碳纖維布加固技術(shù)在鋁合金焊接中的應(yīng)用

碳纖維布加固技術(shù)在鋁合金焊接中的應(yīng)用

1frp加固鋁合金結(jié)構(gòu)的研究現(xiàn)狀作為一種新材料，纖維增強(qiáng)纖維材料（frp）的應(yīng)用越來(lái)越多。因?yàn)椴牧系男湍芎椭圃旒夹g(shù)的優(yōu)越性，結(jié)構(gòu)施工加固領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越多。目前,在混凝土結(jié)構(gòu)方面,FRP/加固理論和技術(shù)已日趨成熟,我國(guó)已出版了《碳纖維片加固修復(fù)混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(CECS146一2003);在鋼結(jié)構(gòu)方面,國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)FRP加固理論和方法進(jìn)行了一些理論、試驗(yàn)及數(shù)值模擬研究,但總體上說(shuō),FRP加固鋼結(jié)構(gòu)研究仍處在初步階段,還未形成比較完整的理論和技術(shù)方法建議。鋁合金材料由于具有輕質(zhì)高強(qiáng)、耐腐蝕、免維護(hù)、無(wú)磁性和易于成型等優(yōu)點(diǎn),在建筑工程領(lǐng)域,尤其在空間網(wǎng)架網(wǎng)殼及大跨度空間結(jié)構(gòu)方面的應(yīng)用日趨增多。但是鋁合金的可焊性差,在焊接熱影響區(qū)內(nèi)強(qiáng)度下降顯著,我國(guó)《鋁合金設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50428—2007)規(guī)定,鋁合金焊接熱影響區(qū)的強(qiáng)度折減系數(shù)取0.5(6061—T6),這就大大地減小了鋁合金構(gòu)件的使用效率。鑒于以上原因,采用FRP加強(qiáng)和加固鋁合金結(jié)構(gòu),具有十分廣闊的應(yīng)用前景。本文通過(guò)碳纖維布與鋁合金粘結(jié)剪切試驗(yàn),對(duì)碳纖維與鋁合金間的粘結(jié)性能進(jìn)行了研究。并結(jié)合理論解析和數(shù)值分析,總結(jié)了碳纖維布加固鋁合金對(duì)拼節(jié)點(diǎn)的破壞壞模式、粘結(jié)承載力及碳纖維布應(yīng)變分不規(guī)律,得出了有效粘結(jié)長(zhǎng)度。2試驗(yàn)總結(jié)2.1碳纖維布的制備鋁合金牌號(hào)采用工程中常用的6061-T6,通過(guò)材料拉伸試驗(yàn)得出的鋁合金的力學(xué)性能詳見(jiàn)表1;碳纖維布型號(hào)為300gUT70-30,單層厚度為0.167mm,彈性模量為235GPa,拉伸強(qiáng)度為3900MPa;粘結(jié)劑采用粘結(jié)金屬和碳纖維的專用膠(浸漬膠和結(jié)構(gòu)膠,即AB膠),彈性模量為2.5GPa,抗拉強(qiáng)度52.6MPa,抗剪強(qiáng)度18.7MPa。2.2碳纖維布貼布的安裝試件形狀如圖1所示,將鋁合金板件加工成拉伸試樣的形狀并從中間斷開(kāi),然后將兩塊對(duì)拼后留出一定間隙,在試件兩側(cè)對(duì)稱粘貼碳纖維布。貼布前需要對(duì)鋁合金試件進(jìn)行表面處理,先用砂紙打磨需要粘貼的區(qū)域,再用丙酮擦拭,待丙酮揮發(fā)后立即均勻粘貼碳纖維布。同時(shí),為了讓試件破壞只發(fā)生在對(duì)拼試件的一側(cè),在該側(cè)纏繞玻璃纖維布加強(qiáng)。本次試驗(yàn)一共設(shè)計(jì)了5組試件,編號(hào)為A1～A5,每組2個(gè)試件,每組試件分別粘貼不同長(zhǎng)度的碳纖維布,詳見(jiàn)表2。