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學校名稱      

長沙理工大學      

學生姓名      

學  號      

專      業      

性 別      

入 學 年 份      

桂羽彤      

201608020903      

土木工程      

女      

2016      

金呈顥      

201608020412      

土木工程      

男      

2016      

劉高成      

201608020940      

土木工程      

男      

2016      

王  諧      

201608021102      

土木工程      

女      

2016      

周  昊      

201608021120      

土木工程      

男      

2016      

指導教師      

曹水東      

李傳習      

職稱      

實驗師      

教  授      

項目所屬      

一級學科      

土木工程      

項目科類(理科/文科)      

理科      

學生曾經參與科研的情況      

桂羽彤，長沙理工大學土木工程學院土木工程專業16級學生，學習成績專業排名第七，曾參加過李傳習教授團隊的國家自然基金項目試驗項目。大一期間參與了長沙理工大學學生科技立項項目“斜拉荷載作用下擴底樁的工程性狀”，參與長沙理工大學結構模型競賽獲三等獎，獲得過長沙理工大學材料與地質知識競賽三等獎。      

金呈顥，長沙理工大學土木工程學院土木工程專業16級學生，學習成績優異。曾參與長沙理工大學學生科技立項項目，參與長沙理工大學結構模型競賽、第八屆地質與材料競賽、CAD制圖大賽。      

劉高成，長沙理工大學土木工程學院土木工程專業16級學生，學習成績位于專業前百分之十。大一期間參加長沙理工大學結構模型競賽獲三等獎，參加過數學建模大賽、CAD制圖大賽并取得了優異成績。      

王諧，長沙理工大學土木工程學院土木工程專業16級學生，學習成績優異。大一期間參與了第十屆讀圖制圖大賽并獲得一等獎、第八屆地質與材料競賽三等獎，曾參與李傳習教授科研項目試驗。      

周昊，長沙理工大學土木工程學院土木工程專業16級學生，擔任過班長，曾于高中參與研究性學習課題《學校飲用水亞硝酸鹽含量測量》獲得省級一等獎，思維活躍，實踐能力強。      

指導教師承擔科研課題情況      

1、曹水東老師：研究領域為結構損傷識別與修復，大跨度橋梁施工控制理論。      

2、曹水東. 橋梁結構損傷識別研究[D]. 長沙理工大學, 2006.      

3、曹水東, 李傳習, 徐飛鴻,等. 基于結構柔度矩陣損傷識別的柔度曲率比法[J]. 電力科學與技術學報, 2006, 21(1):85-88.      

李傳習, 陳卓異,曹水東，周愛國等. 鋼箱梁橫隔板疲勞裂紋特征與實橋試驗的輪載應力[J]. 土木工程學報, 2017(8):59-67.      

4、港珠澳大橋CB04標世界第一吊吊具荷載試驗現場技術負責人。      

5、鋼箱梁橫隔板母材開裂機理及對策研究（51308070）國家自然科學基金項目，2016年，曹水東，排名第10；      

6、空間主纜自錨式懸索橋成橋狀態確定及其科學實現的理論與方法（51378080），國家自然科學基金項目，2013年，曹水東，排名第6；
7、空間主纜懸索橋自適應的構形與效應協調控制的理論與方法（51078041），國家自然科學基金項目，2010年，曹水東，排名第9；
8、復雜懸索橋多重非線性高效精細計算理論與方法(50778024)，國家自然科學基金項目，2008年，曹水東，排名第8；
9、空間主纜力學特性及其懸索橋自適應構形控制理論，教育部博士點基金項目，2011年，曹水東，排名第9；
10、多座特大跨橋梁建設項的施工控制現場測試組負責人，2001～至今；      

李傳習教授：      

1、鋼箱梁橫隔板母材開裂機理及對策研究（51308070）國家自然科學基金項目，2016年，李傳習，排名第1；
2、空間主纜自錨式懸索橋成橋狀態確定及其科學實現的理論與方法（51378080），國家自然科學基金項目，2013年，李傳習，排名第1；      

