Напряженно-деформированное состояние стального стержня, усиленного при помощи углепластика, при действии повышенных температур

Углепластиковые пластины вполне возможно использовать для усиления изгибаемых стальных балок, однако, этот метод в значительной степени зависит от характеристик клеевого соединения, который является связующим между поверхностями углепластиковой пластины и существующего усиливаемого стального элемента.

В промышленном и гражданском строительстве при усилении стальных конструкций используются клеи на основе эпоксидных смол холодного отверждения. Значения температур стеклования находятся в диапазоне от 50 до 82°С [1]. Температура нагретой стальной балки может превышать эти значения в летний период, что, соответственно, приводит к преждевременному разрушению связующего слоя из углепластика. В клеевом слое между стальной балкой и фиброармированным полимером (ФАП) образуются высокие термические напряжения при суточных колебаниях температуры из-за значительной разницы в коэффициентах теплового расширения стали (10-12*10-6) и УФАП (1,7-1*10-6) в продольном направлении композитов [7]. Такие термические напря- жения могут превышать значения, возникающие при статическом нагружении [11]. Комбинированные эффекты термических напряжений и размягчения клея (стеклования) при повышенных температурах могут привести к преждевременному разрушению [4].

Основной целью данной работы является изучение изменения механических свойств адгезива вследствие изменения температуры и влияние этих изменений на механизм разрушения, предельную нагрузку и распределение напряжений в стальных балках, усиленных углепластиковыми пластинами.

Для достижения целей исследования были выполнены следующие задачи:

• -    изучены результаты статических испытаний на изгиб при температурах от 20 до 80°С на механизм разрушения и предельную нагрузку для анализа влияния температуры;

• -    проведен конечно-элементный анализ, предполагающий билинейное упругопластическое упрочнение адгезионного клеевого соединения.

Нагрев усиленной балки вызывает появление двух негативных факторов:

• -    дифференциальное расширение между пластиной из углепластика и металлом;

• -    стеклование клея, что снижает его прочность и жесткость.

Дифференциальное тепловое расширение вызывает высокие напряжения сдвига вдоль клеевого соединения. Анализ напряжений упругих связей (между металлом усиливаемого элемента и пластиной из углепластика) показывает, что для типовой схемы усиления термические напряжения сдвига могут быть больше, чем те, которые возникают от приходящейся на балку нагрузки [6]. Однако, последствия дифференциального теплового расширения и стеклования клея не оче- видны. Снижение адгезионной прочности при повышенных температурах сопровождается уменьшением адгезионной жесткости и увеличением деформационной способности, что может быть полезно для общей прочности адгезионного соединения.

На рисунке 1 показано, что на свойства композита не влияет повышение температуры до тех пор, пока не будет достигнута критическая температура стеклования ( T cr ), после чего происходит значительное снижение свойств из-за размягчения полимерной матрицы композита ФАП. Когда температура достигает температуры плавления ( T m ), нагрузку несут только волокна, поэтому дальнейшего снижения свойств не происходит и достигается остаточное значение ( P r ).

Температура,?

Рис. 1. Зависимость между свойствами ФАП и температурой

На рисунке 2 показан результат стеклования эпоксидного связующего клея. Это двухкомпонентный клей, специально предназначенный для склеивания углепластика. Снижение жесткости по сравнению с температурой, показанное на рисунке 2, было получено путем динамического механического анализа [14]. В переходе из точки А в точку Б от 40 до 65°C адгезионная жесткость снижается до 94% от значения при нормальной температуре, и это изменение, как правило, считается значительным для конструкции. Температура стеклования Tg [6] представляет собой отношение модуля потерь к модулю накопления (упрощенно, отношение пластиче- ской деформации к упругой деформации). Это дает Tg = 65°C в точке Б, для которого адгезионная жесткость составляет менее чем 10% от его значения при нормальной температуре окружающей среды.

Ряд исследователей предложили модели, которые предсказывают распределение напряжений клеевого соединения вдоль клеевого соединения между балкой и упрочняющей пластиной [3, 6]. Все эти модели основаны на принципе линейноупругого анализа, который учитывает условия равновесия и совместимости по клеевому соединению, предсказывает распределение напряжения сдвига и отслаивания в клеевом соединении. В Ansys

Mechanical присутствует билинейная модель напряжения сцепления, которая включает изменение свойств адгезива с изменением температуры. Анализ и расчет аналогичен предыдущим исследованиям, но также включает составную реакцию адгезива, показанную на рисунке 3.

