余周輝， 趙培仲， 胡芳友

(海軍航空工程學(xué)院 航空機(jī)械系，山東 青島 266041)

纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(fiber reinforced polymer，F(xiàn)RP)粘接技術(shù)是一種優(yōu)質(zhì)高效的結(jié)構(gòu)修復(fù)技術(shù)，不僅可以修復(fù)復(fù)合材料損傷結(jié)構(gòu)，而且可以很好修復(fù)金屬損傷結(jié)構(gòu)。與傳統(tǒng)的機(jī)械修復(fù)方法相比，F(xiàn)RP粘接修復(fù)金屬結(jié)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)增重小、耐疲勞和耐腐蝕性能好、效率高成本低等明顯優(yōu)勢，具有很大的應(yīng)用前景[1-4]。國內(nèi)外對FRP加固混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行了大量研究并取得廣泛應(yīng)用[5-6]，但對鋼結(jié)構(gòu)及鋁結(jié)構(gòu)的研究和應(yīng)用還較少。

FRP粘接修復(fù)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(yīng)力，延緩損傷擴(kuò)展，起到恢復(fù)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(shí)現(xiàn)的。與FRP和金屬結(jié)構(gòu)相比，膠層與界面屬于薄弱環(huán)節(jié)，修復(fù)構(gòu)件容易在此部位發(fā)生破壞，造成修復(fù)構(gòu)件的過早破壞，降低復(fù)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(jī)理顯得尤為重要。Baker等[9]采用硼/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料來修復(fù)含裂紋的金屬結(jié)構(gòu)，研究了修復(fù)結(jié)構(gòu)界面脫膠對修復(fù)效果的影響，結(jié)果表明：脫膠出現(xiàn)在金屬板裂紋的周圍，脫膠裂紋出現(xiàn)在界面上而不是出現(xiàn)在膠層內(nèi)部，脫膠導(dǎo)致裂紋擴(kuò)展速率增大。蔡洪能等[10]通過FRP補(bǔ)強(qiáng)疲勞損傷鋼結(jié)構(gòu)裂紋擴(kuò)展研究，比較了不同鋼結(jié)構(gòu)表面處理對FRP與鋼結(jié)構(gòu)界面粘接強(qiáng)度及對疲勞裂紋擴(kuò)展速率的影響。Katsuyoshi等[11]對鋼結(jié)構(gòu)與FRP界面?zhèn)鬟f問題進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究并對FRP有效粘接長度進(jìn)行理論推導(dǎo)。楊勇新等[12]通過對碳纖維布加固鋼結(jié)構(gòu)的粘接性能研究，分析了補(bǔ)片加固方式及補(bǔ)片類型對碳纖維布與鋼板之間粘接應(yīng)力分布的影響。彭福明等[13]通過有限元方法，對FRP與鋼結(jié)構(gòu)之間的載荷傳遞效果影響因素進(jìn)行系統(tǒng)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(jìn)行單軸拉伸試驗(yàn)，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(xié)同工作問題進(jìn)行了探討。盡管上述研究已經(jīng)取得一些成果，但是FRP與金屬結(jié)構(gòu)的粘接端部和損傷區(qū)域均存在嚴(yán)重的應(yīng)力集中，會(huì)導(dǎo)致相關(guān)理論推導(dǎo)及其困難，對實(shí)驗(yàn)測試技術(shù)要求也極其嚴(yán)格。因此，界面粘接機(jī)理及破壞準(zhǔn)則還有待深入研究。本研究采用碳纖維布加固修復(fù)鋁板并進(jìn)行靜力拉伸試驗(yàn)，通過測量碳纖維布的應(yīng)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(fù)鋁合金結(jié)構(gòu)提供實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

鋁板構(gòu)件選取廣泛應(yīng)用的硬鋁(LY12)，增強(qiáng)體為SM340型碳纖維布，材料參數(shù)見表1。基體為脂環(huán)族環(huán)氧樹脂(UVR6110)，材料參數(shù)見表2。