3、空間主纜懸索橋自適應的構形與效應協調控制的理論與方法（51078041），國家自然科學基金項目，2010年，李傳習，排名第1；
4、特大跨橋梁安全性設計與評定的基礎理論研究（2015CB057700），國家重點基礎研究發展計劃（973計劃）項目，2015年，李傳習，項目主要成員；
5、復雜懸索橋多重非線性高效精細計算理論與方法(50778024)，國家自然科學基金項目，2008年，李傳習，排名第1；
6、空間主纜力學特性及其懸索橋自適應構形控制理論，教育部博士點基金項目，2011年，李傳習，排名第1；
7、特大型橋梁風、雨作用監測與模擬技術研究（重大科技專項子項），西部交通建設科技項目，2011年，李傳習，排名第3。
8、多座特大跨橋梁建設項的施工控制研究負責人，2001～至今。
9、港珠澳大橋CB04標世界第一吊吊具研究與復核計算負責人，2013～至今      

項目研究和實驗的目的、內容和要解決的主要問題      

1、研究和試驗的背景        

我國現已建成鋼結構橋梁百余座，鋼結構工業與民用建筑建設也方興未艾，而疲勞開裂是鋼結構的突出問題[1-3]。一旦產生裂紋，如不及時處置將迅速擴展，影響結構的使用安全。相對于傳統加固方式，粘結CFRP加固對母材無損傷且具有輕質、高強、高彈模、抗疲勞、耐久性好等特性。對其加固機理進行研究具有現實意義。      

而采用CFRP膠結加固鋼結構，其中CFRP與鋼材之間的粘結界面為該復合構件的薄弱環節[4]。粘接材料的力學性能對粘結性能影響顯著，已有國外學者對部分加固用結構膠粘劑的長期力學性能進行研究，結果表明在長期荷載作用下，環氧膠粘劑會產生蠕變[5]（部分文獻中作“徐變”，方便行文統一為蠕變，下同）。而隨著時間的推移，此行為可能會影響加固系統粘接鍵合，造成其產生變形和應力重分配，影響加固效果。      

本課題擬對鋼結構加固用膠粘劑的蠕變性能及CFRP與鋼材之間的粘結界面長期蠕變性能進行初步的試驗研究與分析，相應的研究成果可為類似工程的設計與施工提供一定參考，本課題開展的研究工作具有一定的工程意義與學術價值。      

圖1 國外采用CFRP加固鋼混疊合梁結構施工圖        

2、研究和試驗的目的      

本課題擬通過考慮不同膠粘劑類型、持荷時間、加荷幅值、初始應變等因素對加固構件蠕變性能的影響試驗測試，開展鋼結構加固膠粘劑本體長期蠕變力學性能及CFRP片材與鋼板粘結復合構件的蠕變性能研究，揭示其蠕變性能及機理，定性分析該種復合構件蠕變特性對加固效果的影響。預期研究成果將為CFRP加固鋼結構設計與施工提供一定參考，具有一定的學術價值與工程意義；且有利于我們科研興趣的激發和科研基本技能的提升。      

3、試驗實施的內容        

（1）.膠粘劑基本力學性能測定。根據ASTM D638-10 制作狗骨棒試件，通過標準靜力拉伸試驗測定不同類型膠粘劑（如延性膠A與脆性膠L）的拉伸強度，彈性模量，泊松比，剪切模量等力學參數及應力-應變曲線。      

圖2 膠粘劑鑄模                         圖3 膠粘劑試件      

（2）.膠粘劑蠕變性能測定。設計制作加載裝置，通過長期荷載拉伸試驗測定不同荷載條件下（靜力極限荷載20%、35%、50%等）膠粘劑在不同加載時限內的蠕變應變。      

圖4 膠粘劑蠕變測試裝置示意圖        

（3）.CFRP板/鋼復合構件界面長期蠕變性能測試。制作如圖5所示的雙剪試件，通過固定千分表測量CFRP板表面與鋼板相對滑移，采用應變片測量CFRP表面的應力分布或采用數字相關技術（DIC）獲得板表面連續應變場，研究不同膠粘劑類型、持荷時間、加荷幅值、初始應變等因素對該復合構件界面蠕變力學性能的影響。      

