CFRP再制造起重机钢结构技术分析

1 CFRP再制造钢结构技术起重机在国民的生产和建设中起着极大的作用，我国是起重机制造及使用大国，每年有许多起重机面临报废的问题，既提高生产建设成本，也浪费资源。

而且起重机主要由钢结构组成，结构特殊，作业工况复杂。

起重机机体结构故障多为金属裂纹损伤，一旦发生断裂失效，将会造成较大人员伤亡和巨大的经济损失。

利用再制造中复合材料胶接技术对损伤钢结构进行再制造可有效减少以上问题。

纤维增强复合材料（Fiber Reinforced Polymers，FRP）起初用于加固混凝土结构，而在钢结构的应用上起步较晚。

在钢结构领域，FR P最早应用于加固军用飞机损伤结构。

20世纪末，国外首先开始研究FR P加固金属结构，而国内在20世纪90年代也发展了一些基础技术。

在FR P材料种类的选择上，国外的研究大多采用的是硼/环氧树脂复合材料，该材料与金属板的热匹配性好，较多的降低了结构中的残余热应力。

且其导电性能差，不会发生电化学腐蚀。

但该材料制作成本比较高，加工较为困难。

在国内多数使用的是碳纤维增强复合材料（Carbon Fiber Reinforced Ploymers，CFRP），该材料制作成本较低，易于加工，能制作弯曲半径较大的补片，为复杂外表结构件的加固提供了可能。

碳纤维增强复合材料再制造钢结构，是指将以碳纤维为增强体，以树脂为基体所形成的增强碳纤维布或者板粘贴到结构损伤或薄弱部位，利用碳纤维高强度、高模量等优点，达到恢复、提高结构承载能力，延长钢结构使用寿命等目的。

采用CFR P对钢结构进行再制造，与其他传统的加固方法相比，其具有显著的优势[1]：1）CFR P的比强度和比模量高，加固后基本上不改变原结构的自重和尺寸；2）CFR P再制造方法无需使用复杂的设备，施工简便，劳动强度低，可以在狭小空间内完成作业；3）CFRP再制造方法不需要对原结构钻孔或焊接，不减少原结构横截面尺寸，不会带来新的应力集中；4）CFR P可现场成形，特别适合于复杂形状部位的加固；5）CFR P具有良好的抗疲劳性能，特别适用于局部损伤和腐蚀的钢结构的加固。

到目前为止，国内外在CFRP加固钢结构的研究应用仍处于初级阶段。

当前的研究重点主要集中在以下方面：（1）CFRP与钢结构的粘接性能，包括载荷传递和失效形式等；（2）CFR P与钢的表面预处理；（3）钢结构梁的弯曲强化；（4）钢结构的疲劳强化，主要是对疲劳寿命的研究；（5）CFRP加固钢结构的耐久性。

2 CFRP再制造钢结构性能研究2.1 粘接特性通常，将CFRP粘接到钢结构表面，载荷将会沿着复合材料的长度方向进行传递，在钢结构上引起的应力集中较小。

另外，CFRP与基材之间的连续粘接能够实现通过胶层厚度方向传递载荷的复合作用。

文献[2]指出，CFRP与钢表面的粘接机制有如下4种：1）物理结合，2）化学结合，3）扩散或相互扩散理论，4）机械互锁理论。

通常，CFRP材料与钢结构表面之间最有效的粘接是通过吸收机制和机械互锁机制形成的[3]。

而且，对钢表面进行预处理可以取得耐久性好的化学粘接[4]。

C F R P再制造起重机钢结构技术分析Analysis of Technology of CFRP Remanufacturing Steel Structure of Cranes江苏省特种设备安全监督检验研究院黄凯/HUANG Kai南京工业大学车辆与工程机械研究所殷晨波/YIN Chenbo 胡模/HU Mo 许明阳/XU Mingyang摘　要：因碳纤维增强复合材料CFR P比强度和比刚度高的优势，使得再制造胶接技术成为再制造领域中的关键技术，并在起重机钢结构的再制造中得到了推广。