2.3試驗(yàn)裝置和試驗(yàn)裝置為了減小試件偏心引起的誤差,在碳纖維布上雙排布置應(yīng)變片,同時(shí),在鋁合金側(cè)面相應(yīng)位置也布置應(yīng)變片,如圖2所示試驗(yàn)在自制的拉伸試驗(yàn)裝置上進(jìn)行,將試件安裝在拉伸試驗(yàn)裝置上,調(diào)整試件位置,使加載的軸力方向和試件幾何中心對(duì)中,然后擰緊螺栓,固定試件(圖3)。試驗(yàn)采用連續(xù)緩慢加載的方式,應(yīng)變數(shù)據(jù)采用微機(jī)系統(tǒng)自動(dòng)采集,以2次/s的速率采集各測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變數(shù)值。3試驗(yàn)結(jié)果3.1剝離破壞模式在加載初期,試件外觀沒(méi)有明顯變化;當(dāng)荷載增加到極限荷載的40%～50%時(shí),聽(tīng)到間斷的“嘶嘶”聲,試件拼縫處的縫隙距離逐漸變大,拼縫處兩側(cè)碳纖維布出現(xiàn)剝離的趨勢(shì);荷載繼續(xù)增大,“嘶嘶”聲不斷加劇,拼縫處間縫隙距離越來(lái)越大,增大到一定程度后,“砰”的一聲,碳纖維布斷裂或剝離,試件破壞形式如圖4所示除了A1-2試件為碳纖維拉斷破壞外,其他試件的破壞的形式均為剝離破壞。剝離破壞的程度也有所不同:對(duì)于碳纖維粘貼面積較小的試件,呈現(xiàn)為完全剝離破壞,剝離面較為整潔和平整,沒(méi)有殘留的碳纖維條;對(duì)于碳纖維粘貼面積較大的試驗(yàn),呈現(xiàn)為不完全的剝離破壞,剝離面上還殘留有碳纖維細(xì)條,這些細(xì)條是拉斷破壞的。圖5為試件的典型破壞模式,從左到右依次為拉斷破壞、不完全剝離破壞、完全剝離破壞。所有試件在靠近試件拼接縫隙的小段距離內(nèi),膠層與鋁合金表面完全脫離,并粘附在剝離后的碳纖維布上;在遠(yuǎn)離試件拼接縫隙處,膠層與鋁合金表面零星脫離,大部分仍然粘附在鋁合金表面。上述現(xiàn)象說(shuō)明,在靠近試件拼縫處,碳纖維布和膠層作為一個(gè)整體協(xié)同工作,最早的剝離出現(xiàn)在此段的鋁合金表面與膠層之間。此處剝離完成后,該區(qū)域的碳纖維布與鋁合金已經(jīng)脫開(kāi),碳纖維布與鋁合金層之間已不是完全的平行關(guān)系,兩者之間出現(xiàn)了相對(duì)剪切變形和滑移,這使后續(xù)的剝離更加容易進(jìn)行,并主要發(fā)生在碳纖維單絲與膠層之間。3.2加載階段和加載后維應(yīng)變的變化典型試件的碳纖維布應(yīng)變分布情況如圖6所示。以試件A1-1為例,可以將加載階段分為三個(gè)階段:第一階段為加載初期,對(duì)應(yīng)于荷載小于極限荷載的30%,此階段碳纖維應(yīng)變沿全長(zhǎng)都很小;第二階段為加載中期,對(duì)應(yīng)于極限荷載的30%到60%,本階段靠近試件拼縫處的碳纖維的應(yīng)變顯著增大,遠(yuǎn)離拼縫處的碳纖維應(yīng)變?nèi)匀槐３衷谳^小的狀態(tài);第三階段為加載后期,對(duì)應(yīng)于極限荷載的60%及以上,本階段中,隨著荷載的增長(zhǎng),靠近拼縫處的碳纖維應(yīng)變值急劇增大,直到試件破壞,遠(yuǎn)離拼縫處的碳纖維應(yīng)變有所增大,但是相比于拼縫處處的應(yīng)變值仍然很小。整個(gè)加載階段,只在距離試件拼縫處的小段距離內(nèi),碳纖維應(yīng)變變化明顯,其他部位碳纖維布應(yīng)變較小,變化不顯著。3.3碳纖維布的粘結(jié)性能表3為試驗(yàn)成果匯總情況,可以看出,當(dāng)碳纖維布粘貼長(zhǎng)度早40～200mm之間變化時(shí),試件極限承載力差別不大,在27.5～31.5kN之間波動(dòng),而碳纖維布的單位面積平均粘結(jié)應(yīng)力不斷減小,從17.28MPa一直減小到3.58MPa這說(shuō)明隨著粘結(jié)長(zhǎng)度的增加,碳纖維布的有效利用率在下降,當(dāng)超過(guò)有效粘結(jié)長(zhǎng)度后,即使粘結(jié)長(zhǎng)度增加,試件的極限粘結(jié)力也不會(huì)提高。