第1章　绪　论

1.1　研究背景

　　在各类工业与民用建筑物、构筑物、桥梁、涵洞和隧道等工程结构中存在大量的钢结构，这些结构在国民经济中占有重要的地位，如钢结构桥梁、建筑物、构筑物、海岸和近海工程及石油化工用压力容器、管道、塔桅等。在这些钢制结构中，有些结构长期处于腐蚀环境中，有些结构经受交变荷载的作用；有些结构处于高温、高湿或高压的服役环境中，而有些结构内部则充满易燃、易爆、有毒、腐蚀等介质，它们在运行过程中会受到自然环境的侵蚀、外部荷载的作用或人为因素的破坏，不可避免地会存在各种各样的损伤和缺陷，尤其是在长期服役的钢结构中更为突出。材料的微观缺陷在载荷、环境等各种因素的作用下，逐渐成胚、孕育、扩展和汇合，当损伤累积到一定程度时，就会引起材料宏观力学性能的劣化，终导致结构失效，例如钢制输送管道在周围环境和内部介质的作用下经常会发生化学或电化学腐蚀，严重时导致腐蚀穿孔和泄漏，一旦发生泄漏或爆炸，往往会发生火灾或中毒、爆炸等灾难性事故；同时，有毒有害物料进入大气、土壤和水源，既污染了环境，又造成了工程事故。
　　鉴于社会资源的稀缺性和工程建设的经济性，这些钢结构不可能一旦出现损伤就退役，同时结构损伤具有局部性和多发性的特点，因此为了延长这些损伤钢结构的使用寿命和确保结构安全工作，避免资源浪费，就必须对损伤结构构件进行修复。传统的钢结构修复方法是把钢板焊接、螺接、铆接或者粘结到结构的损伤部位。这些方法虽在一定程度上改善了原结构缺陷部位受力状况，但同时又给结构带来一些新的问题。
　　焊接修复技术是目前钢结构修复中普遍采用的方法，它是在结构损伤部位焊接金属盖板或型钢，使结构恢复正常承载能力而得以安全运行的修复技术。如埋地管道因腐蚀会引起坑、槽等体积缺陷，通过对缺陷部位的简单清理、打磨，采用与管道材质和规格相同或相近的片状或半环状管材焊接在缺陷部位并将其覆盖，然后进行一些简单热处理和表面防腐处理，从而使管道恢复承压能力。但是这种方法主要采用现场焊接，焊接时高温作用使焊接部位组织及性能劣化、材质变脆，断裂韧性降低，抵抗脆性断裂的能力变差，影响结构运行的安全性；另外焊缝或多或少会存在一些缺陷，在荷载作用下会萌生新的裂纹断裂源；同时在焊接过程中易产生氢脆、焊接后结构内部存在残余应力，和其他作用结合在一起可能导致开裂，裂缝一旦扩展，就有可能一断到底，造成严重后果。
　　此外焊接修复技术对操作要求也较高，如焊接操作人员为熟练工人，可能修复焊缝的缺陷较少，而如果为非熟练工人操作，可能其所修复焊缝的焊接缺陷就较多，因此一般对修复结构，焊后需要进行现场探伤；另外由于焊缝高温熔化和冷却过程中成分和组织的变化，如果焊条选择不当，很容易造成焊缝的电位比母材低，焊缝与母材组成电偶腐蚀电池，将大大加速焊缝的电偶腐蚀速度；当损伤结构内存在大量易燃易爆介质时，修补期间还需要停止运行，焊接修复属于明火作业，对于壁厚不均的结构，如果焊接电流会穿透管壁造成介质泄漏，造成维修结构的爆炸危险，带来很大的经济损失。
　　如采用螺接或铆接修复方法对损伤钢结构进行修复，则需要在母材上损伤部位区域开孔，这又会削弱了结构的受力截面，恶化了损伤区域的受力情况，形成新的应力集中区；另外普通螺栓在动荷载作用下易发生松动，高强度螺栓易发生应力松弛现象；而采用铆接修复，铆接处铆合温度过高，易引起局部材质硬化，铆合质量不易控制，不易确定其结构修补的效果。
　　始于20世纪60年代的粘钢技术，它是用特制的胶粘剂将钢制盖板粘贴于钢结构的损伤部位，使钢制盖板与带缺陷的原结构紧密结合在一起，钢制盖板承担了原结构的部分荷载，降低了原结构缺陷部位承受的荷载，从而达到修复的效果。这种方法虽说避免了焊接、螺接、铆接等修复方法产生残余应力、削弱构件截面、劣化母材材质等的不足，但同时又带来钢制盖板容易锈蚀，维护费用较高，其厚度也较大，既不利于成形，施工工效低，又会在粘结界面产生较大的剥离应力，与界面剪应力共同作用导致界面过早发生剥离破坏，修复质量不易保证等缺陷，限制了该技术的应用。因此，寻求经济高效的钢结构修补技术是现代土木工程领域迫切要求解决的问题。

1.2　FRP修复钢结构的特点

　　纤维增强复合材料(Fiber Reinforced Polymers，简称FRP)是由高性能纤维，如碳纤维(Carbon Fiber)、玻璃纤维(Glass Fiber)和芳纶纤维(Aramid Fiber)等与基体，主要是树脂(Polymer)体系按一定比例、并经过一定加工工艺制成的一种复合材料。它的性能与其组成和加工工艺密切相关，随着FRP的开发应用和粘结剂性能的不断改进，高性能复合材料依靠其优异的性能在航空、航天、体育、卫生、电子、兵器等领域得到了广泛的应用，至今已有三四十年的历史，目前在这些领域仍然是先进的主导修复技术。
