膠接連接進行試驗研究.試驗試件由FRP夾心板、粘貼層和鋼板組成，每個加載角度進行3 次重復試驗，共需18個試驗樣本，試件編號見表1.

圖2 試驗試件Fig.2 Preparation process of adhesive joint specimens

表1 試件設計Tab.1 Adhesively-bonded joint specimens

考慮到加載裝置的尺寸限制和安裝便利性，試件粘貼層面積取為90 mm × 90 mm，其上為一塊190 mm×90 mm 的FRP 夾層橋面板，其下為190 mm×90 mm 鋼板塊，通過4 個螺孔連接到加載設備上.FRP 夾心板的上下表面層為復合材料，由3 層0.94 mm 厚的EQX1200（玻璃纖維增強層壓聚酯復合材料）組成，性能參數如表2 所示，中間輔以軟木材料形成夾心結構.

表2 FRP材料性能Tab.2 FRP laminate properties （g·m-2）

結構膠型號為BUFA-BONDING PASTE740-0110，生產廠商為BüFA，其性能參數如表3所示.在恒溫20 ℃和相對濕度50%條件下進行常溫固化.根據歐洲在類似項目的使用經驗，如圖2 所示，通過使用墊片將膠黏層標稱厚度控制為6 mm.根據先前對不同表面預處理方法黏結質量的研究［16］，噴砂方法被證明是保證界面黏結質量的可靠且質量可控的表面預處理方法，因此試件都進行粒度200 μm 噴砂處理.

表3 膠黏劑性能Tab.3 Adhesive properties

1.3 加載過程

拉剪組合加載裝置可以通過改變加載輪盤的角度來提供6個方向的加載工況，整個裝置通過2個鉸接接頭傳力，避免由于試件未對中而產生的偏心加載導致額外附加彎矩.

如圖1 所示，膠接連接的準靜態試驗由LVDT（線性可變差動變壓器）以0.001 mm/s 的速率控制位移.當將膠接連接試樣安裝在加載裝置中時，連接L形鋼型材的4 個螺栓首先沒有完全擰緊.施加1 kN的預緊力以使每個加載組件接觸彼此消除縫隙，以這種方式，荷載可以從加載裝置平穩地傳遞到膠接連接.之后，將這4 個螺栓完全擰緊，然后卸載預緊力，測試以0 kN的負載開始.

對于剪切荷載情況，如圖3（a）所示，兩個位移傳感器都固定在膠接連接的兩側，以監測FRP 夾心板和鋼支撐之間的相對變形.對于拉伸荷載條件，位移傳感器如圖3（b）所示.對于組合荷載，傳感器布置如圖3（c）所示，左側測量的是FRP 夾心板與鋼支撐之間的豎向變形（拉伸變形），右側測量的是水平變形（剪切變形）.在測試之前，所有儀器（LVDT和位移傳感器）均已校準.

圖3 傳感器布置Fig.3 Sensor arrangement

2 試驗結果及討論

2.1 剪切荷載(90°角荷載)破壞模式

對于在剪切荷載下的試件，線性加載直至破壞.膠接連接的最終破壞均為脆性破壞，纖維斷裂時沒有任何可見的跡象或破斷聲.對于在拉伸荷載（0°角荷載）和4 個組合荷載條件下的膠接連接，當施加的荷載接近極限破壞荷載時，由于不同的破壞模式，FRP層壓板中的纖維斷裂會發出破斷聲.

剪切荷載下的試件膠接連接的破壞模式是膠層破壞，發生在靠近膠黏層和鋼支撐之間的界面.這種破壞模式表明斷裂從膠黏層邊緣區域開始，然后不斷擴展觸發整個膠接連接的最終破壞.圖4 為剪切荷載下試驗結果，斷裂位置離界面大約10 mm.

