CFRP加固钢板的粘结界面剥离破坏

李腾; 宁志华; 吴嘉瑜

doi:10.13801/j.cnki.fhclxb.20210317.003

CFRP加固钢板的粘结界面剥离破坏

李腾^1,,
宁志华^1, ,,
吴嘉瑜^2,

1.
暨南大学　力学与建筑工程学院“重大工程灾害与控制”教育部重点实验室，广州 510632
2.
南方科技大学　海洋科学与工程系，深圳 518055

基金项目: 国家自然科学基金(51908271)；广东省自然科学基金(2018A0303130128)；中国博士后科学基金(2019M651655)

详细信息

通讯作者:
宁志华，博士，副教授，硕士生导师，研究方向为复合材料损伤与断裂分析　Email：tningzhihua@jnu.edu.cn

中图分类号: TB333
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出版历程
- 收稿日期: 2020-12-27
- 录用日期: 2021-03-09
- 网络出版日期: 2021-03-17
- 刊出日期: 2021-11-30

Interfacial debonding failure of CFRP-strengthened steel structures

1.
MOE Key Lab of Disaster Forecast and Control in Engineering, School of Mechanics and Construction Engineering, Jinan University, Guangzhou 510632, China
2.
Department of Ocean Science and Engineering, Southern University of Science and Technology, Shenzhen 518055, China

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摘要

摘要: II型界面破坏是碳纤维增强树脂复合材料(CFRP)加固钢板常见的破坏方式之一。为揭示CFRP加固钢板粘结界面破坏的力学机制，开展了单剪试验和双剪试验分别研究了CFRP-钢板界面力学性能及破坏过程，并采用数字图像相关技术(DIC)对CFRP的轴向应变分布进行监测。对比两个试验的破坏模式发现，双剪试件的粘结界面主要发生II型破坏，界面破坏的主要力学原因是剪应力；而存在偏心加载的单剪试件，粘结界面上的剪应力和偏心加载引起的弯矩共同作用，使粘结界面发生I/II型混合模式失效。在II型破坏模式下，不同粘结长度的极限荷载及粘结滑移值随着粘结长度的增大而增大，但当粘结长度超过有效粘结长度后，极限荷载及极限滑移值基本保持不变。而在所讨论的偏心加载引起的界面I/II型混合破坏模式下，不同粘结长度的极限荷载基本不变。基于试验数据得到的双线性粘结-滑移关系建立了有限元模型，对CFRP加固钢板的II型界面粘结破坏行为进行分析，数值模拟结果与试验结果吻合较好。
- CFRP加固钢板 /
- 双剪试验 /
- 单剪试验 /
- 数字图像相关技术 /
- 粘结-滑移关系
Abstract: Mode II debonding is one of the most typical failure modes on carbon fiber reinforce polymer (CFRP) plate-to-steel interface. In order to elucidate the interfacial debonding mechanism of CFRP-strengthened steel structures, single- and double-lap shear tests were conducted to investigate the mechanical behavior and debonding failure process at the FRP-to-steel plate interface. The technique of digital image correlation (DIC) was applied to measure the normal strain distribution on the surface of CFRP. Comparing the failure modes between these two joints, it can be found that a mode II fracture occurs on the interface of double-lap joint, which is caused by shear stresses. While the interface of single-lap joint subjected to eccentric loading is governed by mixed-mode I/II behavior, with the failure attributed to the combination of shear stress and bending moment. Additionally, the ultimate load and bond slip of the double-lap joints in mode II increase with the increment of bond length until an effective bond length is reached, beyond which the ultimate load remains unchanged. However, for single-lap joints subjected to eccentric loading, the ultimate loads with different bond lengths are almost the same. Based on bilinear bond-slip law obtained from experiment results, finite element model can be established to analysis the mode II interfacial debonding process of CFRP-strengthened steel structures, which shows an excellent agreement with the experimental results.
- CFRP-strengthened steel structure /
- double-lap shear test /
- single-lap shear test /
- digital image correlation technique /
- bond-slip law

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超疏水涂层材料因其特殊表面结构，在自清洁^[1-2]、油水分离^[3-4]、防腐蚀^[5-6]、防结冰^[7-8]、防雾^[9-10]抗生物附着^[11]等领域具有广阔的应用前景，因而备受人们的关注。然而，超疏水复合涂层材料容易遭受紫外光^[12]、细菌^[13]等外界环境的影响而失去超疏水性能^[14]，使其应用受限。因此，制备具有耐久性超疏水复合涂层材料成为研究热点。