　　20世纪80年代以来，FRP修补技术作为一种高效率、低成本的先进结构修复方法，即将已固化的、半固化的或未固化的FRP材料，粘贴到结构破坏损伤部位以完成结构修复的方法，已在土木工程中得到了很大重视并进行了广泛的研究与应用。目前碳纤维增强复合材料(Carbon Fiber Reinforced Polymer，简称CFRP)修复混凝土结构技术已经成熟并广泛应用于混凝土梁、板、柱、桥墩等工程结构的修复中。而FRP粘结修补飞机、航空器部件的铝金属薄板缺陷的成功运用，为其向钢结构工程领域移植及进一步拓展提供了技术基础和借鉴。
　　FRP修复钢结构技术是通过在钢结构损伤区域表面涂覆特制的胶粘剂，将FRP片材粘贴到钢结构损伤部位的表面，使一部分荷载通过胶层传递到FRP片材上，降低了钢结构损伤部位的应力水平，将钢结构和FRP粘结成整体，协调变形、共同工作，使裂纹扩展速率降低或制止了裂纹的扩展，以提高钢结构承载能力和改善其疲劳性能，延长了结构的使用寿命，从而提高结构服役安全可靠性的一种修复方法。
　　与传统的钢结构修复方法相比，粘贴FRP修复钢结构技术具有明显的优势：
　　(1)FRP材料自重轻，力学性能优越，比强度和比刚度高，要达到同样的修复效果，FRP的尺寸明显小于金属板的尺寸，同时FRP本身密度小，而粘贴修复又省去了紧固件，修复后基本不增加原结构的自重和原构件的尺寸；
　　(2)FRP具有可设计性，即可以根据结构缺陷的严重程度和受力情况，在单向FRP中，通过改变组分和组分含量以改变其纵向和横向性能以及它们的比值；对于FRP板采用改变FRP铺层的取向与顺序而改变复合材料的弹性特性和刚度特性来设计复合材料的性能，从而适应特殊应用的要求，大限度地提高结构的修复效果；
　　(3)FRP具有可成形性，对于复杂曲面结构(如压力容器、管道、安全壳等)的修复，该方法具有特别的优势；
　　(4)FRP具有良好的抗疲劳性能，能够改善动荷载环境下缺陷构件应力集中和承载情况，有效地阻止裂纹的继续扩展，从而提高结构的抗疲劳性能；
　　(5)对母材损伤小，不需要对母材钻孔，对母材承载截面基本无削弱，不破坏原结构的整体性，不会形成新的应力集中源，避免了新的孔边裂纹的产生。不增加新的焊缝，不会产生残余应力，不会形成新的裂纹疲劳源；
　　(6)FRP本身对酸、碱、盐等腐蚀介质具有很好的耐腐蚀性能，柔性的FRP修复任意封闭结构和形状复杂的被修复结构表面，基本上可以保证近100％的有效粘贴率，与金属表面有良好的界面粘结性能、密封性，减少了渗漏甚至腐蚀的隐患，很少出现二次腐蚀破坏现象，这一点对石油化工行业的压力容器、输送管道等结构尤为重要；
　　(7)粘贴FRP修复钢结构是连续的面际连接(即两者相邻表面结合起来)，整个粘结面都承受荷载，克服了焊接仅依靠边缘结合而内部不能结合的缺陷。钢结构与FRP构成整体，荷载从原钢结构传递到FRP更加均匀有效，应力分布更为均匀，大大缓解了应力集中，这些都显著地提高了静强度和刚度，抗疲劳性能好，延长了结构的使用寿命；
　　(8)该方法施工便捷，简便易行，成本低，效率高，特别适合于现场修复。现场实施无需大型专用设备，可节省人工与机器设备搬运，修复所用的时间短，大约是常规修复方法所用工时的1／3～1／5，狭小空间亦可施工；
　　(9)施工过程中无焊接明火，现场主要采用常温固化工艺施工，安全可靠，对生产影响小，适用于特种环境，如燃气罐、贮油箱、井下设备(具有爆炸危险的情况)、电缆密集处或化工车间、炼油厂等环境；
　　(10)有利于实现CFRP的自感知智能特性。可以利用碳纤维自身的导电性能，根据补强片电阻的变化规律来获得修复部位的应变及应力信息，实现对结构的安全监视与诊断。
　　因此，粘贴FRP修复钢结构技术是一种很有发展前途的新型结构修复技术，具有广阔的应用前景，它可以应用到飞机机身的裂纹修复、钢结构桥梁和建筑物的修复以及船体结构、压力容器、输送管道和钢储罐等的结构缺陷修复。

1.3　国内外研究状况

　　粘贴FRP修复钢结构时，应选择合适的修复材料、正确地进行修复设计和选择正确合理的修复方案，这就需要对原结构和修复后的复合结构进行深入的力学分析。同时，为了评估该技术的修复效果，必须对修复结构进行试验研究。根据分析手段的不同，国内外的研究基本上是从两方面进行，即理论分析和试验研究。
1.3.1　国外相关研究状况
