碳纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合結(jié)構(gòu)抗彎強(qiáng)度研究

丁廣志，王斌華

（1.長(zhǎng)安大學(xué)工程機(jī)械學(xué)院，陜西 西安710064；

2.長(zhǎng)安大學(xué)道路施工技術(shù)與裝備教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安710064）

金屬結(jié)構(gòu)部件在長(zhǎng)期使用過程中，由于材料、工藝、施工條件等因素的影響，會(huì)使設(shè)備局部出現(xiàn)裂紋或強(qiáng)度不足等問題。傳統(tǒng)的焊接、貼板等加固方法會(huì)使金屬基體產(chǎn)生一系列缺陷，比如：焊接會(huì)使基體產(chǎn)生一定變形，并在結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生殘余應(yīng)力；貼板則需要在原結(jié)構(gòu)上增鉆螺栓孔，會(huì)降低原承載面的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度[1]。隨著工程技術(shù)發(fā)展的需要，碳纖維增強(qiáng)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，碳纖維具有比強(qiáng)度、比剛度高，絕緣、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)[2，3]，可在不破壞原結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上對(duì)設(shè)備進(jìn)行加固。其加固金屬結(jié)構(gòu)形式如圖1所示，結(jié)構(gòu)載荷通過粘接層施加于碳纖維加固層上，從而達(dá)到加固的目的。目前碳纖維加固多用于RC梁、鋼梁等結(jié)構(gòu)中，試驗(yàn)及理論兩方面的研究表明[4，5]，使用碳纖維加固技術(shù)不僅可以提高設(shè)備對(duì)極限載荷的承載能力，還可以提高設(shè)備穩(wěn)定性承載力。預(yù)應(yīng)力技術(shù)的應(yīng)用可以在傳統(tǒng)加固技術(shù)的基礎(chǔ)上充分發(fā)揮碳纖維的性能，進(jìn)一步提高加固效果[6]。目前在碳纖維加固研究中，很少涉及碳纖維層數(shù)對(duì)粘接效果的影響，上海大學(xué)胡亮[7]研究了碳纖維布加固鋼吊車梁的疲勞性能，試驗(yàn)結(jié)果表明，粘貼一層碳纖維布就可以使疲勞壽命提高52.94%～85.56%，然而文中沒有探討多層碳纖維對(duì)結(jié)構(gòu)的加固效果。一般認(rèn)為碳纖維層越厚結(jié)構(gòu)抗彎強(qiáng)度越高，但是過多的碳纖維層數(shù)不僅會(huì)增加樹脂層的數(shù)量，同時(shí)會(huì)增加結(jié)構(gòu)的重量，其加固效果可能會(huì)受到限制。與鋼結(jié)構(gòu)相比，鋁材比強(qiáng)度、比剛度高，被廣泛用于汽車、航空等領(lǐng)域，但是重量對(duì)其結(jié)構(gòu)的影響比鋼結(jié)構(gòu)更加敏感，而目前研究中較少涉及對(duì)鋁梁加固的研究。為明確碳纖維層數(shù)對(duì)鋁基結(jié)構(gòu)加固效果的影響，本文利用三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)對(duì)多層碳纖維加固性能進(jìn)行研究。