制备特殊性能涂层或自修复型的耐久超疏水材料逐渐成为一个重要趋势。Huang等^[15]将具有低表面能的SiO₂纳米颗粒与甲基硅树脂掺杂复合，通过提高涂层和基材间的粘合强度，机械磨损后仍保留一定的粗糙结构来得到超疏水涂层的持久来源。Chen等^[16]通过使用TiO₂和SiO₂纳米粒子乳液聚合成功地合成了对紫外线敏感的微胶囊，以制造全水基自修复超疏水涂层。其对环境友好，可以很容易地涂覆在各种基材上。Wu等^[17]通过简单地热处理SiO₂胶体模板法构造出3D凹状结构，其超疏水疏油表面在高温酸碱等苛刻条件下可保持良好的稳定性，同时还具有一定的自修复稳定性。

有研究^[18-19]报道，光热转换材料其吸光升温性能是其最重要的特性，在外部光源照射下将光转化为热，进而可以防结冰。本实验将通过制备具有光热转换功能的超疏水防结冰复合涂层材料来获得具有一定耐久性。同时深入探究复合涂层材料的结构和超疏水、耐磨、光热转换和防结冰等性能。

目前，普鲁士蓝(PB)作为一种光热转换材料用于癌症治疗、杀菌^[20]，但作为光热转换材料应用于防结冰的研究少见。本文首先制备氟化超支化聚氨酯(FHPU)，含氟物质可大幅降低材料表面能得到高疏水性。同时具有良好的保护^[21]作用，然后与PB纳米粒子进行复合，制得具有光热转化性能涂层。

1. 实验材料及方法

1.1 原材料

聚碳酸酯二醇(PCDL)工业级，旭化成精细化工有限公司；甲苯-2,4-二异氰酸酯(TDI)，武汉江北化学试剂工厂；季戊四醇(PE)、二月桂酸二丁基锡(DBTDL)，阿拉丁；丙酮、N-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)，国药集团；全氟辛醇、普鲁士蓝(PB)，麦克林。以上均为分析纯。

PCDL在120℃下，真空干燥4 h；丙酮和NMP加入4A分子筛1天干燥除水；其他原料未做处理，均可直接使用。

1.2 FHPU的制备

将5 g PCDL加入40 mL的丙酮，在装有聚四氟乙烯搅拌棒，冷凝管和N₂导管的四口烧瓶中搅拌几分钟，将3.5 g的TDI溶于40 mL的丙酮后加入到上述溶液，滴加0.098 g的DBTDL，在70℃连续搅拌下反应2 h，得到聚氨酯预聚物；然后将0.5 g的PE溶于10 mL的NMP中，加入到聚氨酯预聚物中，温度保持不变反应2 h，得到支化后的聚氨酯；最后，将5.5 g的全氟辛醇溶于20 mL的丙酮后加入到上述溶液中，升温到80℃后反应2 h得到FHPU。其合成路线如图1所示。

图 1 氟化聚氨酯(FHPU)的合成

Figure 1. Synthesis route of fluorinated hyperbranched polyurethane (FHPU)

PCDL—Polycarbonate diol; DBTDL—Dibutyltin dilaurate; TDI—Toluene diisocyanate

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表 1 FHPU和13%普鲁士蓝(PB)/FHPU不同失重时的温度

Table 1. Temperature of mass loss of FHPU and 13% Prussian blue (PB)/FHPU

Sample	Mass ratio of PB to FHPU/%
10%PB/FHPU	10
11%PB/FHPU	11
13%PB/FHPU	13
15%PB/FHPU	15
17%PB/FHPU	17
20%PB/FHPU	20

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1.3 PB/FHPU超疏水复合涂层材料的制备

称取一定质量的PB纳米粒子和10 g制得的FHPU，混合、超声分散20 min后，喷涂到载玻片表面，然后在真空干燥箱中，50℃干燥6 h，即得PB/FHPU超疏水复合涂层材料。其中，PB占FHPU的质量比分别为10%、11%、13%、15%、17%和20%，将其对应制备出的超疏水涂层分别记为10%PB/FHPU、11%PB/FHPU、13%PB/FHPU、15%PB/FHPU、17%PB/FHPU和20%PB/FHPU (见表1）。制备方法如图2所示。