　　在20世纪70年代，在美国空军飞行力学研究室(AFFDL)、Northrop公司、Donglas航空公司等率先采用FRP进行胶结修补飞机损伤构件，随后澳大利亚、英国、法国等相继对这项技术展开了全面的研究和应用。
1.3.1.1　理论分析
　　由于FRP性能差异较大、粘贴质量的影响因素甚多，因此用试验方法来研究FRP修复钢结构受到一定的限制。一般情况下，理论分析方法是研究FRP粘贴修复技术的主要手段，特别是在基础研究阶段，通过理论计算分析，可以用较少的费用，获得大量有用的信息，并为试验提供必要的数据，然后做少量的验证性试验。
　　1.解析方法
　　Erdogan，Arin和Ratwani等人采用平面弹性理论的复变函数方法，以应力函数为出发点，用解析方法分析了含裂纹金属板粘贴复合材料后的受力情况，对金属板内裂纹尖端的应力强度因子、FRP中的大拉伸应力和胶层内的大剪应力进行了分析。在该分析模型中，胶层被认为是各向同性材料，并能发生弹塑性变形；金属板和FRP均处于平面应力状态，两者之间的作用力通过胶层的剪切变形来实现，并把胶层对金属裂纹板和FRP的剪切力作为体力，在各自的厚度上均匀分布。
　　Keer，Lin和Mura等人用傅立叶变换，分析了结构粘贴FRP后的修复效果。该求解方法较有特色，采取了较少的假设，长度方向虽然仍考虑为无穷大，但裂纹板和修复板宽度则是有限的，由于胶层厚度是有限厚度，所以认为应该考虑胶层厚度的影响，并假定不存在脱胶现象。但是，裂纹板和修复板仅限于各向同性材料，且两者的泊松比相同。因此，在使用时受到很大的限制，当修复板为FRP时，此方法不能使用。
　　Sebastian对工字形钢梁受拉翼缘外侧粘贴FRP后组合梁的弹一塑性性能进行了分析，考察了组合截面从弹性阶段发展到弹塑性阶段的全过程特性，共分为五个阶段。由于粘贴了复合材料，因此组合截面不再关于强轴对称，对于这种截面需要由二个参数来定义它的弹塑性性能，而且随着截面弹塑性曲率的增大中性轴向复合材料方向移动。分析时，假定组合截面的变形仍符合平截面假定。
　　2.数值方法
　　数值方法主要有边界元法和有限元法。数值方法的主要优点是不作许多假设，适应性强，分析时不受结构形状、受载情况和边界条件的限制，能够比较真实地反映工程实际。
　　粘贴FRP修复钢结构时，存在FRP与胶层之间和胶层与金属表面之间的界面，因此在建立有限元分析模型时，如何考虑修复结构的界面应力和建立相对真实的胶层数学模型是关键。Jones和Callinan等人采用有限元方法，研究了粘贴FRP修复中心穿透裂纹板的裂纹尖端应力强度因子、胶层中大剪切应力和FRP中的大拉伸应力。分析中将金属板与FRP板化成一般的平面单元，将胶层模型化成特殊的“胶元”，认为胶层只发生剪切变形，且限制在线弹性范围内，并且在线弹性范围内考虑整个修复结构的横向剪切变形。由于裂纹尖端存在应力奇异性、应力梯度较大，故一般在裂纹尖端使用裂尖奇异单元。后来，他们还将FRP修复的有限元方法推广到FRP结构的裂纹修补问题。Kan和Ratwani在计算中则考虑了胶粘剂非线性性能的影响，Chandra等利用J积分与有限元相结合的办法计算了孔边裂纹板、中心穿透裂纹板的裂尖应力强度因子。
　　Tran和Shek用有限元和边界元相结合的方法，分析了粘贴FRP后的修复效果。
在这个分析模型中，采用剪切弹簧模型来模拟胶层的作用，将通过胶层传递的表面剪切力视为体力作用于裂纹板和FRP上，FRP采用有限元方法分析，而裂纹板则采用边界元处理，并利用裂纹表面的边界条件进行求解。文中同时分析了单边粘贴修复和双边粘贴修复以及胶层厚度对裂纹尖端应力强度因子的影响。
　　Sun等利用“双板．弹簧”模型考虑了中心穿透裂纹板的单边及双边粘贴修复问题，并且计算了中心椭圆脱胶时裂尖的能量释放率。为了考察“双板-弹簧”模型的精度，他们同时还进行了三维有限元分析，三维计算结果表明，弯曲应力沿板厚为线性分布，这进一步表明可以使用二维板元来简化修复问题的建模。
　　Naboulsi、Schubbe采用三板技术分析了粘贴FRP修复裂纹钢结构。在他们的分析模型中，将裂纹金属板、胶层和FRP板都用二维Mindlin板单元来模拟，为了保证变形协调，在金属板．胶层界面和胶层-FRP界面的节点之间引入约束方程。并采用该模型分析了金属板裂纹尖端的应力强度因子和胶层界面裂纹的能量释放率。
1.3.1.2　试验研究
　　国外对FRP修复钢结构的试验研究主要集中在以下几个方面：
　　1.FRP修复高强铝合金薄板