圖4 剪切荷載下試件破壞模式Fig.4 Failure mode of adhesive joints under pure shear loading

圖5（a）～圖5（c）為從4 個位移傳感器得到的剪切荷載下FRP 夾心板與鋼支撐之間的相對位移結果，膠接連接的剪切變形為同一方向，位移傳感器數據的正負僅表明相對位置.與DS-01 和DS-03 的變形數據相比，DS-02 和DS-04 的測試數據明顯有很大的偏差，表明剪切力施加不均勻.此外，膠黏層的非均勻性質也可使荷載分布不均勻.而對于DS-01和DS-03，測得的變形彼此匹配，表明在膠接連接距荷載邊緣較遠的一端試件兩側的荷載已經平衡.DS-01 和DS-03 位移的絕對值小于DS-02 和DS-04的一半，此外，所有的荷載-變形曲線都不是線性增加的.這是由于膠黏層的非勻質性，在整個測試過程中膠黏層的應力持續重分布.在膠接連接制作過程中，膠黏層也會存在一定的孔隙率.因此在測試過程中，偏心荷載是不可避免的.

圖5（d）～圖5（f）為拉伸荷載下FRP 夾心板和鋼支撐的豎向變形，4 個位移傳感器數值彼此不同，再次表明荷載沒有均勻施加.用位移傳感器測得的FRP 夾心板和鋼支架之間的相對變形很小，約為0.01 mm.除了拉伸荷載外，在整個測試過程中還存在膠黏點的縱向和橫向的少量附加彎矩.此外，在整個測試過程中，FRP 夾心板和鋼支架之間的豎向變形并非線性，當施加的荷載接近破壞荷載時，應力會通過膠接連接重新分布.如圖6 所示，可以發現在膠黏層的斷裂表面上，在邊緣區域有一些斷裂引發的區域，這證實了由于膠黏層的局部斷裂區域引發了應力的重新分布，直到黏接區域的其余部分無法再承受全部荷載，膠接連接才以脆性模式破壞.

圖5 剪切荷載和拉伸荷載下試件荷載-變形曲線Fig.5 Load-deformation curves under tensile loading and shear loading

圖6 拉伸荷載下試件破壞模式Fig.6 Failure mode of adhesive joints under pure tensile loading

2.2 拉伸荷載和組合荷載破壞模式

拉伸荷載和組合荷載下的破壞模式為纖維斷裂（或FRP 層間破壞）和界面破壞的組合，界面破壞發生在膠黏層與FRP 夾心板之間.典型的破壞模式如圖7、圖8 所示，所有斷裂面均通過FRP 夾心板和膠黏層之間的界面.從FRP夾心板破壞面的角度，一些區域的纖維斷裂或FRP 分層很明顯，但這些區域沒有完全覆蓋膠黏劑黏合區域.在72°角荷載條件下，72°-SB-01 試件膠黏層出現開裂并且沿著膠黏層和鋼支撐之間的界面擴展，如圖9 所示，斷裂面幾乎轉換到了膠黏層和鋼支撐之間的界面.這表明膠黏層和FRP 夾心板或鋼支撐之間的上下界面幾乎同時達到破壞.但對于其他兩個72°角荷載條件下的試件，膠黏層中的裂紋是不可見的，取而代之的是大部分的FRP分層或纖維斷裂區域.試驗結果表明，可控的黏結技術對確保膠接連接的力學性能至關重要.

圖7 纖維斷裂和界面破壞的組合Fig.7 Combination of fiber breaking and interfacial failure between adhesive layer and FRP laminates

圖8 FRP層合板的分層破壞Fig.8 Delaminating failure in FRP laminates

圖9 72°-SB-01試件裂縫Fig.9 Failure mode of 72°-SB-01

對于其他4 個組合荷載條件，位移傳感器測得的變形證明了水平和垂直方向都存在偏心荷載.圖10 說明了在4 個荷載角下，位移傳感器位置處的FRP 夾心板和鋼支架之間的平均變形.負區域中的變形值表示DS-02 和DS-04 中測得的水平變形的平均值，而正區域表示DS-01 和DS-03 中測得的豎向變形平均值.在加載過程的初始階段，3 個重復樣本的試驗數據趨于一致，但是，隨著試驗的進行，水平和垂直變形都會發生一些偏差.荷載-位移曲線呈現非線性，尤其是對于DS-02 和DS-04 的平均值，這也是由膠黏劑材料的不均勻性造成的.在整個試驗過程中，膠接連接中的應力分布不均勻，是根據膠黏層的局部剛度重新分布的.因此，由于膠黏層中的孔隙度彼此不同，每個加載角的3 個試件荷載-位移曲線不完全一致，隨著荷載的增加偏差逐漸增大.