Рис. 2. Потеря жесткости эпоксидного связующего при переходе через температуру стеклования

Рис. 3. Модель изменения механических характеристик клеевого соединения при изменении температуры

Клей идеализирован как эластопластич-ный материал с модулем упругости Е и прочностью на сдвиг τu (табл. 1), которые уменьшаются с повышением температуры. При 20°C клей является хрупким, а при повышенных температурах подвергается пластической деформации перед разрывом, моделируемой горизонтальной площадкой текучести [2]. Жесткость и прочность клея выводятся из данных по стеклованию по рисунку 2. В текущей модели расслоение не фиксируется, однако, ниже будет видно, что деформирующая способность клея не обязательно определяется разрушением. Следует отметить, что конститутивная модель на рисунке 3 не отражает всю сложность клеевого соединения при повышенных температурах; в частности, в нем не учитываются зависящие от времени эффекты, такие как ползучесть или повышение температуры стеклования вследствие нагрева после отверждения. Предполагается, что стальная балка остается эластичной (действительно для слу- чая, рассмотренного ниже), а в центре балки применяется упрощенное граничное условие.

Конечно-элементная модель включала двутавровую стальную балку, усиленную с использованием углепластика и нагруженную двумя сосредоточенными нагрузками, а также подвергнутую термическому воз- действию. Расположение, размеры и основные свойства балки показаны на рисунке 4 со значениями, указанными производителем углепластика и эпоксидного клея. Нагрузка прикладывалась в равноудаленных от центра точках пролета сверху, а нагрев производился в нижней части упрочняющей ламели.

Рис. 4. Схема нагружения

Механические свойства стальной пластины приняты по табл. В.4 СП 16.13330.2017 [9], для стали С340Б. Лист углепластика является материалом с однонаправленными волокнами [8]. На все ис- пытуемые образцы был нанесен двухкомпонентный эпоксидный клей с температурой стеклования Tg = 60°C. Материальные свойства этих двух адгезивов и клея сведены в таблицу 1 [5].

Таблица 1. Характеристики материалов

Материал	олщина, мм	Модуль упругости, ГПа	асчетное сопротивление растяжению, МПа	Прочность на сдвиг, МПа
тальная балка	-	205,0	350	-
ФАП	0,111	252,0	-	-
леевой состав	-	2,4	-	21

Сдвиговые и нормальные напряжения в адгезивном слое между стальной балкой и углепластиковой пластиной при термических и механических нагрузках рассчитывались на основе аналитических моделей и моделей конечных элементов (КЭ) [10, 13].

Расчет касательных и нормальных напряжений для усиленной балки выполнялся от сосредоточенных нагрузок (90% от разрушающей нагрузки при 60°С) при различных температурах, КЭ-моделей.

Результаты анализа показаны на рисунках 5 и 6, которые отображают деформации в зависимости от температуры пластины. Значительное изменение показателей произошло с 40°C и до разрушения при 64°C. Проскальзывание происходит по всей наблюдаемой длине клеевого шва.

Адгезионные материалы показали значительное снижение прочности и жесткости в сочетании с нелинейным поведением по мере достижения температуры адгезионного стеклования Tg. Таким образом, разрушающая нагрузка усиленной балки значительно снижалась при Tg, с изменением механизма разрушения. Длина пластической зоны зависела от нескольких параметров, включая модуль упругости и толщину углепластиковой пластины, приложенную нагрузку и температуру. Изучение этих параметров показывает, что можно избежать расплавления углепластико- вых пластин при экстремальных температурах, используя более тонкие и длинные образцы с высоким модулем [13]. Клей, используемый в данной модели, теряет большую часть своей прочности и жесткости при температуре 60°C.

На рисунках 5 и 6 показаны кривые «нагрузка-деформация» для всех образцов при температурах от 20 до 80°C. Все кривые изменяются линейно от начального нагружения до окончательного разрушения.

Рис. 5. Кривые «нагрузка-деформация» нормальных усилий при изменениях температуры

В диапазоне от 20 до 60°C результаты показали постепенное снижение прочности связи по мере повышения температуры. Средние значения прочности 53,3 МПа. При превышении температуры TG (60°C) наблюдалось значительное снижение предельной нагрузки. Наиболее резкое падение наблюдалось при 40°C из которых остаточная прочность соединения составляет всего 3,39% от первоначальной прочности при 20°C. Это означает, что между листами из углепластика и стальной пластиной практически нет прочности сцепления. Это согласуется с результатами, полученными другими авторами [12, 13].

Рис. 6. Кривые «нагрузка-деформация» срезающих усилий при изменениях температуры

Выводы. Результаты исследований, представленные в данной статье, показывают, что повышенные температуры могут значительно снизить прочность стальной балки с усилением из ФАП. Необратимая деформация скольжения происходит по клеевому соединению до разрушения из-за стеклования клея. Значительные деформации наблюдались при температуре около 40 °C, что существенно ниже температуры стеклования клея по [6] (65 °C). Это приводит к потере функционального назначения клея и уменьшению его несущей способности, жесткости и увеличению деформаций. Таким образом, нагрузка переносится между упрочняющей пластиной и поверхностью балки по длинной стороне соединения, дальнейшие последствия стеклования клея для данной модели балки не рассматривались. Аналитические результаты показывают удовлетворительную сходимость с экспериментальными результатами, однако, требуется дополнительные исследования деформационной способности клея при повышенных температурах и зависящих от времени воздействий.