　　FRP修复钢结构早是从航空领域开始应用的。由于飞机制造采用了大量的高强铝合金薄壁构件，因此，机身出现裂纹后，可以采用高性能的FRP进行修复和修复，既可以减轻修复的重量，提高使用的耐久性，同时，由于裂纹构件受力状态复杂，可以利用复合材料的可设计性进行优化，大限度地利用复合材料的性能。
　　Jones和Callinan在试验和计算的基础上研究了粘贴FRP修复前后金属板裂纹张开位移和应力强度因子之间的关系，结果表明：对于中心穿透裂纹板，修复前后裂纹板的应力强度因子之比等于裂纹张开位移之比。他们还对粘贴硼／环氧复合材料修复铝合金的表面裂纹进行了有限元分析和试验研究。
　　Chandra利用光弹试验方法，研究了CFRP对裂纹尖端应力强度因子的影响，分析结果表明：含裂纹板经粘贴修复后，裂纹尖端的应力强度因子可下降80％～90％。
　　Alawi和Saleh对粘贴修复后的结构通过疲劳裂纹扩展试验，研究了FRP的几何外形尺寸、原结构的表面质量、FRP的数量、单面粘贴或双面粘贴对疲劳裂纹扩展速率的影响。其基本出发点是：通过对疲劳试验数据的统计分析，得出Paris裂纹扩展公式中的材料常数，并认为粘贴修复结构中疲劳裂纹扩展速率降低的主要原因是由疲劳裂纹扩展公式中参数的改变引起的。由于疲劳试验试件的数量有限，没有得到原结构表面质量与修复效果的关系。Lai、Kam考察了粘贴碳／环氧复合材料修复裂纹铝合金板的疲劳性能。
　　Baker等采用硼／环氧复合材料来修复飞机的金属构件，并已成功地用于军用飞机的修复中。Baker还对含疲劳裂纹的A12024-T3构件粘贴硼／环氧复合材料修复进行了试验，研究了修复结构的脱胶及试验温度对修复效果的影响，研究结果表明：脱胶出现在金属板裂纹周围，脱胶裂纹出现在界面上而不是出现在胶层内部，脱胶导致裂纹扩展速率的增大，文中提出了一种估计脱胶对修复效果影响的简单模型，通过试验还意外地发现：利用胶膜粘贴FRP修复裂纹板时，修复结构工作在100％下，修复效果仍然不受影响。
　　2.CFRP修复钢结构
　　由于环境劣化导致钢结构桥梁截面严重削弱，交通量日益增加使现有的桥梁不能满足运行的需要，为了保证桥梁安全运行，就必须对现役损伤钢结构桥梁进行修复。
　　(1)受弯构件修复
　　1)修复自然腐蚀钢梁
　　Miller对四个足尺钢梁进行了试验，长21英尺(6.4m)，截面为美国标准钢梁S24×80。这些钢梁是从Rausch Creek桥上替换下来的损伤钢梁，钢梁受拉翼缘和腹板大部分截面都已被腐蚀掉，钢梁的刚度降低了20％～32％。在钢梁受拉翼缘外侧表面粘贴CFRP板修复后，其刚度提高了10％～37％，极限承载力提高了17％～25％。试验采用的CFRP板由单向碳纤维(T-300型碳纤维)和乙烯基树脂复合而成，纤维体积含量为51％、抗拉强度为930MPa、弹性模量为112GPa、泊松比为0.37、延伸率为0.9％。
　　2)修复人工切槽钢梁
　　Missouri-Folla大学对粘贴CFRP板修复损伤钢梁进行了试验研究，共完成了四根钢梁的三点弯曲试验，试验梁两端简支。钢梁长度为2.74m、支座间距为2.438m，钢梁截面为W12×14；修复材料为CFK200／2000，其抗拉强度为2300MPa，拉伸弹性模量为200GPa，宽度为100mm，厚度为1.4mm。个试件未修复，作为对比件；第二个试件也未修复，但是在受拉翼缘开有一宽度为106mm的槽口，用来模拟由于腐蚀而造成的截面严重削弱。第三个和第四个试件具有和第二根钢梁相同的槽口，第三根梁在全长范围内粘贴宽100mm的CFRP板，而第四根钢梁只在跨中四分之一范围内粘贴100mm宽的CFRP板，用来考察粘贴长度对修复的影响。为了减小侧扭屈曲的影响，在两端支座处和跨度四分点处采用四组横向支撑。试验加载过程中，试件1和试件2由于侧向屈曲而破坏；试件3和试件4由于槽口处存在应力集中和较大的剪切应力，因此剥离从槽口处开始，然后向CFRP板两端延伸，当CFRP板完全剥离后加载结束。试件3(全长范围粘贴修复)CFRP板的剥离相对较慢；对于四分之一范围内粘贴CFRP板的试件4，整个CFRP板突然发生剥离破坏。与对比梁相比，修复梁的刚度略有增加，但承载力则显著提高，试件3的塑性承载能力增加了60％，试件4的塑性承载能力增加了45％。