本文介绍了CFR P再制造技术相比于传统机械修复技术的优势。

并分析了当前研究的重点，论述了CFRP再制造技术提高钢结构的强度与性能的关键。

最后，总结了该技术当前存在的问题，为以后的发展方向提供参考。

关键词：CFRP 再制造起重机钢结构492019.03建设机械技术与管理Xiao和Teng[5]的研究表明，胶层厚度对粘接效果有显著影响。

当胶层厚度超过2mm时，发生了一种被认为是脆性断裂的CFR P分层剥离的失效模式，在实际应用中应避免这种失效模式。

不同的是，使用薄的胶层时，CFR P剥离破坏模式为粘接剂的延性破坏，具有高延展性的粘接剂能够在加载期间有效地分布应力[6]。

此外，当CFR P板和粘接剂层的厚度减小时，粘接强度增加[7]。

AL-Emrani[8]等人发现，CFRP刚度的降低会使得粘接强度增大，并且CFR P的刚度对断裂模式和极限承载能力有显著影响。

而EL-Hacha[9]等人指出，使用高模量CFRP板产生的延展性小但是承载能力较高。

实际上，当在钢/CFR P接头上作用载荷时，钢与CFRP板之间会发生滑移，这使得系统的粘接特性更加复杂。

由Fawzia和Karim[10]建立的分析模型表明，滑移和剪切应力之间具有线性关系，并且在CFR P板的端部会有应力集中。

文献[11]指出对CFR P板端部进行反向锥形或者斜切处理可有效降低端部剥离应力。

另外，在CFRP板上添加钢板或夹具可改善粘接性能。

2.2 表面预处理表面预处理是控制粘接接头质量最重要的步骤之一。

可采用多种有效的技术对CFRP和金属材料进行表面处理，如机械、化学、电化学和热处理。

对钢结构进行适当的表面处理会形成无污染的粗糙表面，并增强钢与粘接剂之间化学键的形成。

几乎所有的处理方法都会引起表面粗糙度的变化，但喷砂处理是钢表面制备的最有效的技术之一。

喷砂处理去除了钢表面的弱界面层并改变了其化学特性[12]。

喷砂处理与电化学处理结合使用可使得粘接强度更高且耐久性强[2]。

然而，喷砂处理应该在不引起微观裂纹或其他损坏的情况下进行，否则会导致粘接强度的降低。

同样地，Dawood和Rizkalla [13]研究表明，使用硅烷偶联剂进行钢表面处理可显着提高粘接耐久性。

另外，表面粗糙度的大小对粘接强度有显著影响。

一般地，在一定粗糙度范围内，粘接界面的基础面积越大，粘接强度越高，但是当粗糙度超过一定值以后，粘接界面上会产生气泡的缺陷，因此粘接强度又会降低[14]。

2.3 钢结构梁弯曲强化在梁结构的受拉面粘贴FR P不仅可以提高结构的极限载荷还能提高梁的刚度，尤其是使用高模量的CFR P。

后者意味着在相同的载荷下梁的应变减小，并且梁的第一次屈服被延迟。

使用CFRP加固的梁结构通常发生如下失效模式：1）面内弯曲失效；2）侧向屈曲；3）板端脱粘；4）局部开裂或远离板端部而产生的中间剥离；5）压缩法兰的局部弯曲。

应当注意的是，在CFRP强化之前局部屈曲模式的失效并不是梁失效的主要模式，但是在强化之后这种失效模式却要尤为关注，特别是在仅使用CFR P 加固张力凸缘的时候。

这是因为在梁发生其他模式失效之前，压缩法兰或腹板将要承受更高的载荷，但是梁抵抗局部屈曲的能力并没有因粘贴CFRP而增强。

2.4 疲劳加固CFRP再制造钢结构最重要的目的之一就是提高结构的疲劳寿命。

结构在动态载荷下除了会造成裂纹扩展导致结构失效，还会造成胶层的疲劳失效。

在断裂力学中通常采用应力强度因子（SIFs）来描述裂纹尖端的应力状态，疲劳强化的目的是要降低裂纹尖端的SIF，从而提高结构的疲劳寿命。

可以使用高刚度的CFRP和高模量的粘接剂来降低SIF。

Liu[15]研究发现使用CFRP加固的钢结构的疲劳寿命起初随着补片的加长而增加，但是当粘贴长度达到一定值L之后，加固结构的疲劳寿命不再增加。

Tavakkolizadeh 和 Saadatmanesh 对六根制有切口并使用CFRP带加固的横梁进行了循环加载测试，结果证实CFRP加固使结构疲劳寿命提高了三倍以上。