图 2 超疏水涂层的制备

Figure 2. Preparation of the super-hydrophobic coatings

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1.4 测试与表征

红外测试(FTIR)：采用美国热电集团分子光谱部Nicolet IS50 Thermofisher USA型号的红外光谱仪对纯FHPU和13%PB/FHPU进行官能团分析，测试范围为4000~500 cm⁻¹。

热重测试(TGA)：FHPU在聚四氟乙烯板成膜，并由瑞士梅特勒公司型号为XPI的热重仪器对膜和复合涂层进行热稳定性分析，所选用的气氛为N₂，升温速率为20℃/min。

差式扫描量热分析(DSC)：采用美国TA Instrument型号为Q2000的DSC测试仪器对所得膜和复合涂层进行分析，选用的气氛为N₂，升温速率为10℃/min。

场发射扫描电镜分析(FESEM)：用日本电子株式会社的型号为JSM7100F的场发射扫描电镜对不同质量分数的PB复合涂层及FHPU超疏涂层表面形貌进行分析。

X射线光电子能谱分析(XPS)：用美国赛默飞世尔公司的型号为250Xi X射线光电子能谱仪进行超疏表面成分分析。

紫外分光光度分析(UV)：用上海美谱达仪器有限公司UV-1800PC型紫外可见分光光度计进行紫外分析。

耐磨性测试：将有超疏水涂层的载玻片用双面胶粘在50 g的砝码上，将有涂层的一面朝向砂纸(15 μm)，然后用手向前推进10 cm，之后向后推进返回原位，此记录为一个周期；每一个周期测量一次其接触角。

光热性能测试：分别将纯FHPU、10%PB/FHPU、11%PB/FHPU、13%PB/FHPU、15%PB/FHPU，17%PB/FHPU和20%PB/FHPU。制得的涂层置于808 nm激光下照射。其中，激发光源距离涂层表面2 cm，照射时长每个样品10 min，并且每隔10 s记录一次样品表面温度。

冻雨测试：将去离子水放入−20℃下2 h后取出，制得过冷水。然后将过冷水在涂层上方10 cm处滴落，观察水滴运动情况。

2. 结果与讨论

2.1 PB/FHPU的微观结构

FHPU和13%PB/FHPU的FTIR分析结果如图3所示。3446 cm⁻¹处的峰归属于—NHCO—中的N—H伸缩振动；2932 cm⁻¹处的峰归属于—CH₂的伸缩振动；1741 cm⁻¹处的峰归属于PCDL里的C=O的伸缩振动峰；1670 cm⁻¹处的峰归属—NHCO—的C=O的伸缩振动峰；1260 cm⁻¹处的峰归属于C—F的伸缩振动峰；2085 cm⁻¹是PB特征峰；此外，在2200 cm⁻¹附近的峰消失，说明—NCO基团已经反应完全，同时，Fe³⁺和羰基配位，导致13%PB/FHPU的FTIR图谱中，在1741 cm⁻¹处和1670 cm⁻¹处的羰基峰被屏蔽或者被PB的特征峰覆盖，3446 cm⁻¹的峰发生蓝移，以上都说明了FHPU的成功合成。

图 3 FHPU和13%PB/FHPU的FTIR图谱

Figure 3. FTIR spectra of FHPU and 13%PB/FHPU

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2.2 PB/FHPU的热稳定性

FHPU、13%PB/FHPU的热重曲线如图4所示。可以看到，140℃左右，FHPU的硬段开始分解，320℃左右，FHPU的软段开始分解；从表2可知，FHPU和13%PB/FHPU失重5wt%时的温度分别是164℃和174℃，FHPU和13%PB/FHPU失重50wt%时的温度分别是289℃和296℃，都说明了PB的加入增强了FHPU的热稳定性能；在189℃附近，两条曲线出现交点，说明由于PB开始分解，导致13%PB/FHPU的失重迅速。FHPU最后的残留为3.37%；而13%PB/FHPU最后的残留为23.98%，与理论计算的24.97%相近，说明了FHPU和PB的成功复合。

图 4 FHPU和13%PB/FHPU的热重曲线

Figure 4. Thermogravimetric curves of FHPU and 13%PB/FHPU

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表 2 FHPU 和13%PB/FHPU不同失重时的温度

Table 2. Temperatures of mass loss of FHPU and 13%PB/FHPU

Material	T_d⁵/℃	T_d¹⁰/℃	T_d⁵⁰/℃
FHPU	164	190	289
13%PB/FHPU	174	189	296
Notes: T_d⁵—Temperature of mass loss 5%; T_d¹⁰—Temperature of mass loss 10%; T_d⁵⁰—Temperature of mass loss 50%.