　　Tavakolizadeh和Saadatmanesh对八根钢梁进行了四点弯曲试验，钢梁截面为S5×10，长1300mm。其中六个试件在受拉翼缘的跨中切槽，深度分别为3.2mm和6.4mm。对每组切槽考察了不同的CFRP粘贴长度，对于深度为3.2mm的钢梁粘贴长度分别为100mm、200mm和300mm；对于深度为6.4mm的钢梁粘贴长度分别为200mm、400mm和600mm。试验结果表明，修复梁的刚度和承载能力与完善钢梁粘贴0.13mm厚的CFRP布接近，而与粘贴的CFRP的长度关系不大。极限承载能力增加很多，浅槽口试件增加了63％，深槽口试件增加了144％。浅槽口与深槽口试件的主要不同之处是延性损失。根据试验记录，这一点可以通过增加粘贴长度来解决。
　　Shulley等人研究了在钢梁损伤腹板区域粘贴FRP布修复的效果。对六根跨度为711mm的损伤钢梁进行了三点弯曲试验，在离支座178mm处的腹板高度中部钻一直径为100mm的圆孔来模拟腹板的损伤。修复过程采用不同种类的FRP布，所有修复梁的破坏形式均相同，随着荷载的增加，孔洞区域的FRP开始屈曲，然后与腹板分离。因此，所有修复梁均没有达到未损伤钢梁的承载能力。
　　3)修复未损伤钢梁
　　Mertz等人对粘贴各种形式的FRP修复钢结构桥梁进行了试验研究，钢梁跨度为1372mm、截面为W8×10，在每根钢梁跨中1219mm的范围内粘贴复合材料进行修复。试验采用了四种修复方案：①采用双组分环氧胶粘剂AV8113，将厚度为4.6mm的单向CFRP板粘贴于钢梁下翼缘外侧表面，如图1.1(a)所示；②采用相同的CFRP板，但是在CFRP板与钢梁之间增加铝制蜂窝结构，使CFRP板离开钢梁翼缘一段距离，形成夹层结构以增加截面的抗弯刚度，如图1.1(6)所示；③先将泡沫夹芯连于钢梁受拉翼缘外侧表面，然后沿钢梁腹板、翼缘和泡沫夹芯缠绕±45°的玻璃纤维织物，如图1.1(c)所示；④在钢梁受拉翼缘粘贴E-玻璃纤维拉挤型材，并采用螺钉与钢梁翼缘机械连接，如图1.1(d)所示。对试件进行四点弯曲试验，四种修复方案的刚度分别增加了20％、30％、11％和23％，强度分别增加了42％、71％、41％和37％。因此，试验结果表明夹芯-CFRP板技术(图1.1(b))是有效的，缠绕GFRP修复方法(图1.1(c))的效果差。

　　Abushaggur和El Damatty研究了粘贴GFRP板来提高钢梁承载能力的效果。钢梁跨度为2800mm，截面为W6×25；GFRP板的长度为2400mm，厚度为19mm。采用四点弯曲试验，GFRP板分别粘贴于钢梁的下翼缘和上翼缘。据报道试件的破坏形式为GFRP板的断裂或GFRP板的层间剥离，并没有发生钢梁与GFRP板之间的胶层破坏。修复钢梁的刚度、屈服荷载和极限荷载分别增加了15％、23％和78％。
　　4)修复钢-混凝土板组合梁
　　钢梁上翼缘的混凝土面板为钢梁提供了连续的侧向支撑，可以避免钢梁过早发生扭转屈曲。而且，组合截面的中和轴位置远离受拉翼缘，使在受拉翼缘粘贴FRP的修复更加有效。
　　Sen等人通过在钢梁受拉翼缘外侧粘贴CFRP板，研究了采用CFRP板修复钢结构桥梁的可行性。他们共进行了6个试件的试验，并对修复前、修复后试件的强度和刚度进行了比较。试验中所用的钢梁长度为6.1m，截面为W8×24，屈服强度有310MPa和370MPa两种；钢梁上部混凝土面板宽度为71cm，厚度为11.4cm，混凝土的抗压强度为43.6MPa。修复所用的CFRP板长度为3.65m、宽度为16.5cm、厚度有2mm和5mm两种，其抗拉强度为1840MPa，弹性模量为114GPa。试验中所用的粘结材料为双组分环氧胶粘剂FR1272，其适用期在24℃时为10～15min。为了模拟结构的实际受力情况，在粘贴CFRP板之前，先对每个试件采用四点弯曲试验进行预载，使钢梁受拉翼缘发生屈服，这样在对组合梁修复之前构件已存在永久变形；然后在损伤试件的受拉翼缘粘贴165mm×3650mm、厚度为2mm和5mm的CFRP板进行修复，并试验至破坏。用2mm厚CFRP板修复的试件由于挠度超过了LVDT的量程(100mm)而终止试验；采用5mm厚CFRP板修复的试件由于cFRP板突然从钢梁翼缘剥离而破坏。试验结果表明极限强度的提高幅度约为46％～109％。采用2mm厚CFRP板修复的试件提高较低，而采用厚度为5mm厚的CFRP板修复的试件提高较多。除了能够提高承载能力外，修复试件的弹性刚度也增加了20％～67％。试验中为了防止CFRP板端部发生剥离破坏，所有的试件均在CFRP板端部采用夹具进行锚固，另外还有两个试件除采用夹具锚固外，在CFRP板端部还用两个螺栓进行锚固。从破坏形态来看，在界面发生粘结破坏的试件其承载能力提高的程度低，而采用夹具和螺栓双重锚固的试件其承载能力明显提高。
