CFRP加固修復鋁板結構的載荷傳遞效果

余周輝， 趙培仲， 胡芳友

(海軍航空工程學院 航空機械系，山東 青島 266041)

纖維增強復合材料(fiber reinforced polymer，FRP)粘接技術是一種優質高效的結構修復技術，不僅可以修復復合材料損傷結構，而且可以很好修復金屬損傷結構。與傳統的機械修復方法相比，FRP粘接修復金屬結構具有結構增重小、耐疲勞和耐腐蝕性能好、效率高成本低等明顯優勢，具有很大的應用前景[1-4]。國內外對FRP加固混凝土結構進行了大量研究并取得廣泛應用[5-6]，但對鋼結構及鋁結構的研究和應用還較少。

FRP粘接修復損傷金屬，是利用膠粘劑將FRP粘貼到損傷部位，使部分載荷通過膠層傳遞給FRP，降低損傷部位的應力，延緩損傷擴展，起到恢復載荷的作用。載荷傳遞是通過FRP與金屬之間的粘接界面和膠層的剪切變形實現的。與FRP和金屬結構相比，膠層與界面屬于薄弱環節，修復構件容易在此部位發生破壞，造成修復構件的過早破壞，降低復合材料的利用率[7-8]。因此，研究載荷如何通過膠層傳遞到FRP以及粘接界面的破壞機理顯得尤為重要。Baker等[9]采用硼/環氧樹脂復合材料來修復含裂紋的金屬結構，研究了修復結構界面脫膠對修復效果的影響，結果表明：脫膠出現在金屬板裂紋的周圍，脫膠裂紋出現在界面上而不是出現在膠層內部，脫膠導致裂紋擴展速率增大。蔡洪能等[10]通過FRP補強疲勞損傷鋼結構裂紋擴展研究，比較了不同鋼結構表面處理對FRP與鋼結構界面粘接強度及對疲勞裂紋擴展速率的影響。Katsuyoshi等[11]對鋼結構與FRP界面傳遞問題進行了實驗研究并對FRP有效粘接長度進行理論推導。楊勇新等[12]通過對碳纖維布加固鋼結構的粘接性能研究，分析了補片加固方式及補片類型對碳纖維布與鋼板之間粘接應力分布的影響。彭福明等[13]通過有限元方法，對FRP與鋼結構之間的載荷傳遞效果影響因素進行系統分析，并提出部分改善載荷傳遞效果的措施。馬建勛等[14]對粘貼不同面積FRP的鋼板進行單軸拉伸試驗，研究了FRP粘接面積對試樣承載能力和延性的影響，并對FRP和鋼板協同工作問題進行了探討。盡管上述研究已經取得一些成果，但是FRP與金屬結構的粘接端部和損傷區域均存在嚴重的應力集中，會導致相關理論推導及其困難，對實驗測試技術要求也極其嚴格。因此，界面粘接機理及破壞準則還有待深入研究。本研究采用碳纖維布加固修復鋁板并進行靜力拉伸試驗，通過測量碳纖維布的應變分布，研究碳纖維布與鋁板之間的載荷傳遞及破壞過程，為碳纖維布加固修復鋁合金結構提供實驗基礎。

1 實驗材料及方法

1.1 實驗材料

鋁板構件選取廣泛應用的硬鋁(LY12)，增強體為SM340型碳纖維布，材料參數見表1。基體為脂環族環氧樹脂(UVR6110)，材料參數見表2。

表1 鋁板及碳纖維布主要力學性能Table 1 Mechanical properties of carbon fiber sheet and aluminum alloy

表2 樹脂主要力學性能Table 2 Mechanical properties of resin

1.2 實驗設計與制備

共設計了兩種類型的試樣：(1)粘接加固無損傷鋁板，記為A類試樣；(2)粘接修復損傷鋁板，記為B類試樣。A類試樣由LY12鋁板裁成，尺寸為200 mm×35 mm×1.5 mm，用來研究加固無損傷鋁板在受拉伸載荷作用下加固效果及碳纖維布應變變化規律，完好未加固對比試樣記為A0，分別采用單面和雙面加固，具體粘接方式如1(a)所示。B類試樣是在LY12鋁板裁成的200 mm×35 mm×1.5 mm式樣中心鉆8 mm的貫穿圓孔模擬損傷，來研究碳纖維布層數、長度及加固方式等因素對修復效果及載荷傳遞過程的影響，損傷未修復對比試樣記為B0。B類粘接修復方式見圖1(b)，實驗設計方案見表3。

表3 試樣設計Table 3 Design of specimen

Notes: the first letter “A” indicates intact aluminum plate ，“B” indicates damaged aluminum plate； the second letter “C” indicate CFRP； the number “2” indicates 2 layers and “60” indicates patch length of 60 mm；letter “S” indicates single-sided adhesive， letter “D” indicates double-sided adhesive.