圖5  CFRP板/鋼復合雙剪構件示意圖        

4、試驗解決的主要問題        

（1）得到不同類型膠粘劑力學性能，優選出滿足鋼（鋼混）結構加固服役條件的膠粘劑；      

（2）了解所研究的膠粘劑本體蠕變性能，為加固設計及仿真計算提供更完善的一手試驗資料。      

（3）力求通過蠕變對CFRP板/鋼復合構件界面長期力學性能影響的試驗研究，揭示其對鋼橋加固效果的影響，為CFRP加固鋼結構設計與施工提供參考。      

國內外研究現狀和發展動態      

目前碳纖維增強復合材料（CFRP）修復混凝土結構技術己經成熟并廣泛運用于混凝土梁、板、柱等工程修復中。而在航天領域如粘結修補飛機、航空器部件的鉛金屬薄板缺陷的成功運用，為其向鋼結構工程領域的移植和拓展提供了技術基礎和借鑒。因此，近年來國內外部分學者逐漸開始分別采用室內試驗、數值模擬，理論推導等方法對CFRP加固鋼結構的性能進行了一系列的研究，現對目前相關的研究工作進行簡要的介紹：      

膠粘劑力學性能方面：Makoto Imanaka等[6]對兩種環氧類及丙烯酸膠粘劑本體力學性能及粘接性能進行了研究，結果表明，環氧膠粘劑用于粘接加固效果明顯優于丙烯酸，因此，結構膠研究與應用主要集中在環氧組分粘劑。而Feng CW.試驗證明環氧膠粘劑具有蠕變特性且與應力有關的^[4]:在線性粘彈性區域中，蠕變應變是應力的線性函數，隨著壓力水平的增加，行為通常會偏離到非線性。在此基礎上，Silva P, Valente T 等學者[7]對某低養護齡期膠粘劑長期性能開展蠕變試驗研究，在一定拉應力水平下，環氧膠粘劑將表現出線性粘彈性，兩不同等級應力水平下（30%和40%的極限應力）在持續80天的荷載后，與最初的應變相比初始狀態均增加了140%，較標準養護條件下蠕變量顯著增大，證實了膠粘劑養護齡期對蠕變影響顯著。但是，以上研究所針對膠粘劑主要為加固混凝土所用，對于鋼結構加固用膠粘劑蠕變性能國內外鮮有文獻報道。而我校李傳習教授團隊（本試驗指導老師為團隊成員）已在試驗的基礎上優選出了適合鋼結構加固用膠粘劑[8]，故繼續深入對適用膠粘劑蠕變性能的研究，對揭示鋼結構加固機理有一定推動作用。      

CFRP材料蠕變方面：由于碳纖維增強材料由樹脂基體及增強相碳纖維所組成，樹脂屬高分子材料，在持荷狀態下，其大分子鏈會發生結構改變導致宏觀材料變形[9]。Malvar[10]指出對于各種應力水平,徐變斷裂強度與荷載持續時間的對數成線性關系,并指出在相當于50年的持續時間下,GFRP、AFRP、CFRP的最終斷裂強度只能推斷為初始強度的30%、47%、91% 。國內大連理工大學任慧韜[11]通過對CFRP采用40%和60%（超過CFRP蠕變斷裂的最大應力）的極限應力水平進行持續荷載試驗，發現應力幅為40%的蠕變值與初始應變的比值大于應力幅為60%的比值;且卸載后會發生不可恢復的殘余變形。在經過蠕變試驗后,碳纖維片材的抗拉強度明顯下降,最大降幅達到一半以上,并且有蠕變系數越大,抗拉強度降幅越大的趨勢。      

