碳纤维布加固技术在铝合金焊接中的应用

碳纤维布加固技术在铝合金焊接中的应用

1frp加固铝合金结构的研究现状作为一种新材料，纤维增强纤维材料（frp）的应用越来越多。因为材料的型能和制造技术的优越性，结构施工加固领域的应用越来越多。目前,在混凝土结构方面,FRP/加固理论和技术已日趋成熟,我国已出版了《碳纤维片加固修复混凝土结构技术规程》(CECS146一2003);在钢结构方面,国内外学者对FRP加固理论和方法进行了一些理论、试验及数值模拟研究,但总体上说,FRP加固钢结构研究仍处在初步阶段,还未形成比较完整的理论和技术方法建议。铝合金材料由于具有轻质高强、耐腐蚀、免维护、无磁性和易于成型等优点,在建筑工程领域,尤其在空间网架网壳及大跨度空间结构方面的应用日趋增多。但是铝合金的可焊性差,在焊接热影响区内强度下降显著,我国《铝合金设计规范》(GB50428—2007)规定,铝合金焊接热影响区的强度折减系数取0.5(6061—T6),这就大大地减小了铝合金构件的使用效率。鉴于以上原因,采用FRP加强和加固铝合金结构,具有十分广阔的应用前景。本文通过碳纤维布与铝合金粘结剪切试验,对碳纤维与铝合金间的粘结性能进行了研究。并结合理论解析和数值分析,总结了碳纤维布加固铝合金对拼节点的破坏坏模式、粘结承载力及碳纤维布应变分不规律,得出了有效粘结长度。2试验总结2.1碳纤维布的制备铝合金牌号采用工程中常用的6061-T6,通过材料拉伸试验得出的铝合金的力学性能详见表1;碳纤维布型号为300gUT70-30,单层厚度为0.167mm,弹性模量为235GPa,拉伸强度为3900MPa;粘结剂采用粘结金属和碳纤维的专用胶(浸渍胶和结构胶,即AB胶),弹性模量为2.5GPa,抗拉强度52.6MPa,抗剪强度18.7MPa。2.2碳纤维布贴布的安装试件形状如图1所示,将铝合金板件加工成拉伸试样的形状并从中间断开,然后将两块对拼后留出一定间隙,在试件两侧对称粘贴碳纤维布。贴布前需要对铝合金试件进行表面处理,先用砂纸打磨需要粘贴的区域,再用丙酮擦拭,待丙酮挥发后立即均匀粘贴碳纤维布。同时,为了让试件破坏只发生在对拼试件的一侧,在该侧缠绕玻璃纤维布加强。本次试验一共设计了5组试件,编号为A1～A5,每组2个试件,每组试件分别粘贴不同长度的碳纤维布,详见表2。2.3试验装置和试验装置为了减小试件偏心引起的误差,在碳纤维布上双排布置应变片,同时,在铝合金侧面相应位置也布置应变片,如图2所示试验在自制的拉伸试验装置上进行,将试件安装在拉伸试验装置上,调整试件位置,使加载的轴力方向和试件几何中心对中,然后拧紧螺栓,固定试件(图3)。试验采用连续缓慢加载的方式,应变数据采用微机系统自动采集,以2次/s的速率采集各测点的应变数值。3试验结果3.1剥离破坏模式在加载初期,试件外观没有明显变化;当荷载增加到极限荷载的40%～50%时,听到间断的“嘶嘶”声,试件拼缝处的缝隙距离逐渐变大,拼缝处两侧碳纤维布出现剥离的趋势;荷载继续增大,“嘶嘶”声不断加剧,拼缝处间缝隙距离越来越大,增大到一定程度后,“砰”的一声,碳纤维布断裂或剥离,试件破坏形式如图4所示除了A1-2试件为碳纤维拉断破坏外,其他试件的破坏的形式均为剥离破坏。剥离破坏的程度也有所不同:对于碳纤维粘贴面积较小的试件,呈现为完全剥离破坏,剥离面较为整洁和平整,没有残留的碳纤维条;对于碳纤维粘贴面积较大的试验,呈现为不完全的剥离破坏,剥离面上还残留有碳纤维细条,这些细条是拉断破坏的。图5为试件的典型破坏模式,从左到右依次为拉断破坏、不完全剥离破坏、完全剥离破坏。所有试件在靠近试件拼接缝隙的小段距离内,胶层与铝合金表面完全脱离,并粘附在剥离后的碳纤维布上;在远离试件拼接缝隙处,胶层与铝合金表面零星脱离,大部分仍然粘附在铝合金表面。上述现象说明,在靠近试件拼缝处,碳纤维布和胶层作为一个整体协同工作,最早的剥离出现在此段的铝合金表面与胶层之间。