為保證可靠粘接，粘接前需對鋁板表面進行一定的表面處理：先清洗鋁板，干燥，再對鋁板進行噴砂處理以除去其表面的污染物，用乙酸乙酯清洗后再將試樣放入干燥箱加熱烘干。采用濕法鋪設，將樹脂均勻涂敷在鋁板表面，按表3方案逐層鋪設，粘貼FRP補片。為保證膠層樹脂厚度的一致性，用一定重量的鋁板擠出多余的樹脂并及時清除。最后將修理試樣置于1000 W高壓汞燈25 mm處，輻照15 min固化。

應力測試采用DH3817F動靜態應變測試分析系統，應變片為BX120-3AA型電阻應變片。 A類試樣主要是測量粘接區域內應力分布情況，應變片分布方式為：從距離端部5 mm開始，每隔10 mm粘接一個應變片，測點的布置如圖1(a)所示。B類試樣主要是測量端部至損傷區域應力分布，損傷區域屬于不連續區域，容易造成應力集中，在損傷區域附近多粘貼應變片測量該處應變，具體測點布置如圖1(b)所示。

采用WDW-1型萬能拉力機測試修復試樣的拉伸性能，測試溫度為室溫。采用位移控制方式，拉伸速率為5 mm/min，實驗時每種試樣制作5個，結果取平均值。

2 結果與分析

2.1 試樣破壞過程及特征

當載荷增加到某一值，粘接層界面發生破壞，破壞位置的FRP處于自由狀態，該處測點應變值發生突變，該應變對應的載荷記為開裂載荷。根據這一現象，觀察記錄不同試樣的開裂載荷及破壞特征，試驗結果見表4。從表4結果可以看出，對于A類試樣，采用雙面粘貼試樣的開裂載荷要略大于單面粘貼試樣，極限載荷較為接近。B類試樣開裂載荷隨補片層數呈先上升后下降的趨勢，隨補片長度增加而逐漸增加。與加固完好試樣不同的是，B類試樣采用雙面粘貼后，其開裂載荷與極限載荷均有明顯提高。

本測試得到的破壞形式可以分為兩類：(1)A類試樣無論采用單面或雙面粘貼，破壞均起源于補片端部，主要發生膠層與鋁板間的界面剝離破壞，破壞形態如圖2所示。表現為加載初期，碳纖維布與鋁板共同受力，當載荷增加接近開裂載荷時，碳纖維布從端部開始剝離，之后破壞向中間擴展，最終纖維布大部分從鋁板剝離，之后鋁板從中間處被拉斷；(2)B類修復試樣破壞起源于損傷處，除了試樣B-C-2-60-S為纖維布拉斷破壞，其余主要發生膠層-鋁板和膠層-纖維布界面的混合剝離破壞，破壞形態如圖3所示。從圖3可以看出，纖維布表面殘留少量的樹脂，鋁板表面有少量纖維絲。表現為加載初期，FRP補片與鋁板共同受力，當載荷接近開裂載荷時，損傷處應變最先發生突變，表明破壞起源于在損傷處。之后破壞向損傷區域周邊擴展，該區域補片失去對鋁板的約束作用，這一過程載荷出現一定的波動。繼續增大載荷，纖維布端部開始剝離，破壞向剝離一方迅速擴展，最終首先發生破壞的一端補片完全從鋁板剝離，失去對鋁板的約束作用，鋁板于損傷處被拉斷。

SampleCrackingload/kNUltimateload/kNA-C-3-60-S20.4424.53A-C-3-60-D20.9524.28B-C-2-60-S—21.17B-C-3-60-S19.4621.89B-C-4-60-S20.4422.24B-C-5-60-S20.1721.75B-C-3-80-S18.6220.67B-C-3-100-S19.7821.91B-C-2-60-D21.5123.44