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

表2 樹脂主要力學(xué)性能Table 2 Mechanical properties of resin

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與制備

共設(shè)計(jì)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(fù)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(yīng)變變化規(guī)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(shù)、長度及加固方式等因素對修復(fù)效果及載荷傳遞過程的影響，損傷未修復(fù)對比試樣記為B0。B類粘接修復(fù)方式見圖1(b)，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案見表3。

表3 試樣設(shè)計(jì)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(jìn)行一定的表面處理：先清洗鋁板，干燥，再對鋁板進(jìn)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(shè)，將樹脂均勻涂敷在鋁板表面，按表3方案逐層鋪設(shè)，粘貼FRP補(bǔ)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(shí)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(yīng)力測試采用DH3817F動(dòng)靜態(tài)應(yīng)變測試分析系統(tǒng)，應(yīng)變片為BX120-3AA型電阻應(yīng)變片。 A類試樣主要是測量粘接區(qū)域內(nèi)應(yīng)力分布情況，應(yīng)變片分布方式為：從距離端部5 mm開始，每隔10 mm粘接一個(gè)應(yīng)變片，測點(diǎn)的布置如圖1(a)所示。B類試樣主要是測量端部至損傷區(qū)域應(yīng)力分布，損傷區(qū)域?qū)儆诓贿B續(xù)區(qū)域，容易造成應(yīng)力集中，在損傷區(qū)域附近多粘貼應(yīng)變片測量該處應(yīng)變，具體測點(diǎn)布置如圖1(b)所示。

采用WDW-1型萬能拉力機(jī)測試修復(fù)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(shí)驗(yàn)時(shí)每種試樣制作5個(gè)，結(jié)果取平均值。

2 結(jié)果與分析

2.1 試樣破壞過程及特征

當(dāng)載荷增加到某一值，粘接層界面發(fā)生破壞，破壞位置的FRP處于自由狀態(tài)，該處測點(diǎn)應(yīng)變值發(fā)生突變，該應(yīng)變對應(yīng)的載荷記為開裂載荷。根據(jù)這一現(xiàn)象，觀察記錄不同試樣的開裂載荷及破壞特征，試驗(yàn)結(jié)果見表4。從表4結(jié)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(bǔ)片層數(shù)呈先上升后下降的趨勢，隨補(bǔ)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(bǔ)片端部，主要發(fā)生膠層與鋁板間的界面剝離破壞，破壞形態(tài)如圖2所示。表現(xiàn)為加載初期，碳纖維布與鋁板共同受力，當(dāng)載荷增加接近開裂載荷時(shí)，碳纖維布從端部開始剝離，之后破壞向中間擴(kuò)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(fù)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(fā)生膠層-鋁板和膠層-纖維布界面的混合剝離破壞，破壞形態(tài)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(xiàn)為加載初期，F(xiàn)RP補(bǔ)片與鋁板共同受力，當(dāng)載荷接近開裂載荷時(shí)，損傷處應(yīng)變最先發(fā)生突變，表明破壞起源于在損傷處。之后破壞向損傷區(qū)域周邊擴(kuò)展，該區(qū)域補(bǔ)片失去對鋁板的約束作用，這一過程載荷出現(xiàn)一定的波動(dòng)。繼續(xù)增大載荷，纖維布端部開始剝離，破壞向剝離一方迅速擴(kuò)展，最終首先發(fā)生破壞的一端補(bǔ)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(fù)損傷試樣的破壞Fig.3 Failure of CFRP reinforced damaged specimen