圖1 碳纖維增強(qiáng)鋁基結(jié)構(gòu)示意圖

1 試驗(yàn)研究

試驗(yàn)金屬基選用6061鋁合金，截面尺寸為（20×3）mm2，長(zhǎng)度為160 mm.樹脂選用南通星辰生產(chǎn)的鳳凰牌E51-618型環(huán)氧樹脂，固化劑為5034A，樹脂和固化劑按質(zhì)量比4∶1的比例混合使用，該樹脂粘度較低，具有較強(qiáng)的滲透性，可充分浸潤(rùn)纖維及金屬表面。碳纖維增強(qiáng)層選用3K平紋碳纖維布，材料參數(shù)見表1.鋁合金及碳纖維布在粘接前均使用丙酮進(jìn)行超聲波清洗30 min，然后在0.6 MPa壓力下在模具內(nèi)復(fù)合成碳纖維復(fù)合材料，常溫下固化24 h，每組4個(gè)試樣，試樣參數(shù)見表2.根據(jù)GBT 232-2010，采用三點(diǎn)彎試驗(yàn)對(duì)試樣強(qiáng)度進(jìn)行研究，支撐跨度為120 mm，具體支撐方式見圖2.使用濟(jì)南天辰試驗(yàn)設(shè)備有限公司生產(chǎn)的萬(wàn)能拉壓試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)，該設(shè)備最大試驗(yàn)力為100 kN，試驗(yàn)加載速率為1 mm/min（圖3）。

表1 材料參數(shù)

表2 試樣參數(shù)

圖2 試樣支撐方式示意圖

圖3 三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

通過位移加載模式，可以得出不同試樣的位移-載荷曲線，當(dāng)試樣發(fā)生破壞時(shí)，停止加載。試驗(yàn)數(shù)據(jù)由試驗(yàn)機(jī)配套軟件直接導(dǎo)出，未加固鋁合金試樣載荷-位移曲線見圖4，碳纖維加固試樣載荷-位移曲線見圖5，圖中可以看出，各碳纖維試樣試驗(yàn)曲線形狀大體相似，試驗(yàn)在加載過程中，變形可以分為三個(gè)階段：彈性變形、塑性變形、失效剝離，分別對(duì)應(yīng)圖5中的線性區(qū)、非線性區(qū)和失效點(diǎn)。所有試驗(yàn)失效形式均為碳纖維/鋁界面發(fā)生剝離破壞，在失效點(diǎn)處，碳纖維層與鋁基表面發(fā)生大范圍瞬間剝離，使其承載力急劇下降。

圖4 純鋁合金載荷-位移曲線

圖5 碳纖維復(fù)合材料載荷-位移曲線

從圖6中可以得出，試樣的極限承載能力隨著碳纖維層數(shù)的增加而增加，且隨碳纖維厚度的增加成線性增長(zhǎng)。由于試樣重量會(huì)隨著碳纖維厚度的增加而增加，為評(píng)估重量的增加對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度提升的貢獻(xiàn)，使用單位重量強(qiáng)度提升比來(lái)計(jì)算增加單位重量所引起的強(qiáng)度增幅，計(jì)算結(jié)果見表2，由數(shù)據(jù)可知，隨著試樣重量的增加，單位重量所貢獻(xiàn)的強(qiáng)度大致相同，例如，相應(yīng)于兩層碳纖維加固，碳纖維層重量每增加1 g，其抗彎強(qiáng)度提升42%.通過線性擬合可得出試樣厚度增幅與極限載荷增幅之間的數(shù)量關(guān)系：y=5.6484x+0.3043，式中，x為試樣厚度增幅，y為相應(yīng)的極限載荷增幅。在針對(duì)此類鋁梁的實(shí)際加固工程中，可根據(jù)需要提升的強(qiáng)度來(lái)選擇對(duì)應(yīng)的碳纖維粘接層數(shù)和厚度，避免造成材料的浪費(fèi)[7-8]。

圖6 極限載荷隨碳纖維厚度增加變化規(guī)律

3 結(jié)論

本文通過三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)研究了不同厚度的碳纖維的加固效果，分析了重量對(duì)結(jié)構(gòu)加固的影響，得出了以下結(jié)論：

（1）復(fù)合材料的極限承載力隨著纖維層厚度的增加呈線性增長(zhǎng)；

（2）不同厚度的碳纖維復(fù)合材料，其單位重量增加所帶來(lái)的強(qiáng)度增幅大致相同；

（3）得出了復(fù)合材料碳纖維厚度增加比例與極限承載力提升比例之間的數(shù)量關(guān)系，為工程應(yīng)用提供數(shù)據(jù)參考。

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