此处剥离完成后,该区域的碳纤维布与铝合金已经脱开,碳纤维布与铝合金层之间已不是完全的平行关系,两者之间出现了相对剪切变形和滑移,这使后续的剥离更加容易进行,并主要发生在碳纤维单丝与胶层之间。3.2加载阶段和加载后维应变的变化典型试件的碳纤维布应变分布情况如图6所示。以试件A1-1为例,可以将加载阶段分为三个阶段:第一阶段为加载初期,对应于荷载小于极限荷载的30%,此阶段碳纤维应变沿全长都很小;第二阶段为加载中期,对应于极限荷载的30%到60%,本阶段靠近试件拼缝处的碳纤维的应变显著增大,远离拼缝处的碳纤维应变仍然保持在较小的状态;第三阶段为加载后期,对应于极限荷载的60%及以上,本阶段中,随着荷载的增长,靠近拼缝处的碳纤维应变值急剧增大,直到试件破坏,远离拼缝处的碳纤维应变有所增大,但是相比于拼缝处处的应变值仍然很小。整个加载阶段,只在距离试件拼缝处的小段距离内,碳纤维应变变化明显,其他部位碳纤维布应变较小,变化不显著。3.3碳纤维布的粘结性能表3为试验成果汇总情况,可以看出,当碳纤维布粘贴长度早40～200mm之间变化时,试件极限承载力差别不大,在27.5～31.5kN之间波动,而碳纤维布的单位面积平均粘结应力不断减小,从17.28MPa一直减小到3.58MPa这说明随着粘结长度的增加,碳纤维布的有效利用率在下降,当超过有效粘结长度后,即使粘结长度增加,试件的极限粘结力也不会提高。这是因为,在粘结剂性质一定的情况下,胶层通过剪切变形传递荷载的能力是有限的,当施加的荷载超过这一限值时,胶层就会推出工作,碳纤维布与铝合金间的粘结失效,试件破坏。4试验分析4.1加固层应力分析Albat等在分析胶层粘结加固连接时,在Hart-Smith等的研究基础上,沿用了以下三点假定:(1)被加固层、加固层胶层材料均表现为线弹性;(2)被加固层和加固层之间不发生滑移;根据上述假定,Albat等改进了理论分析模型,进行了一维线弹性分析,得出加固连接的应力分布公式。结合本试验特点,修正后的胶层剪应力及碳纤维布拉应力公式为:式中,;P为单位长度拉力;Es,Ep分别为铝合金及碳纤维的弹性模量;Ga为胶层的剪切模量;ts,tp,ta分别为铝合金、碳纤维布及胶层的厚度,参数说明如图7所示。4.2模型的建立及验证利用有限元分析软件ANSYS,对上述试验进行了模拟分析。有限元模型采用“全实体”模型,即铝合金板件、碳纤维布及胶层均采用三维8节点实体单元SOLID45来模拟;材料参数及模型尺寸与试验保持一致。图8给出了试件A2的有限元分析模型,图9给出了试件A2的拉应变分布图。4.3理论分析与试验验证理论解析解、数值模拟结果及试验结果的对比如图10所示,可以看出,三者吻合良好:距离试件拼缝处附近30mm范围内,碳纤维布应变值较大,应变梯度大;距离拼缝处30mm之外,碳纤维布应变值较小,并且基本保持不变。根据碳纤维布的应力分布状态,可将有效粘结长度Le定义为:试件达到极限状态时,碳纤维布的拉应变梯度从很大值降低到某一临界值时所对应的长度。在超出有效粘结长度Le的范围,由于拉应变梯度很小,碳纤维布的拉应变基本不再增长,因此这个区域的碳纤维布的强度得不到充分发挥。根据试验结果,选定15με/mm为应变梯度的临界值,则A1～A4试件的有效粘结长度Le分别为30mm、30mm、27mm、32mm,取平均值30mm。由图10可知:在有效粘结长度范围内,解析解应变值比有限元模拟值和试验实测值小,并且下降段更加陡峭;在有效粘结长度范围外,解析解应变值基本保持不变,而有限元模拟值和试验实测值有下降趋势,并且总是小于解析解。这是由理论解析解和有限元模拟解的假设条件引起的,解析解假定胶层为线弹性,有限元模拟解假定胶层为理想弹塑性材料。而实际上,胶层为超弹性材料。材料模型的不同造成了变形和应变值的差异。5有效粘结长度对应力的影响综上所述,可以得到如下结论:(