這是因?yàn)?在粘結(jié)劑性質(zhì)一定的情況下,膠層通過(guò)剪切變形傳遞荷載的能力是有限的,當(dāng)施加的荷載超過(guò)這一限值時(shí),膠層就會(huì)推出工作,碳纖維布與鋁合金間的粘結(jié)失效,試件破壞。4試驗(yàn)分析4.1加固層應(yīng)力分析Albat等在分析膠層粘結(jié)加固連接時(shí),在Hart-Smith等的研究基礎(chǔ)上,沿用了以下三點(diǎn)假定:(1)被加固層、加固層膠層材料均表現(xiàn)為線彈性;(2)被加固層和加固層之間不發(fā)生滑移;根據(jù)上述假定,Albat等改進(jìn)了理論分析模型,進(jìn)行了一維線彈性分析,得出加固連接的應(yīng)力分布公式。結(jié)合本試驗(yàn)特點(diǎn),修正后的膠層剪應(yīng)力及碳纖維布拉應(yīng)力公式為:式中,;P為單位長(zhǎng)度拉力;Es,Ep分別為鋁合金及碳纖維的彈性模量;Ga為膠層的剪切模量;ts,tp,ta分別為鋁合金、碳纖維布及膠層的厚度,參數(shù)說(shuō)明如圖7所示。4.2模型的建立及驗(yàn)證利用有限元分析軟件ANSYS,對(duì)上述試驗(yàn)進(jìn)行了模擬分析。有限元模型采用“全實(shí)體”模型,即鋁合金板件、碳纖維布及膠層均采用三維8節(jié)點(diǎn)實(shí)體單元SOLID45來(lái)模擬;材料參數(shù)及模型尺寸與試驗(yàn)保持一致。圖8給出了試件A2的有限元分析模型,圖9給出了試件A2的拉應(yīng)變分布圖。4.3理論分析與試驗(yàn)驗(yàn)證理論解析解、數(shù)值模擬結(jié)果及試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比如圖10所示,可以看出,三者吻合良好:距離試件拼縫處附近30mm范圍內(nèi),碳纖維布應(yīng)變值較大,應(yīng)變梯度大;距離拼縫處30mm之外,碳纖維布應(yīng)變值較小,并且基本保持不變。根據(jù)碳纖維布的應(yīng)力分布狀態(tài),可將有效粘結(jié)長(zhǎng)度Le定義為:試件達(dá)到極限狀態(tài)時(shí),碳纖維布的拉應(yīng)變梯度從很大值降低到某一臨界值時(shí)所對(duì)應(yīng)的長(zhǎng)度。在超出有效粘結(jié)長(zhǎng)度Le的范圍,由于拉應(yīng)變梯度很小,碳纖維布的拉應(yīng)變基本不再增長(zhǎng),因此這個(gè)區(qū)域的碳纖維布的強(qiáng)度得不到充分發(fā)揮。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果,選定15με/mm為應(yīng)變梯度的臨界值,則A1～A4試件的有效粘結(jié)長(zhǎng)度Le分別為30mm、30mm、27mm、32mm,取平均值30mm。由圖10可知:在有效粘結(jié)長(zhǎng)度范圍內(nèi),解析解應(yīng)變值比有限元模擬值和試驗(yàn)實(shí)測(cè)值小,并且下降段更加陡峭;在有效粘結(jié)長(zhǎng)度范圍外,解析解應(yīng)變值基本保持不變,而有限元模擬值和試驗(yàn)實(shí)測(cè)值有下降趨勢(shì),并且總是小于解析解。這是由理論解析解和有限元模擬解的假設(shè)條件引起的,解析解假定膠層為線彈性,有限元模擬解假定膠層為理想彈塑性材料。而實(shí)際上,膠層為超彈性材料。材料模型的不同造成了變形和應(yīng)變值的差異。5有效粘結(jié)長(zhǎng)度對(duì)應(yīng)力的影響綜上所述,可以得到如下結(jié)論:(