CFRP板/鋼復合構件界面性能方面：ZhaoXiaoLing[12, 13]對CFRP加固鋼結構界面破壞模式做了以下六種分類：a型，CFRP/膠層界面破壞；b型，鋼/膠層界面破壞；c型，膠層內聚破壞；d型，CFRP板層離；e型，CFRP板斷裂；f型，鋼板屈服（后三種通常較小出現）及混合破壞。并且對粘結劑類型、CFRP材料、鋼材表面處理方式、環境溫度、氯鹽侵蝕、沖擊等對其破壞形式、機制與極限承載力的影響進行了綜述。國內滕錦光院士團隊[14, 15]研究了三種非線性粘結劑（即材料本構呈非線性）時 CFRP/鋼單搭接界面的粘結性能，發現采用不同粘結劑時粘結滑移曲線形態相似，但界面破壞形式不同，界面峰值剪應力和局部滑移也相差較大；Wu C, Zhao X等[16]UHM-CFRP板/鋼雙剪疲勞試驗表明疲勞壽命和加載荷載比存在線性對數關系。而疲勞加載后沒有破壞的試件則對其進行了靜載試驗，并和控制試件進行對比，發現疲勞加載并沒有改變CFRP－鋼雙剪試件的破壞模式及剩余粘結強度。我團隊通過單搭接接頭的拉伸剪切試驗，測試了四種粘結劑與兩種CFRP材料，CFRP板表面應變分布，得到了CFRP/鋼界面粘結滑移本構，討論了CFRP板/鋼界面抗剪極限承載力計算方法且基于粘聚力單元對FRP/鋼界面粘結力學行為進行了數值模擬。對于CFRP/鋼界面長期蠕變性能，已知文獻中僅有國內盧奕焱教授團隊對CFRP布材做過一些有益探討[17, 18]，而對于加固性能更優的CFRP板材尚缺少相關研究。故在我團隊已有研究基礎上，繼續對CFRP板/鋼界面蠕變性能進行研究，具有一定的科研價值及工程意義。        

由上可知，國內外學者對CFRP膠接加固鋼結構進行了較多的研究，但還存在以下幾個問題：①還沒有對適用于鋼結構加固用膠粘劑材料長期蠕變力學性能開展過相應的研究。②目前用于疲勞加固的CFRP板材與鋼之間界面長期蠕變力學性能及其機理尚缺乏基于試驗研究的相關結論。因此，就粘貼CFRP加固鋼結構長期蠕變性能而言，對其組成材料及加固系統均少有研究成果可供工程應用參考。因此，有必要開展一些具有針對性的研究。      

參 考 文 獻

 [1] 李傳習, 李游, 陳卓異, 等. 鋼箱梁橫隔板疲勞開裂原因及補強細節研究[J]. 中國公路學報, 2017,30(3):121-131.

 [2] 李傳習, 陳卓異, 周愛國, 等. 鋼箱梁橫隔板疲勞裂紋特征與實橋試驗的輪載應力[J]. 土木工程學報, 2017(8):59-67.

 [3] 曹水東, 李傳習, 徐飛鴻, 等. 基于結構柔度矩陣損傷識別的柔度曲率比法[J]. 電力科學與技術學報, 2006,21(1):85-88.

 [4] 岳清瑞等. 碳纖維增強復合材料(CFRP)加固修復鋼結構性能研究與工程應用[M]. 中國建筑工業出版社, 2009.

 [5] Feng, Chih-Wei. Prediction of long-term creep behavior of epoxy adhesives for structural applications[J]. 2005.

 [6] Imanaka M, Liu X, Kimoto M. Comparison of fracture behavior between acrylic and epoxy adhesives[J]. International Journal of Adhesion & Adhesives, 2017,75:31-39.

 [7] Silva P, Valente T, Azenha M, et al. Viscoelastic response of an epoxy adhesive for construction since its early ages: Experiments and modelling[J]. Composites Part B Engineering, 2017,116:266-277.

 [8] CFRP板-鋼界面粘結性能試驗研究與數值模擬[J].

 [9] 李偉東, 張金棟, 劉剛, 等. 國產T800碳纖維/雙馬來酰亞胺復合材料的界面及力學性能[J]. 復合材料學報, 2016,33(7):1484-1491.

[10] Majda P, Skrodzewicz J. A modified creep model of epoxy adhesive at ambient temperature[J]. International Journal of Adhesion & Adhesives, 2009,29(4):396-404.