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2.3 PB/FHPU的耐热性能

图5为FHPU和13%PB/FHPU的差式扫描量热曲线。可以发现FHPU的玻璃化转变温度T_g为−13.26℃，并且没有出现结晶的放热峰和熔融的吸热峰，这两个现象都说明FHPU为不定形的。相比较于FHPU纯聚合物来说，13%PB/FHPU的T_g增加到−9.97℃，这个是由于PB纳米粒子的加入限制了聚氨酯链段的移动。由此可见，PB的加入提高了聚氨酯的耐热性能。

图 5 FHPU和13%PB/FHPU的差式扫描量热曲线

Figure 5. Differential scanning calorimetry curves of FHPU and 13%PB/FHPU

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2.4 PB/FHPU的疏水性

图6为涂层水接触角随PB含量的变化。可以看出随着PB含量的增加，涂层的水接触角先增大后减小，含量从0%到20%的接触角依次为：(110±6)°、(142±1.9)°、(146±2.2)°、(157±1.5)°、(155±1.8)°、(154±1.9)°、(146±1.7)°，含量为13%时达到最大值157°，具有较好的超疏水效果。可见纯FHPU也具有较好的疏水性能，在PB含量加到13%时接触角最大，为157°，并且13%PB/FHPU的滚动角为1.8°，具有较好的超疏水效果。

图 6 涂层水接触角随PB含量的变化

Figure 6. Variation of coating water contact angle with PB content

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2.5 PB/FHPU的化学组成

图7是C元素的XPS图谱。其中284.5 eV结合能表明C—C键的存在，285.8 eV说明了C—N/C—O的存在，288.7 eV证明了C=O的生成，291.4 eV和294 eV表明CF₂和CF₃的存在，些也说明了FHPU的成功合成。图8是Fe元素的XPS图谱。708.3 eV的结合能表示的是Fe的2p^3/2轨道，721.2 eV表示的是Fe的2p^1/2轨道，即三价和二价的铁离子存在，证明了FHPU和PB成功复合。

图 7 C元素的XPS图谱

Figure 7. XPS spectra of element C

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图 8 Fe元素的XPS图谱

Figure 8. XPS spectra of Fe element

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表3为不同PB添加量复合涂层表面元素比例。可以看到13%PB/FHPU的F含量最高，表示该组份的涂层表面能最低；Fe含量适中，说明该组份涂层具有一定的微纳结构，这些也证明了当PB含量达到13%时，涂层的疏水效果最好，接触角达到157°，达到超水性能。

2.6 PB/FHPU的吸光性

图9为FHPU、13%PB/FHPU和PB的紫外光谱。可以看到，纯的FHPU仅仅只在紫外区有吸收，而PB纳米粒子和13%PB/FHPU全谱带上都是具有吸收的，这说明制备的13%PB/FHPU的超疏水涂层在可见光范围和近红外光范围内都具有一定的应用的可能，其中最强吸收峰分别位于704.7 nm和691.6 nm处。

图 9 FHPU、13%PB/FHPU和PB的紫外光谱

Figure 9. Ultraviolet spectra of FHPU, 13%PB/FHPU and PB

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2.7 PB/FHPU的微观形貌

图10为不同PB含量的PB/FHPU的SEM图像。可以看到，纯FHPU膜表面较光滑。随着PB的含量增加，图10(b)~10(e)中涂层的粗糙度逐渐增加，当含量达到13%时，具有最精细的微纳结构，粒子之间的空隙减小水滴与固体表面的接触从而有较好的接触角。图10(e)~10(g)中PB纳米粒子开始逐渐出现过度堆积和团聚现象，从而使纳米级结构被逐渐破坏而大量出现微米级结构，从而导致超疏水性能的下降。图10(h)中可以清楚看到PB粒子较均匀地分散，粒径在192 nm左右。