　　Tavakkolizadeh研究了采用CFRP板修复钢-混凝土组合梁的效果，共进行了6个大比例尺试件的试验，采用四点弯曲试验。试件分为二组，每组各三个试件，组为完善组合梁，即钢梁下翼缘无损伤，如图1.2(a)所示；第二组为损伤组合梁，即钢梁下翼缘部分宽度切除，如图1.2(6)所示。试验梁长度为4.9m，截面为W14×30，钢材为A36；钢梁上部混凝土面板宽度为91cm，厚度为7.5cm。修复所用的CFRP板宽度为75mm、厚度为1.27mm，抗拉强度为2137MPa、拉伸弹性模量为144.0GPa、泊松比为0.34。CFRP板并排粘贴于钢梁受拉翼缘外侧表面两侧，组试件的粘贴层数分别为1层、3层和5层；第二组试件钢梁受拉翼缘考虑了三种不同程度的损伤：25％、50％和100％；对应粘贴的CFRP片材分别为1层、3层和5层。为了尽可能避免CFRP片材端部剥离，CFRP片材从里到外逐层内收，即对于粘贴一层的试件，CFRP片材的粘贴长度为3.95m；对于粘贴三层的试件，CFRP片材的长度依次为3.95m、3.65m、3.35m；对于粘贴5层的试件，CFRP片材的长度分别为3.95m、3.80m、3.65m、3.50m、3.35m。组试件的破坏形式分别为混凝土板压碎(粘贴1层)、CFRP板剥离(粘贴3层)、混凝土面板压碎并伴随着腹板破坏(粘贴5层)。修复梁的承载能力大大提高，对于粘贴1层、3层和5层片材修复的试件承载能力分别提高了44％、51％和76％；而且，与原始未修复梁相比，在给定荷载水平下下翼缘的拉应变平均降低了21％、39％和53％。试验结果表明，破坏时对于粘贴一层CFRP板的试件CFRP的应力约为其极限强度的75％，而粘贴5层CFRP板的试件其应力则降低到其极限强度的42％。第二组试件的破坏形式分别为CFRP板被拉断(粘贴1层)、混凝土压碎(粘贴3层)、CFRP板与钢梁翼缘之间发生剥离(粘贴5层)。三种修复梁的承载能力分别提高了20％、80％和10％。修复梁的弹性刚度恢复非常明显，对于粘贴1层、3层和5层的试件，其弹性刚度分别恢复到91％、102％和86％。

　　Al-Saidy对粘贴CFRP板修复钢．混凝土组合梁进行了试验研究。试件共分二种类型：未损伤组合梁和损伤组合梁，其中损伤组合梁是通过去掉部分钢梁下翼缘来模拟的，钢梁下翼缘面积削弱分别为50％和75％。对于两类组合梁，都采用了两种修复方案(图1.3和图1.4)：种方案是在钢梁下翼缘外侧表面粘贴CFRP板进行修复，第二种方案是在钢梁受拉翼缘外侧表面和腹板下部靠近受拉翼缘的两侧表面均粘贴CFRP板。未损伤组合梁粘贴CFRP板修复后，一方面，对弹性阶段的影响不大，其弹性刚度几乎没有增加；修复梁的屈服荷载增加约为20％。另一方面，修复梁在非弹性阶段的刚度增加很多，修复梁的极限荷载提高了20％～45％。粘贴CFRP板对损伤组合梁的修复非常有效，强度和刚度明显增加，极限荷载比修复前提高了25％和43％，相对于未损伤组合梁则提高了6％和24％。试件破坏时并未发生CFRP板与钢梁之间的粘结破坏，说明它们之间的粘结是有效的。

　　(2)钢结构的疲劳修复
　　传统钢结构修复方法存在的构造细节(如焊接缺陷、构件钻孔等)对疲劳荷载非常敏感，而粘贴FRP修复钢结构正好解决这一问题，先FRP具有良好的抗疲劳性能，另外FRP与原结构通过胶粘剂连接，属于面际传力，荷载传递均匀，应力集中程度低。粘贴FRP修复钢结构能有效地阻止裂纹和破坏的继续扩展，大大延长了结构的使用寿命。不同研究者都已证实了采用CFRP布或CFRP板来提高钢结构疲劳寿命的效果。
　　Miller等人对二根取自于旧桥的锈蚀钢梁粘贴CFRP板修复后进行了疲劳试验，在受拉翼缘上、下表面粘贴CFRP板进行修复。试验中施加的应力幅与现场使用时的应力水平相当，疲劳试验循环次数为1000万次，对CFRP板进行监测，试验中并未观察到CFRP板剥离。
　　Tavakkolizadeh和Saaadatmanesh对粘贴CFRP改善含缺陷钢梁的疲劳性能进行了试验研究，共试验了21个试件的疲劳强度。钢梁截面为S127×4.5，钢材为A36，所有试件的净跨为1220mm。采用常应力幅四点弯曲试验，应力幅值为69～379MPa，加载频率为5～10Hz，二加载点间距为200mm。试验中为了引入疲劳敏感缺陷，在钢梁中部受拉翼缘两侧各制造了一个槽口，采用厚度为0.9mm的带锯切槽，切槽深度为12.7mm。采用长度为300mm、与翼缘等宽的CFRP板粘贴于受拉翼缘的下表面。试验结果表明，采用CFRP板修复后钢梁可以有效降低裂纹扩展速率，从而大幅度延长了疲劳寿命，修复后试件的疲劳寿命提高到未修复试件的2.6～3.4倍。