Wu[16]等人对CFRP加固的钢结构梁进行了测试，结果表明，使用CFRP加固的梁的疲劳寿命增加了3.33～5.26倍，而焊接钢板加固梁疲劳寿命提高约为1.7倍。

此外，用CFRP板加固梁结构有助于减少由于过载和疲劳造成的残余挠度。

使用预应力CFRP加固含裂纹钢结构亦可显著提高结构的疲劳寿命[17]。

通过对CFRP预先施加拉应力，会在与之粘接的钢结构中引入压应力，这将会抑制裂纹的扩展。

但是，使用CFRP单面加固薄壁零件时，刚度太大的补片会引起钢板平面外弯曲，这将导致CFRP 提前剥离，而补片在裂纹尖端处剥离将导致SIF显著增加。

2.5 再制造结构的耐久性影响再制造结构耐久性的两个主要因素为温度和湿度。

此外，诸如湿/干和热循环，冻融，化学腐蚀和紫外线辐射等因素也可能对结构具有不利的影响。

以上提及的不利因素的组合会进一步降低再制造结构的耐久性。

通常，高温环境会对CFR P/钢粘接系统有不利影响。

尽管碳纤维耐高温，但是基质树脂往往对温度更502019.03CMTM加敏感。

实际上，当温度超过玻璃化转变温度（Tg）时，聚合物基质的强度和刚度将迅速降低，导致CFR P机械性能降低。

同样地，补片与钢板之间的环氧树脂粘接剂层对温度也很敏感，因而高温环境中的CFR P/钢粘接系统的机械性能极大地受到粘接剂的影响。

一般来说，碳纤维吸水性能极弱，水分对其机械性能的影响极小。

但是，CFRP基质树脂吸水性能却比较强，基质树脂中的水分会降低玻璃化温度并导致基质失效。

另外，吸收的水分在长时间内会导致不可预测的结构变形，降低结构的耐久性。

3 结语通过现有研究，CFR P再制造技术能够有效提高钢结构的静态强度与疲劳性能。

随着越来越多的研究和更可靠的设计指南的出现，该技术也有望在起重机钢结构中得到越来越广泛的应用。

根据本文的讨论，该技术还存在以下问题：1）应该对钢表面处理和表征进行更多的工作，建立一种广泛接受的实践方法，以应对粘接剂/钢界面处的失效。

2）粘接层是再制造系统中最薄弱的环节，粘接剂的选择不仅要考虑短期机械性能，还需要考虑其长期耐久性和施工现场处理的便利性。

对于材料研究人员，开发出适合CFR P强化钢结构的粘接剂将会促进再制造技术的发展。

3）在提高结构疲劳寿命的应用中，CFR P的刚度是关键参数。

使用预张紧的补片加固含裂纹钢结构以提高其疲劳寿命非常有效，但是尚未建立预张紧和锚固这种CFRP板的简单有效的方法。

参考文献[1] 申传瑞,尚金龙,张富强.谈应用于钢结构中的碳纤维增强复合材料性能[J].山西建筑,2016,42(20):94-95[2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11][12] [13] [14] [15] [16](略) [17] 余周辉,胡芳友,崔爱永.FRP加固金属结构技术应用研究进展[J].装备环境工程,2018,15(02):24-31.修井二层台排管机械手虚拟样机设计High-Capacity Racking Platform Pipe-handling Robot Virtual Prototype Design冀东油田公司井下作业公司赵长海/ZHAO Changhai三一集团湖南分公司胡送桥/HU Songqiao 马亚静/MA Yajing摘　要：修井二层台排管机械手旨在替代井架工完成管具从二层台指梁到井口中心的高效往复移动，实现二层台无人化值守，尤其适用于4500m以上深井的修井作业。