圖2 CFRP加固完好試樣的破壞Fig.2 Failure of CFRP reinforced intact specimen

圖3 CFRP修復損傷試樣的破壞Fig.3 Failure of CFRP reinforced damaged specimen

2.2 CFRP修復結構力學性能分析

加載過程中，采用不同的修復工藝對試樣拉伸性能有明顯影響。圖4(a)～(d)分別為采用單雙面加固完好試樣、不同粘貼層數修復損傷試樣、不同粘接長度修復損傷試樣和單雙面修復損傷試樣的載荷-位移曲線。從圖4(a)可以看出，試樣A-C-3-60-S和A-C-3-60-D載荷-位移曲線可分為線性變形、屈服、強化幾個階段。與對比試樣A0相比較，加載初期，載荷-位移基本呈線性增長，曲線斜率有所增加；當載荷增加至A0試樣屈服載荷時，試樣A-C-3-60-S和A-C-3-60-D載荷-位移曲線仍處于線性階段，表現為屈服載荷的提高；之后進入屈服階段，此時變形開始顯著增長而載荷出現一定的波動，該階段也正是補片逐漸剝離的過程。補片與鋁板的剝離使得剝離處補片失去對鋁板的作用，載荷重新分配，曲線出現一定的波動。表5為CFRP加固完好試樣拉伸性能。從表5可以看出，CFRP加固完好試樣，試樣A-C-3-60-S和A-C-3-60-D的屈服載荷與斷裂伸長率有明顯提高，彈性模量也有所增加，而極限載荷變化不大。分析原因主要是在剝離之前，粘接區域碳纖維布分擔鋁板的部分載荷，粘接區域鋁板的應力較未粘接區域鋁板應力低，表現為在相同載荷下，粘接區域的應力低于未粘接區域鋁板應力，延遲了鋁板的屈服，因而試樣A-C-3-60-S和A-C-3-60-D的屈服載荷得到提高。當試樣發生屈服后明顯進入一段強化階段，補片也從端部開始剝離，剝離區域所承擔的載荷重新分配給鋁板，因而鋁板的極限載荷變化不大。

圖4 不同修復方式對鋁板拉伸力學性能的影響 (a)單雙面加固完好試樣;(b)不同粘貼層數修復損傷試樣; (c)不同粘接長度修復損傷試樣;(d)單雙面修復損傷試樣Fig.4 Influence of different repair methods on the tensile properties of aluminum alloy (a)influence of single and double sided on repair effect of intact sample;(b)influence of layers on repair effect of damaged sample;(c)influence of length on repair effect of damaged sample;(d)influence of single and double sided on repair effect of damaged sample

SampleYieldload/kNUltimateload/kNStrain/%A019.6424.3211.9A-C-3-60-S20.67(+5.24)24.53(+0.82)13.2(+10.92)A-C-3-60-D22.14(+12.74)24.28(-0.34)13.8(+15.97)

從圖4(b)～(d)可以看出，CFRP修復損傷試樣僅出現線性、強化階段，未出現明顯的屈服階段。表6為CFRP修復損傷試樣拉伸性能。從表6數據可知，與損傷未修復對比試樣B0比較，修復試樣的極限載荷提高了27.2%～44.2%；增加補片長度對提高載荷影響不大，但伸長率有不同程度的提高；補片層數對修復效果有明顯影響，當補片層數未超過4層時，承載能力隨補片層數增加而增加；當層數達到5層時，極限載荷有所下降，斷裂伸長率明顯降低，補片層數的增加未能起到提高承載能力的效果。這一方面是因為補片層數的增加，使得補片剛性增加，相同載荷下，層數多的補片形變更小，即不同層數的補片達到相同應變時，層數多的補片將承擔更多的載荷，有效減少粘接處鋁板的負載。這使得端部不連續區域和損傷部位的應力集中得到緩解，延緩損傷的擴展，最終提高修復構件的承載能力，同時，斷裂伸長率也得到提高。而另一方面，補片層數增加會引起膠層剪切應力和剝離應力的增加，補片的剛度也隨之增加，補片與損傷構件之間的變形協調變得更加困難，材料制作缺陷也會增加。而且對于某一樹脂膠粘劑而言，其剪切強度是一定的，即膠層能傳遞的最大載荷是一定的，因而試樣承載能力不會隨補片層數增加而無限增大，反而會因為剪切應力和剝離應力的增加造成補片過早的剝離失效，降低修復效果。最終補片層數增加引起的修復效果變化主要就是以上兩方面結果的綜合。