　　Mosallam等人对采用CFRP加劲肋修复钢框架节点进行了循环荷载试验，CFRP加劲肋如图1.5所示。试验采用两种修复方式，一种是粘贴CFRP加劲肋；另一种是将CFRP加劲肋与节点之间采用机械连接，并与全焊接的钢框架节点试件进行了对比。试验结果表明，粘贴CFRP加劲肋修复试件的延性比全焊接节点试件的延性提高了25％。

　　Nozaka对粘贴CFRP板修复钢结构桥梁的疲劳性能进行了试验研究。受拉翼缘存在裂纹，在受拉翼缘内侧表面粘贴CFRP板对其进行修复，试验钢梁长8.5m，支座间距为8.1m，截面为W27×84。采用四点弯曲试验，加载点距支座的距离为3.05m，加载频率为1～2Hz。修复材料采用Fyfe Tyfo UC CFRP板和3M DP-460 NS胶粘剂。当裂纹尖端位于腹板时，修复后裂纹尖端的应变明显降低；当钢梁受拉翼缘存在微小裂纹时，试验未能很好地得到粘贴CFRP板对于抑制裂纹扩展的效果。由于所选用的胶粘剂韧性较好，在20MPa的名义应力幅下循环200万次钢梁与CFRP板之间的胶结界面仍未发生任何剥离。
　　(3)修复钢结构的耐久性能
　　通常修复后的复合构件在实际使用时，总是要处于各种环境因素的作用，如有的须长年累月暴露于大气之中，有的要处于特定的介质中，有的要经受高温、低温、交变温度的热冲击等。在这些环境条件的作用下，其粘结性能必然受温度、湿度、化学物质和大气环境等因素的影响而发生变化。为了保证复合构件在不同的环境下能长期安全运行，就必须进行各种环境条件下的性能试验，即耐久性试验。国外对胶粘剂进行了大量的耐久性试验。但他们的试验主要针对航空领域，所用的金属材料是高强铝合金或钛合金，采用的粘结材料是航空专用胶粘剂。航空领域所用的胶粘剂性能优异，金属构件表面可以采用多种处理方法，如脱脂法、机械打磨法、化学处理法等；主要采用高温固化，胶粘剂固化反应充分，因此界面的粘结强度高，断裂韧性好。
　　由于金属材料和碳纤维均能导电，而且二者之间存在电位差，Tavakkolizadeh对采用CFRP修复钢结构时钢材与碳纤维之间可能发生的电偶腐蚀问题进行了研究。共完成了38个试件的试验，试验模拟了两种腐蚀环境(海水和防冻液)和四种不同的环氧涂层厚度(其中一种未涂环氧树脂，即环氧涂层厚度为0)。另外，还考察了胶粘剂对电偶腐蚀速度的影响，同时采用不同的溶剂来清除CFRP表面的胶粘剂。通过对极化电位和腐蚀电流密度进行测试，试验结果表明钢材与碳纤维之间确实存在电偶腐蚀问题，另外由于环氧涂层的隔离作用可以使腐蚀速度大大降低。
　　West对CFRP和钢材之间的电偶腐蚀、粘结强度和粘结耐久性进行了试验研究。电偶腐蚀试样是将CFRP直接粘贴于钢材表面，通过观察界面的表面形态和称量试样的质量随时间的变化，并考察了不同的措施对防止电偶腐蚀的效果；参照美国材料试验协会(ASTM)的标准ASTMD3165规定的单搭接拉伸剪切试验，测试了不同胶粘剂与钢材的粘结强度；参照ASTMD3762的标准，采用楔子试样来考察不同的胶粘剂及表面处理对钢材与胶粘剂之间粘结耐久性的影响。
1.3.2　国内相关研究状况
　　我国在粘贴FRP修复钢结构技术方面的研究起步较晚，主要采用理论分析方法，研究领域主要限于航空工业。目前，工业建筑诊断与改造工程技术研究中心对土木工程领域钢结构的修复进行了比较系统的试验研究。
1.3.2.1　理论研究
　　吴小林、高永寿利用保角变换研究了带裂纹和各种孔的缺损平板粘贴FRP板后的修复效果。为了便于计算，把基板视为含缺损(裂纹和各种孔)的无限大板，胶层很薄假设仅受剪切作用，作为一系列的剪切弹簧来处理；并假设基板和FRP各自取分离体后，该剪力作用在它们各自的中面上，并可通过基板、FRP板和胶层各点的位移协调关系求得。为了求得基板和FRP板的应力和位移，文中对含孔无限大板和具有各种外边界的有限板承受集中力的情况进行了分析。
　　蒋金龙、赵名泮对粘贴FRP修复的含裂纹金属板采用8节点等参元进行了分析，计算了粘贴修复后裂纹前缘应力强度因子及胶层剪应力分布等，并研究了FRP板的位置、刚度比及胶层厚度等因素对止裂效果的影响；进行了修复前后裂纹扩展速率的对比试验，并对疲劳裂纹扩展过程作了统计分析。