[11] 任慧韜. 纖維增強復合材料加固混凝土結構基本力學性能和長期受力性能研究[D]. 大連理工大學, 2003.

[12] Zhao X L, Zhang L. State-of-the-art review on FRP strengthened steel structures[J]. Steel Construction, 2008,29(8):1808-1823.

[13] Heshmati M, Haghani R, Al-Emrani M. Durability of bonded FRP-to-steel joints: Effects of moisture, de-icing salt solution, temperature and FRP type[J]. Composites Part B Engineering, 2017,119:153-167.

[14] Xia S H, Teng J G. Behaviour of FRP-to-steel bonded joints[J]. 2005.

[15] 陸新征, 葉列平, 滕錦光, 等. FRP-混凝土界面粘結滑移本構模型[J]. 建筑結構學報, 2005,26(4):10-18.

[16] Wu C, Zhao X, Duan W H, et al. Bond characteristics between ultra high modulus CFRP laminates and steel[J]. Thin-Walled Structures, 2012,51(2):147-157.

[17] Lu Y Y, Zhang X P, Tang Z Y. Creep Properties of CFRP-Steel Composites Subjected to Tensile Loads[J]. Advanced Materials Research, 2011,163-167:3591-3595.

[18] 盧亦焱, 張學朋, 唐志宇. 碳纖維布與鋼板粘結復合材料徐變性能試驗研究[J]. 建筑結構學報, 2011,32(9):123-129.

本項目學生有關的研究積累和已取得的成績      

曹水東老師在主講《工程力學試驗》課程中，除了教授課本基本試驗內容，同時注重我們視野的擴展，經常會將其科研團隊在該方面的研究試驗最新進展穿插其中，大大激發了我們的試驗興趣。并在李傳習教授所講授的《高等橋梁理論》課程中，對鋼箱梁存在病害及對策有較為全面的認識，激發了小組成員對膠粘加固鋼結構產生了濃厚興趣。項目組同學經常找老師或我們同學之間進行交流。      

本課題成員主要為2016級土木工程大類的大二本科生，其中有兩位同學分別承擔過校級科研課題，且均已參與了指導老師所在科研團隊前期一些相關的試驗研究基礎工作。      

第1承擔人桂羽彤大一期間參與了長沙理工大學學生科技立項項目“斜拉荷載作用下擴底樁的工程性狀”，并參與了結構模型競賽獲三等獎；曾參與了李傳習教授團隊國家自然基金項目試驗，培養了試驗基本技能，學習成績名列土木工程大類前茅，具備本課題研究所需的理論基礎和試驗基本技能。項目其他成員均成績優異，且部分同學參與過指導老師科研團隊的相關試驗工作，對實驗室條件熟悉，且參與科學研究的愿望強烈，均希望參與本課題，提高自己理論知識水平和增強試驗技能水平，加深對CFRP加固鋼結構的認識。      

項目的創新點和特色        

碳纖維增強復合材料（CFRP）修復鋼結構的研究為近年來國內外結構加固領域內的熱點， 其中的CFRP/鋼界面力學性能方面研究成果陸續有相關文獻報導，但均主要集中在其短期靜力性能、考慮各種環境因素后性能及抗疲勞性能，對于長期荷載作用可能產生的蠕變效應研究尚不多。本項目的主要創新點有：      

適用鋼結構加固用的環氧膠粘劑具有蠕變特性，且隨著持荷時間、荷載水平及服役環境變化，其特性表現較為復雜，而國內針對環氧膠粘劑長期蠕變性能的研究還未曾涉及，本項目首次擬開展適用于鋼結構加固用膠粘劑材料本體長期蠕變力學性能研究。      

國內僅有指導老師所屬科研團隊正在進行加固性能更優的CFRP板/鋼界面性能的相關研究工作，本項目擬對其長期蠕變性能的研究是在團隊研究基礎上的深入。      

項目的技術路線及預期成果      

1、技術路線        

本項目的技術路線如下：      

1項目實施前的調研：通過查閱和研究國內外文獻資料及工程應用現狀，了解和掌握已有的研究成果及應用現狀，發現研究的不足和工程應用中需解決的問題，確定本項目的研究方向和研究內容。      