2.3 載荷傳遞效果分析

2.3.1 粘接方式對完好試樣載荷傳遞效果的影響

圖5為試樣A-C-3-60-S和A-C-3-60-D碳纖維布開裂側載荷-時間變化曲線。從圖5可以看出，碳纖維布加固完好鋁板，纖維布端部應變最先發生突變，表明破壞起源于端部。在加載初期，碳纖維布的應變隨時間基本呈線性增長，當載荷達到一定值后(開裂載荷)，端部處測點1應變突然下降，試樣A-C-3-60-S其他測點應變增加速率加快，而試樣A-C-3-60-D開裂同側各點應變未發生明顯突變。這是因為端部發生破壞后，對于單面加固試樣，原本由該處補片承擔的載荷將分配到未破壞補片，表現為未破壞區域補片載荷增加，因而測點應變突然增加。采用雙面粘貼后，未開裂側補片很好的分擔了自由區域釋放的載荷，因而開裂側測點應變未發生明顯突變。隨后各測點的應變又開始隨載荷增加而增加，持續一段時間后，各點應變幾乎同時下降，表明破壞已擴展至整個膠層，之后碳纖維布應變迅速下降，補片完全失去對鋁板的約束。

表6 CFRP修復損傷試樣測試結果Table 6 Test results of the damaged specimen CFRP repaired

圖6為CFRP加固完好試樣各級載荷下碳纖維布的拉伸應變。從圖6可以看出，無論采用單面、雙面加固鋁板，在各級載荷作用下，試樣的應變傳遞只發生在一段距離內，這個距離就是碳纖維布的有效粘接長度[12]。從圖6可以很明顯地看出，采用單面、雙面粘接試樣碳纖維布的有效粘接長度大概為15 mm，超過15 mm后，碳纖維布的應變變化很小，幾乎不傳遞剪應力，表明粘接方式對碳纖維布的有效粘接長度影響不大。而從碳纖維布的應變來看，同一載荷下，采用雙面粘接試樣碳纖維布的應變明顯低于單面加固試樣，同時應變梯度減緩。這是因為原本由單面碳纖維布承擔的載荷均勻分給了雙面碳纖維布，膠層的剪切變形減少，應變降低。這與采用雙面粘接的試樣開裂載荷有所增加，對應的開裂應變也有所降低的試驗結果是一致的。

圖5 開裂側測點應變-時間曲線Fig.5 Strain-time curve of measuring points on the cracking side (a)A-C-3-60-S;(b)A-C-3-60-D

圖6 完好鋁板不同加固方式碳纖維布拉伸應變Fig.6 Tensile strain of CFRP with different strengthening ways for the intact aluminum alloy plate (a)A-C-3-60-S;(b)A-C-3-60-D

2.3.2 碳纖維布層數對修復試樣載荷傳遞效果的影響

眾所周知，纖維布承擔的載荷主要是通過膠層的剪切變形實現的，由于纖維布厚度較小，認為纖維布的拉伸應變即為膠層的剪切應變。換言之，纖維布的拉伸應變情況可以反映膠層剪切變形的程度。圖7為不同層數修復試樣碳纖維布在各級載荷下不同位置的拉伸應變。下面以圖7(a)為例，從應變變化具體分析碳纖維布加固損傷鋁板工作過程。加載初期，補片端部應變梯度較大，當測點距端部距離超過15 mm后，碳纖維布應變增加有所減緩，而在損傷處附近增加幅度又開始變大，表明在較低載荷下，碳纖維布承擔的載荷基本是通過端部區域膠層變形完成。當載荷增加到12 kN后，端部區域碳纖維布測點的應變梯度繼續增加，損傷處碳纖維布應變變化梯度增加也更為明顯。表明在較高載荷下，損傷處碳纖維布承擔載荷的比例逐漸增加，損傷處膠層的剪切變形也愈發嚴重。當載荷進一步增加至開裂載荷時，膠層剪切應力達到最大界面粘接強度而與鋁板剝離。對比圖7各圖可以看出，端部區域和損傷區域碳纖維布應變梯度較大，且粘貼層數少的碳纖維布拉伸應變梯度更大，層數多的應變梯度則較緩；同時，在同一載荷作用下，采用更多補片層數的修復試樣對應測點碳纖維布拉伸應變更小。這是由于碳纖維布層數的增加，粘接區域剛性增大，在相同的載荷水平下，粘接區域的應變降低，碳纖維布表面的應變也就變小。此外，碳纖維布層數增加后，無論在載荷初期還是載荷較大時，端部與損傷區域碳纖維布應變梯度均呈減緩趨勢，表明適當增加碳纖維布層數對緩解補片端部和損傷區域的應力集中均是有效的，這與表6中試樣開裂載荷隨補片層數增加而增加的試驗結果是一致的。