图 10 复合涂层的SEM图像

Figure 10. SEM images of composite coatings((a) FHPU; (b) 10%PB/FHPU; (c) 11%PB/FHPU; (d) 13%PB/FHPU; (e) 15%PB/FHPU; (f) 17%PB/FHPU; (g) 20%PB/FHPU; (h) PB)

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2.8 PB/FHPU的耐磨性

图11为13%PB/FHPU的水接触角随磨损周期的变化。可以看到，随着摩擦循环次数的增加，涂层的接触角整体呈现下降的趋势，这是由于涂层被砂纸的打磨，使涂层表面的微纳结构被破坏和含氟物质的损失，从而让涂层接触角下降。虽然接触角整体呈现下降趋势，但是在中间时还是会有一定的起伏，这是由于开始打磨时，首先破坏的是表层的微纳结构，导致了接触角的下降；随着打磨的继续，会使含氟链段更多的暴露到涂层表面，这就会使接触角有一定的上升；当这部分含氟链段打磨损失后，接触角又会下降；但是，这时就会暴露内层不是非常精细的微纳结构，使接触角略微上升或小幅度下降；如此，就会导致接触角虽然会有起伏，但是整体呈下降趋势。同时，在经过19次摩擦循环，即380 cm的摩擦距离后，该涂层接触角仍然为150°，依旧具备超疏水性能。即使在23次摩擦循环后，接触角为144°，仍具有较好的疏水性能。可见，制备的超疏水涂层具有较优异的机械耐磨性能。

图 11 13%PB/FHPU的水接触角随磨损周期的变化

Figure 11. Water contact angle of 13%PB/FHPU varies with the wear cycle

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2.9 PB/FHPU的光热性能

在室温20℃下，使用2.5 W/cm²功率的808 nm的近红外激光照射样品10 min，每隔10 s记录一次样品温度，得到光热曲线，如图12所示。表4为不同照射时间复合涂层的温度。可知，纯FHPU涂层在照射10 min后，温度基本无变化，可见纯FHPU涂层是没有光热效果的。但是，复合了PB纳米粒子的FHPU涂层温度变化都较明显，表现出优异的光热效果，其中以样品13%PB/FHPU的最明显，在10 s内就以由室温20℃升温到98.1℃，最高温度达148.7℃。原因是由PB含量和涂层表面粗糙度共同决定的，当PB含量较多时，升温速率较快；同时13%PB/FHPU多为微米级结构有较好的表面粗糙度，增大了光照的面积，进一步提升了升温速率。继续增加PB含量的FHPU由于过度沉积，微米结构和纳米结构依次被破坏，因此样品13%PB/FHPU的升温速率最快。而涂层和环境在存在着热交换，较大的粗糙结构提供了更多的气层，减缓了热交换的速度，因此最终13%PB/FHPU的温度最高。

图 12 不同PB添加量的复合涂层光-热曲线

Figure 12. Light-heat curve of composite coatings with different PB addition amounts

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表 3 不同PB添加量复合涂层表面元素比例

Table 3. Surface element ratio of composite coating with different PB addition amounts

Element	FHPU	10%PB/ FHPU	13%PB/ FHPU	15%PB/ FHPU
C	66.30	59.26	50.72	49.32
N	2.04	4.50	6.70	10.74
O	22.62	20.57	16.78	18.26
F	9.04	14.71	24.71	20.07
Fe	0	0.96	1.09	1.61

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表 4 不同照射时间复合涂层的温度

Table 4. Temperature of composite coatings with different irradiation time

Sample	Temperature of 10 s/℃	Temperature of 10 min/℃
FHPU	26.0	34.7
10%PB/FHPU	64.4	106.2
11%PB/FHPU	83.0	125.8
13%PB/FHPU	98.1	148.7
15%PB/FHPU	76.3	125.4
17%PB/FHPU	77.6	119.2
20%PB/FHPU	76.1	135.4

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2.10 PB/FHPU的抗冰性

图13为冻雨滴落到超疏水涂层的过程，图13(a)~13(d)依次为过冷水刚从滴管滴落，水滴接触超疏水涂层表面，水滴从超疏水表面回弹起来和水滴滚落超疏水表面。从图13(b)不难看出，水滴在刚接触涂层表面时，整体呈现坍塌，但是在图13(c)紧接着回弹起来却保持着较完整的球状，之后从涂层表面滚落且图13(d)没有水滴或者冰晶残留。这是由于超疏水涂层表面存在着一层空气层，对水滴具有较强烈的排斥作用，将水滴浸润表面的趋势破坏，使其难以停留在涂层表面形成冰晶。可见，制备的超疏水涂层具有优异的抗冰性能。