　　徐建新将有限元方法与弹性理论的复变函数方法相结合，分析了FRP板的尺寸、胶层厚度等因素对修复效果的影响，并考虑了胶层的非线性变形，其试验结果表明：粘贴修复板的静强度和临界裂纹长度都有明显的提高，疲劳裂纹扩展速率大幅度降低，结构的疲劳寿命有较大的提高。文中采用一维模型简要地分析了金属板中有效热膨胀系数和热应力大小，以及修复结构中的残余热应力对临界裂纹长度、疲劳裂纹扩展速率和结构寿命的影响。
　　孙洪涛改进了R.Jones等人的数值计算方法，提出用剪切弹簧元和Mindlin板元共同考虑修复结构的剪切效应，增大了其适用范围；并提出了“双板．胶元”修正模型和“双板-弹簧元”修正模型。由于FRP和金属材料的热膨胀系数相差很大，文中采用改进后的“双板-弹簧元”模型对修复问题进行了热．力分析，考察了不同的复合材料和几何尺寸、胶层厚度对裂尖应力强度因子大小的影响。并通过大量的试验进行了验证。
　　郝际平、岳清瑞、彭福明等人采用“三维实体-弹簧-壳元”有限元模型，对金属裂纹板、受弯钢梁粘贴FRP加固后的性能，FRP加固含孔金属板和金属管线进行了分析，完成了CFRP加固钢结构界面性能的研究，对CFRP加固修复钢结构的基本问题，包括粘结机理、加固材料的要求、FRP与金属材料的表面处理、FRP与金属之间的荷载传递及构造措施、粘结耐久性、碳纤维与金属的电偶腐蚀等进行详尽的论述。
　　叶列平、岳清瑞、郑云等人采用“三维实体-弹簧-板”模型，进行了CFRP加固钢结构的应力强度因子分析研究，利用ANSYS参数化设计语言(APDL)编写了CFRP加固钢结构参数化建模的宏命令程序，对CFRP加固钢板和钢梁进有限元分析，得到加固前后应力强度因子的变化情况；并引入考虑裂纹闭合的疲劳寿命分析模型，采用断裂力学方法对CFRP加固钢结构进行了疲劳寿命计算，根据Miner线性累积损伤理论将实际变幅疲劳荷载转化成等效应力幅下的常幅疲劳荷载，给出了CFRP加固钢结构的疲劳验算建议方法。
1.3.2.2　试验研究
　　2000年，岳清瑞、佟小利、张宁对粘贴CFRP布修复钢板的静力拉伸性能和钢吊车梁圆弧端的疲劳性能进行了大量的试验研究。试验结果表明，粘贴CFRP布后钢板的屈服荷载有较大的提高；与焊接、栓接等传统的修复方法相比，粘贴CFRP布对改善吊车梁的疲劳性能非常优越。
　　郝际平、岳清瑞、彭福明等人对七种粘结材料的材性、FRP和金属之间的粘结强度进行了120批次以上的试验，确定了适合于碳纤维材料加固钢结构的粘结材料，碳纤维布-钢剪切片双搭接拉伸剪切强度≥10MPa，碳板-钢剪切片拉伸剪切强度≥12.5MPa。并进行了10个碳纤维布加固钢板的静力拉伸试验，并对碳纤维布与钢板之间的粘结应力分布和有效粘结长度进行了试验和分析，试验结果表明，在碳纤维布加固钢结构试件的端部，碳纤维布存在严重的应力集中，应采取有效措施在碳纤维布端部进行锚固，以降低碳纤维布端部的应力集中程度，从而提高加固效果。
　　叶列平、岳清瑞、郑云等进行了6根CFRP加固含疲劳裂纹钢板和9根CFRP加固钢梁的疲劳试验研究，试验结果表明：疲劳损伤受拉钢板采用CFRP板粘贴加固后，剩余疲劳寿命是未加固钢板的2.6～6.8倍，采用高弹模的CFRP板对疲劳损伤钢板进行双面加固对改善钢板的疲劳寿命为有效。钢梁下翼缘采用CFRP板双面粘贴加固后，疲劳寿命是未加固钢梁的2.98～6.74倍；应力幅水平越小，CFRP对钢梁的加固效果越好。
　　马建勋对粘贴不同面积CFRP布修复后的钢板进行了单轴拉伸试验，研究了CFRP布对试件屈服荷载、承载能力和延性的影响，并对碳纤维布和钢板的共同工作进行了一定程度的分析。
　　孔杰对粘贴FRP卷材修复含缺陷管道进行了室内水压爆破试验，研究了FRP卷材修复技术的施工工艺和修复效果。试样采用钢质273mm×6mm圆管，管道内径为273mm、壁厚为6mm、管长为3.0m。端部采用焊接堵头密封，缺陷在管道表面通过机械加工而成。管道缺陷处经粘贴FRP修复后，破坏均发生于端部焊缝处，无一是在缺陷处破坏，可见采用FRP修复含缺陷管道能有效提高管道的承压能力，延长管道运行使用寿命。

1.4　本章小结

　　FRP从诞生到现在已有半个多世纪，但直到20世纪90年代，FRP修复混凝土结构的研究及应用在各国逐步开展，我国在2003年颁布了部FRP修复混凝土结构设计技术规程，涵盖范围更广的《高性能纤维复合材料应用技术规范》也在编制中。
　　FRP修复损伤钢结构技术是一种高效、实用的结构修复技术，其应用领域适用于钢结构承载力修复、疲劳修复、锈蚀修复、脆性修复和稳定修复等，对此进行深入研究，使该技术在钢结构构件损伤修复方面发挥重要作用，具有很大的经济和社会效益。图1.6给出了FRP修复钢结构的研究应用体系框架。