圖7 不同層數碳纖維布拉伸應變Fig.7 Tensile strain of CFRP with different layer numbers (a)B-C-2-60-S;(b)B-C-3-60-S;(c)B-C-4-60-S;(d)B-C-5-60-S

2.3.3 碳纖維布長度對修復試樣載荷傳遞效果的影響

圖8(a)～(c)分別為60 mm,80 mm和100 mm碳纖維布粘接修復損傷試樣在各級載荷作用下碳纖維布拉伸應變。從圖8可以看出，粘接修復損傷試樣同樣存在有效粘接長度，即在某一相同載荷下，產生應變變化到應變變化為零的長度基本不變。當碳纖維布長度為60 mm時，這一現象并不明顯；當碳纖維布長度增加到100 mm時，不同載荷作用下，距端部超過15 mm后碳纖維布應變增加趨于平緩。當距離端部超過25 mm后，應變又開始增加，直至損傷處達到最大值。同時，由表6測試結果可知，當補片長度由80 mm增加至100 mm后，試樣的極限載荷未有明顯提高，但是對比圖8(b)和8(c)發現，補片長度增加后對試樣的應變分布產生明顯影響。即碳纖維布長度的增加，端部和損傷處的應變梯度有所下降，尤其是端部應變梯度減緩較為明顯，表明碳纖維布長度的增加對緩解端部應力集中是有利的。因此，對于損傷試樣，碳纖維布應變傳遞趨勢是：當碳纖維布長度足夠長時，碳纖維布端部應變變化梯度較大，之后逐漸趨于某一固定值；當接近損傷區域，應變又開始增大，越靠近損傷處，應變梯度也越大。

圖8 不同長度碳纖維布的拉伸應變Fig.8 Tensile strain of CFRP with different lengths (a)B-C-3-60-S;(b)B-C-3-80-S;(c)B-C-3-100-S

3 結論

(1)采用碳纖維布單雙面加固完好鋁板，破壞起源于補片端部，加固試樣的屈服載荷分別提高5.24%和12.72%，而極限載荷提高并不明顯。從應變變化情況看，碳纖維布加固完好鋁板，試樣的應力傳遞只發生在端部一段距離內，超過15 mm后基本不傳遞剪應力。采用碳纖維布修復損傷鋁板，修復試樣的極限載荷提高27.2%～44.2%，斷裂延伸率提高44.9%～199.6%，修復效果較為明顯，應力傳遞同時發生在端部和損傷處。與加固完好試樣不同的是，CFRP修復損傷試樣破壞起源于損傷處。

(2)碳纖維布修復損傷鋁板，碳纖維布應力傳遞過程為：載荷較低時，應力傳遞主要發生在補片端部區域，隨著載荷的增加，損傷處補片區域應力傳遞開始增加；當載荷達到開裂載荷后，損傷處膠層開始發生剪切破壞，即損傷區域附近鋁板與補片的粘接強度是影響修復效果的關鍵區域。減緩該處的應力集中和提高該處的粘接性能，可有效提高修復試樣的開裂載荷。

(3)適當增加碳纖維布層數，可以減緩端部和損傷處碳纖維布應變梯度并提高修復試樣的承載能力，極限載荷最大提高36.8%，開裂載荷也隨之增加。當補片層數過多時，膠層的剪切應力增加，使補片過早發生剝離破壞，未能起到提高修復效果的作用。

(4)增加碳纖維布的長度對提高修復試樣的承載能力有限，但可以改善膠層界面應力分布，降低端部與損傷區域碳纖維布的應變梯度，提高修復試樣的伸長率，建議在實際工程應用中，可以適當增加補片的粘貼長度。

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