图 13 冻雨滴落 (a)、坍塌 (b)、回弹 (c) 和滚落 (d) 过程照片

Figure 13. Process photos of freezing rain dripping (a), collapse (b), rebound (c) and rolling (d)

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3. 结论

(1) 将13%的普鲁士蓝(PB)纳米粒子和自制氟化超支化聚氨酯(FHPU)进行复合制备了具有光热转化性能的PB/FHPU超疏水涂层，其最大水接触角为(157±1.5)°，滚动角为1.8°。

(2) 该涂层在经过19次(即380 cm)摩擦循环，该涂层接触角仍为150°，说明制备的超疏水涂层具有出色的机械耐磨性。

(3) PB含量和涂层表面的粗糙度共同决定复合涂层和环境表面的热交换速度。添加13%的PB纳米粒子升温速率较快。光热性能测试中发现，在使用功率2.5 W/cm²的808 nm激光照射下，10 s内温度就可以升高78℃，可见其优异的光热转换性能。

(4) 超疏水涂层表面存在的空气层对水滴具有强烈的排斥作用，很难在表面形成冰晶。因此在冻雨测试中也显示了其优秀的抗冰性能。

图 1 双剪搭接接头

Figure 1. Double-lap joint

P—Tensile load; τ_(y)—Interfacial shear stress

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图 2 试验装置

Figure 2. Experimental setup

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图 3 CFRP加固钢板的破坏模式

Figure 3. Failure modes of CFRP-strengthened steel plate

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图 4 CFRP加固钢板双剪试件界面破坏模式

Figure 4. Interfacial failure modes of double-lap joint specimen of CFRP-strengthened steel plate

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图 5 通过偏心拉伸实现的CFRP加固钢板单剪搭接接头

Figure 5. Single-lap joint of CFRP-strengthened steel plate subjected to eccentric loading

M—Bending moment

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图 6 CFRP加固钢板单剪试件破坏过程

Figure 6. Failure process of single-lap joint of CFRP-strengthened steel plate

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图 7 CFRP加固钢板单剪试件胶层/CFRP界面脱粘

Figure 7. Adhesion failure at adhesive/CFRP interface of single-lap joint of CFRP-strengthened steel plate

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图 8 CFRP加固钢板双剪试件的荷载-位移曲线

Figure 8. Load-displacement curves of double-lap joints of CFRP-strengthened steel plate

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图 9 CFRP加固钢板单剪试件的荷载-位移曲线

Figure 9. Load-displacement curves of single-lap joints of CFRP-strengthened steel plate

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图 10 C-S-150-1试件的荷载-位移曲线及不同加载时刻CFRP轴向应变云图

Figure 10. Load-displacement curve and axial strain contours in CFRP of specimen C-S-150-1

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图 11 C-S-200-1试件的荷载-位移曲线及不同加载时刻CFRP轴向应变云图

Figure 11. Load-displacement curve and axial strain contours in CFRP of specimen C-S-200-1

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图 12 C-S-250-1试件的荷载-位移曲线及不同加载时刻CFRP轴向应变云图

Figure 12. Load-displacement curve and axial strain contours in CFRP of specimen C-S-250-1

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图 13 C-S-150-1试件的CFRP轴向应变分布曲线

Figure 13. Axial strain distribution curves in CFRP of specimen C-S-150-1

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图 14 C-S-200-1试件的CFRP轴向应变分布曲线

Figure 14. Axial strain distribution curves in CFRP of specimen C-S-200-1

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图 15 C-S-250-1试件的CFRP轴向应变分布曲线

Figure 15. Axial strain distribution curves in CFRP of specimen C-S-250-1

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图 16 C-S-150-1试件的荷载-滑移曲线和界面剪应力分布曲线

Figure 16. Load-slip curve and interfacial shear stress distribution curves of specimen C-S-150-1

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图 17 C-S-200-1试件的荷载-滑移曲线和界面剪应力分布曲线

Figure 17. Load-slip curve and interfacial shear stress distribution curves of specimen C-S-200-1

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图 18 C-S-250-1试件荷载-滑移曲线和界面剪应力分布曲线

Figure 18. Load-slip curve and interfacial shear stress distribution curves of specimen C-S-250-1

