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应用探析▕ DIC在CFRP-钢板界面粘结性能研究中的应用

1.研究背景

碳纤维增强聚合物(Carbon fiber reinforced polymer， CFRP)因其卓越的力学性能和耐腐蚀性被广泛应用于钢结构的加固工程中。

研究表明 CFRP 与钢结构之间的界面粘结性能对于加固效果影响较大，故需对CFRP-钢结构界面剪切滑移性能进行研究。传统测量方式是通过在CFRP表面贴应变片，粘贴会存在间距，致使测量结果离散，且操作繁琐，成本高昂。

数字图像相关技术DIC作为一种非接触式光学测量手段，基于数字图像相关和双目视觉测量原理重建被测物表面点在变形前后的三维空间坐标，进而获取形貌与变形信息，与应变片比具有可视化、全场连续动态测量等特点。

2.试验简介

研究人员通过双剪试验，采用千眼狼3D-DIC非接触应变测量系统，研究3类温度（-10°C、25°C、60°C），3类湿度（30%、60%、90%），4种粘结长度（40mm、60mm、80mm、100mm），2种胶层厚度（0.5mm、1mm）对CFRP-钢界面的剪切应力分布，并通过平滑法拟合其剪切-滑移本构关系。

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图1 CFRP-钢板试件

3.试验步骤

1）按3类温度、3类湿度、4种粘结长度、2种胶层厚度四个维度有效搭配，准备共计56个双剪试件，试件由两块钢板、两块CFRP板通过粘结剂粘结组成。如图1所示。

2）将待观察应变的一侧CFRP板打磨后喷白色哑光漆，粘贴散斑。如图2（左）所示。

3）使用500kN疲劳试验机加载，速率0.2mm/min，采集频率100Hz。

4）利用标定板对试件标定，确定CFRP板上散斑点位置与软件中对应点的位置关系。

5）采用千眼狼3D-DIC非接触应变测量系统，以1Hz频率与疲劳试验机同步采集，记录加载过程中CFRP板的应变分布变化。如图2（右）所示。

6）加载结束后使用千眼狼3D-DIC软件计算CFRP表面应变数据。

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图2试件制作步骤及加载装置

4.试验部分数据

图3为-10°C、100mm粘结长度、0.5mm胶层厚度、30%湿度下试件在不同载荷下，用千眼狼3D-DIC技术捕捉的不同载荷下应变分布的演化过程和局部应变和应力集中现象。起初，应变主要集中在加载端，呈现出高应变梯度。随着荷载增加，应变影响区域逐渐向自由端扩散，表明剪应力界面的影响区域逐渐增大。

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图3 DIC应变云图

根据3D-DIC分析数据，可获得每个试件拉伸时CFRP的轴向应变数据。图4 为A（-10°C）、B（25°C）组中4个存在应变软化试件的应变分布曲线。以峰值载荷Pu 为依据，依次绘出0.2 Pu、0.4 Pu、0.6 Pu、0.8 Pu、Pu 的应变分布曲线。初始加载阶段，轴向应变主要在加载端附近高度集中，且最大应变随着施加载荷的提升而增加。当荷载达到特定值，界面剥离的迹象便显现，随后最大应变趋于稳定并在一定区间内波动。

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图4 部分应变软化试件轴向应变分布曲线

5.研究总结

研究基于双剪试验探析温湿度养护环境对CFRP与钢板界面粘结性能的影响机理。分析温度、相对湿度、粘结长度、胶层厚度因素对粘结性能的影响，采用3D-DIC技术获得CFRP板表面的应变场，分析静载拉伸过程中CFRP-钢板粘结界面力学性能及破坏过程。

试验结果表明：60°C与60%相对湿度养护条件下粘结峰值载荷较高；低温和高湿环境易致界面失效；温度升高和湿度增加均会导致界面剪应力峰值降低与滑移量增加；粘结长度的增加有助于分散区域应力，较薄的胶层有助于提高界面剪应力峰值和改善应力分布。研究为CFRP加固钢结构的工程应用提供理论支持和设计参考。文章来源《温湿度养护环境对CFRP-钢板界面粘结性能的影响》

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