2.2 CFRP修復(fù)結(jié)構(gòu)力學(xué)性能分析

加載過程中，采用不同的修復(fù)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(shù)修復(fù)損傷試樣、不同粘接長度修復(fù)損傷試樣和單雙面修復(fù)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(qiáng)化幾個(gè)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(dāng)載荷增加至A0試樣屈服載荷時(shí)，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(xiàn)為屈服載荷的提高；之后進(jìn)入屈服階段，此時(shí)變形開始顯著增長而載荷出現(xiàn)一定的波動(dòng)，該階段也正是補(bǔ)片逐漸剝離的過程。補(bǔ)片與鋁板的剝離使得剝離處補(bǔ)片失去對鋁板的作用，載荷重新分配，曲線出現(xiàn)一定的波動(dòng)。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(qū)域碳纖維布分擔(dān)鋁板的部分載荷，粘接區(qū)域鋁板的應(yīng)力較未粘接區(qū)域鋁板應(yīng)力低，表現(xiàn)為在相同載荷下，粘接區(qū)域的應(yīng)力低于未粘接區(qū)域鋁板應(yīng)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(dāng)試樣發(fā)生屈服后明顯進(jìn)入一段強(qiáng)化階段，補(bǔ)片也從端部開始剝離，剝離區(qū)域所承擔(dān)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(fù)方式對鋁板拉伸力學(xué)性能的影響 (a)單雙面加固完好試樣;(b)不同粘貼層數(shù)修復(fù)損傷試樣; (c)不同粘接長度修復(fù)損傷試樣;(d)單雙面修復(fù)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(fù)損傷試樣僅出現(xiàn)線性、強(qiáng)化階段，未出現(xiàn)明顯的屈服階段。表6為CFRP修復(fù)損傷試樣拉伸性能。從表6數(shù)據(jù)可知，與損傷未修復(fù)對比試樣B0比較，修復(fù)試樣的極限載荷提高了27.2%～44.2%；增加補(bǔ)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(bǔ)片層數(shù)對修復(fù)效果有明顯影響，當(dāng)補(bǔ)片層數(shù)未超過4層時(shí)，承載能力隨補(bǔ)片層數(shù)增加而增加；當(dāng)層數(shù)達(dá)到5層時(shí)，極限載荷有所下降，斷裂伸長率明顯降低，補(bǔ)片層數(shù)的增加未能起到提高承載能力的效果。這一方面是因?yàn)檠a(bǔ)片層數(shù)的增加，使得補(bǔ)片剛性增加，相同載荷下，層數(shù)多的補(bǔ)片形變更小，即不同層數(shù)的補(bǔ)片達(dá)到相同應(yīng)變時(shí)，層數(shù)多的補(bǔ)片將承擔(dān)更多的載荷，有效減少粘接處鋁板的負(fù)載。這使得端部不連續(xù)區(qū)域和損傷部位的應(yīng)力集中得到緩解，延緩損傷的擴(kuò)展，最終提高修復(fù)構(gòu)件的承載能力，同時(shí)，斷裂伸長率也得到提高。而另一方面，補(bǔ)片層數(shù)增加會(huì)引起膠層剪切應(yīng)力和剝離應(yīng)力的增加，補(bǔ)片的剛度也隨之增加，補(bǔ)片與損傷構(gòu)件之間的變形協(xié)調(diào)變得更加困難，材料制作缺陷也會(huì)增加。而且對于某一樹脂膠粘劑而言，其剪切強(qiáng)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(huì)隨補(bǔ)片層數(shù)增加而無限增大，反而會(huì)因?yàn)榧羟袘?yīng)力和剝離應(yīng)力的增加造成補(bǔ)片過早的剝離失效，降低修復(fù)效果。最終補(bǔ)片層數(shù)增加引起的修復(fù)效果變化主要就是以上兩方面結(jié)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(cè)載荷-時(shí)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(yīng)變最先發(fā)生突變，表明破壞起源于端部。在加載初期，碳纖維布的應(yīng)變隨時(shí)間基本呈線性增長，當(dāng)載荷達(dá)到一定值后(開裂載荷)，端部處測點(diǎn)1應(yīng)變突然下降，試樣A-C-3-60-S其他測點(diǎn)應(yīng)變增加速率加快，而試樣A-C-3-60-D開裂同側(cè)各點(diǎn)應(yīng)變未發(fā)生明顯突變。這是因?yàn)槎瞬堪l(fā)生破壞后，對于單面加固試樣，原本由該處補(bǔ)片承擔(dān)的載荷將分配到未破壞補(bǔ)片，表現(xiàn)為未破壞區(qū)域補(bǔ)片載荷增加，因而測點(diǎn)應(yīng)變突然增加。采用雙面粘貼后，未開裂側(cè)補(bǔ)片很好的分擔(dān)了自由區(qū)域釋放的載荷，因而開裂側(cè)測點(diǎn)應(yīng)變未發(fā)生明顯突變。隨后各測點(diǎn)的應(yīng)變又開始隨載荷增加而增加，持續(xù)一段時(shí)間后，各點(diǎn)應(yīng)變幾乎同時(shí)下降，表明破壞已擴(kuò)展至整個(gè)膠層，之后碳纖維布應(yīng)變迅速下降，補(bǔ)片完全失去對鋁板的約束。