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图 19 CFRP加固钢板粘结-滑移曲线

Figure 19. Bond-slip curves of CFRP-strengthened steel plate

τ_max−Peak shear stress; δ₁−Corresponding slip to peak shear stress; δ_f−Ultimate slip

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图 20 CFRP加固钢板有限元模型

Figure 20. Finite element model of CFRP-strengthened steel plate

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图 21 CFRP轴向应变云图

Figure 21. Axial strain contours of CFRP

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图 22 C-S-150-1试件荷载-滑移曲线对比

Figure 22. Comparison of load-slip curves of specimen C-S-150-1

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图 23 C-S-150-1试件界面剪应力分布对比

Figure 23. Comparison of interfacial shear stress distribution of specimen C-S-150-1

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表 1 材料力学性能

Table 1 Material properties

Material	Young’s modulus/GPa	Tension strength/MPa	Shear strength/MPa	Yield strength/MPa	Poisson’s ratio	Elongation/%
Q235	206	400	−	235	0.3	29.4
CFRP	150	1 230	−	−	0.28	1.6
Adhesive	3.2	30	17	−	0.35	1.32
Note: CFRP—Carbon fiber reinforce polymer.

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表 2 不同粘结长度CFRP加固钢板双剪试件的极限载荷及失效模式

Table 2 Ultimate load and failure modes of double-lap joint specimens of CFRP-strengthened steel plate with different bond lengths

Specimen	Measured adhesive thickness/mm	Bond length/mm	Length of steel plate/mm	Ultimate load/kN	Failure mode
C-S-80-1	1.01	80	200	45.76	C+D
C-S-80-2	0.99	80	200	45.32	C+D
C-S-80-3	0.92	80	200	44.73	C+D
C-S-80-4	0.91	80	200	45.12	C+D
C-S-120-1	1.02	120	250	47.55	C+D+E
C-S-120-2	1.03	120	250	47.87	C+D
C-S-120-3	0.93	120	250	46.92	C+D
C-S-120-4	0.90	120	250	47.38	C+D
C-S-150-1	1.03	150	300	50.74	C+D
C-S-150-2	1.02	150	300	51.42	C+D
C-S-150-3	0.93	150	300	50.39	C+D
C-S-150-4	0.96	150	300	50.79	C+D
C-S-200-1	0.97	200	350	51.23	C+D
C-S-200-2	1.09	200	350	52.21	C+D
C-S-200-3	1.10	200	350	51.07	C+D
C-S-200-4	0.97	200	350	51.78	C+D
C-S-250-1	0.99	250	350	51.92	C+D
C-S-250-2	1.03	250	350	51.08	C+D
C-S-250-3	0.98	250	350	52.03	C+D
C-S-250-4	0.96	250	350	51.01	C+D
Notes: C—Cohesion failure in adhesive; D—Adhesion failure at adhesive/CFRP interface; E—Adhesion failure at adhesive/steel interface; C-S—CFRP-steel.

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表 3 不同粘结长度CFRP加固钢板双剪试件的粘结-滑移本构参数

Table 3 Parameters in bond-slip law for double-lap joint specimens of CFRP-strengthened steel plate with different bond lengths

Specimen	${\tau _{{\rm{max}}}}$ /MPa	${\delta _1}$ /mm	${\delta _{\rm{f}}}$ /mm	${G_{\rm{f}}}$ /(N·mm⁻¹)	${l_{\rm{e}}}$ /mm
C-S-150-1	14.6	0.065	0.178	1.299	78.56
C-S-150-2	14.1	0.067	0.184	1.297	81.23
C-S-150-3	13.7	0.063	0.177	1.212	80.52
C-S-150-4	13.4	0.061	0.174	1.165	80.52
C-S-200-1	14.5	0.062	0.174	1.261	77.61
C-S-200-2	14.0	0.068	0.183	1.281	81.58
C-S-200-3	13.6	0.059	0.170	1.156	78.87
C-S-200-4	13.7	0.060	0.169	1.157	78.64
C-S-250-1	14.2	0.070	0.182	1.789	81.27
C-S-250-2	14.3	0.069	0.184	1.823	81.07
C-S-250-3	13.6	0.043	0.165	1.124	74.38
C-S-250-4	13.7	0.093	0.154	1.054	83.15
Notes: G_f—Fracture energy; l_e—Effective bond length.

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