2研究方案設計與實施：共分三個層次進行      

l 膠粘劑材料優選的力學性能試驗研究：在調研的基礎上，并結合指導老師研究團隊的研究情況，初步確定待優選的膠粘劑材料范疇，對待優選膠粘劑進行靜力拉伸強度、彈性模量、泊松比和剪切模量等力學參數及應力-應變曲線測定，結合橋梁鋼結構加固特點，優選出膠粘劑材料；      

l 膠粘劑本體材料的長期蠕變性能試驗研究：加工已選定膠粘劑本體材料試件，設計制作試驗加載裝置，通過長期荷載拉伸試驗測定不同荷載條件下（靜力極限荷載20%、35%、50%等）膠粘劑本體材料在不同加載時限內的蠕變應變。      

l CFRP板/鋼復合構件界面長期蠕變性能試驗研究：考慮不同膠粘劑類型、持荷時間、加荷幅值、初始應變等因素的影響，通過CFRP板/鋼雙剪試件進行拉伸試驗，采用千分表測量CFRP板表面與鋼板的相對滑移，并采用電阻應變片或數字相關技術（DIC）測量CFRP表面的應力的方式獲得板表面連續應力-應變場。      

3研究結果整理與提煉：對本項目試驗研究所獲取的結果進行分析研究，初步揭示出膠粘劑材料本體和在CFRP板/鋼加固應用工程應用中，長期蠕變的產生機理和性能特點，掌握長期荷載作用下可能產生的蠕變效應對加固效果的影響，使研究成果能用于指導工程實踐應用。      

本項目試驗研究流程為：      

項目實施前的調研→研究方案設計與實施→研究結果整理與提煉→項目結題。      

2、預期成果      

（1）依托本項目的研究結果，發表EI以上的研究論文1~2篇。      

（2）申請專利1-2項      

（3）通過膠粘劑本體和CFRP板/鋼復合雙剪試件的長期蠕變性能試驗研究，了解長期蠕變特性及其對加固效果的影響，為CFRP片材加固鋼（鋼混）結構長期性能提供試驗研究資料，用于指導工程實踐。      

3、試驗費用預算        

項目實施過程中的費用主要包括以下幾個方面：      

1）科研業務費      

①測試分析費：3000元      

②論文版面費：2000元      

2）試驗材料費      

①鋼板：3000元      

②CFRP及膠粘劑：6000元      

③應變片、線纜：1000元      

④百分表及應變儀借用：2000元      

3）資料、打印費      

①資料費：500元      

②打印費：500元      

4）學生勞務：2000元      

共計：20000元      

年度目標和工作內容（分年度寫）      

2018年5月~2019年4月      

①全面收集國內外關于膠粘CFRP加固鋼結構方面的試驗技術及理論成果，結合現有試驗條件，制定本項目的研究計劃方案。      

②進行試件及試驗加載裝置初步設計，購置所需的材料，并對加載裝置進行組裝，測試各個功能的可用性。      

③試件制作與養護。      

2019年5月~2020年4月      

①試驗的正式實施。      

②各測試元件的數據進行收集整理，分析得到試驗結論。      

③試驗報告的編寫及論文撰寫。      

指導教師意見      

項目申請人桂羽彤等同學是我在《工程力學試驗》課程教學中了解的學生，其理論功底扎實，試驗能力強，且學習中表現出對CFRP膠粘加固鋼結構產生濃厚的興趣和創新意識；且于2017年以來參與了我團隊試驗基礎工作，具有一定知識積累。他們在獲知本人所在科研團隊正在開展CFRP粘接加固鋼結構相關研究工作后，于年底開始與本人交流探討關于開展CFRP板膠接加固鋼結構長期蠕變性能試驗研究的初步構想，其小組成員共同努力，查閱了大量國內外文獻，于第二年的2月底提出了初步試驗方案，本人覺得方案經深化后可行，具有較大的學術價值與工程意義。      

鑒于此，本人同意申報。        

簽字：                   日期：