圖10 組合荷載下試件荷載-變形曲線Fig.10 Load-deformation curves under four combined loading conditions

2.3 破壞準則

表4 列出了6 個荷載角（0°、18°、36°、54°、72°和90°）下膠接連接的極限破壞荷載.在18°角荷載條件下，膠接連接的承重能力最低，平均為11.9 kN.同時，在剪切（90°）角荷載條件下，膠接連接具有最高的承載能力，平均破壞荷載為69.3 kN，但同時也具有6 個加載條件中最大的偏差34.0%.對于4 個組合荷載條件（18°、36°、54°、72°），隨著加載角度從18°增大到72°，承載能力從11.9 kN逐漸增加到23.3 kN.

為了更清晰地識別荷載組合效應，將極限破壞荷載矢量分解為剪切荷載和拉伸荷載，如圖11 所示.橫軸表示施加到膠接連接的剪切荷載，縱軸表示拉伸荷載.在拉伸和剪切荷載的組合作用下，與純拉伸和純剪切荷載條件相比，膠接連接的承載能力顯著降低.從表4 中可以看出，由于不同的破壞模式，在剪切荷載作用下（69.3 kN）膠接連接的失效荷載明顯高于其他荷載條件.在不同的組合荷載條件下，膠接連接的破壞荷載對矢量力與合力的拉伸荷載比率更為敏感.

表4 6個加載角度下膠接連接極限荷載Tab.4 Ultimate failure loads of adhesive joints under six loading conditions

圖11 6種加載角度下膠接連接極限荷載Fig.11 Failure loads of adhesive joints under the six angle loading conditions

為了研究膠接連接的破壞準則，考慮平均應力值，平均應力值通過拉伸/剪切荷載除以膠黏劑黏合面積得到，通過最小二乘法以橢圓函數進行曲線擬合.首先，通過6 個荷載條件下的所有測試結果，獲得了擬合曲線［式（1）］，并在圖12 中用虛線表示.

可以發現測試結果與擬合方程之間的一致性不佳.4 種組合荷載條件下的所有測試數據均低于擬合曲線，這表明該擬合方程對于膠接連接的設計并不保守.為了解決此問題，僅選擇4 個組合荷載的測試結果作為基本曲線擬合數據.修正的擬合方程式由式（2）表示，并在圖12 中用實線表示.修正后，R2由0.34 提高至0.68，擬合優度提高1 倍.在FRP 橋面板和鋼梁間膠接連接的工程應用中，該連接主要在拉伸和剪切的組合荷載下起作用，而不是僅在剪切或拉伸荷載下，因此修正后的破壞準則更加保守和實用.

圖12 膠接連接破壞準則Fig.12 Shear-tensile failure criterion for the adhesively-bonded joint

擬合曲線：

修正擬合曲線：

3 結論

本文對FRP 橋面板與鋼梁間的膠接連接，在剪切、拉伸和拉剪組合荷載條件下進行了試驗研究.可以得出以下結論：

1）在剪切荷載下，膠接連接為脆性破壞，膠黏層中在靠近鋼支撐的位置處發生膠層破壞.對于在拉伸和4 個組合荷載條件下的膠接連接，破壞模式是纖維斷裂（或FRP分層）和FRP夾心板與膠黏層之間界面黏合破壞的組合，除了72°-SB-01 試樣外，破壞模式為膠黏層出現開裂并且沿著膠黏層和鋼支撐之間的界面擴展.

2）膠黏層的非均質性十分明顯，這會導致膠接連接上的偏心荷載和受載過程中的應力重分布.工程應用中需在FRP 夾心板和膠黏層之間提供良好的界面黏合質量，以提高力學性能和在拉伸與組合荷載下膠接連接的最終破壞荷載.

3）在18°角荷載條件下，膠接連接的承重能力最低，平均破壞荷載為11.9 kN.最高的承載能力在純剪切荷載條件下獲得，平均破壞荷載為69.3 kN.針對矢量分離的拉伸應力和剪切應力，獲得了膠黏接頭的剪切拉伸破壞準則，可用于膠接連接力學性能的理論評估.