表6 CFRP修復(fù)損傷試樣測試結(jié)果Table 6 Test results of the damaged specimen CFRP repaired

圖6為CFRP加固完好試樣各級(jí)載荷下碳纖維布的拉伸應(yīng)變。從圖6可以看出，無論采用單面、雙面加固鋁板，在各級(jí)載荷作用下，試樣的應(yīng)變傳遞只發(fā)生在一段距離內(nèi)，這個(gè)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(yīng)變變化很小，幾乎不傳遞剪應(yīng)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(yīng)變來看，同一載荷下，采用雙面粘接試樣碳纖維布的應(yīng)變明顯低于單面加固試樣，同時(shí)應(yīng)變梯度減緩。這是因?yàn)樵居蓡蚊嫣祭w維布承擔(dān)的載荷均勻分給了雙面碳纖維布，膠層的剪切變形減少，應(yīng)變降低。這與采用雙面粘接的試樣開裂載荷有所增加，對應(yīng)的開裂應(yīng)變也有所降低的試驗(yàn)結(jié)果是一致的。

圖5 開裂側(cè)測點(diǎn)應(yīng)變-時(shí)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(yīng)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(shù)對修復(fù)試樣載荷傳遞效果的影響

眾所周知，纖維布承擔(dān)的載荷主要是通過膠層的剪切變形實(shí)現(xiàn)的，由于纖維布厚度較小，認(rèn)為纖維布的拉伸應(yīng)變即為膠層的剪切應(yīng)變。換言之，纖維布的拉伸應(yīng)變情況可以反映膠層剪切變形的程度。圖7為不同層數(shù)修復(fù)試樣碳纖維布在各級(jí)載荷下不同位置的拉伸應(yīng)變。下面以圖7(a)為例，從應(yīng)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(bǔ)片端部應(yīng)變梯度較大，當(dāng)測點(diǎn)距端部距離超過15 mm后，碳纖維布應(yīng)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(dān)的載荷基本是通過端部區(qū)域膠層變形完成。當(dāng)載荷增加到12 kN后，端部區(qū)域碳纖維布測點(diǎn)的應(yīng)變梯度繼續(xù)增加，損傷處碳纖維布應(yīng)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(dān)載荷的比例逐漸增加，損傷處膠層的剪切變形也愈發(fā)嚴(yán)重。當(dāng)載荷進(jìn)一步增加至開裂載荷時(shí)，膠層剪切應(yīng)力達(dá)到最大界面粘接強(qiáng)度而與鋁板剝離。對比圖7各圖可以看出，端部區(qū)域和損傷區(qū)域碳纖維布應(yīng)變梯度較大，且粘貼層數(shù)少的碳纖維布拉伸應(yīng)變梯度更大，層數(shù)多的應(yīng)變梯度則較緩；同時(shí)，在同一載荷作用下，采用更多補(bǔ)片層數(shù)的修復(fù)試樣對應(yīng)測點(diǎn)碳纖維布拉伸應(yīng)變更小。這是由于碳纖維布層數(shù)的增加，粘接區(qū)域剛性增大，在相同的載荷水平下，粘接區(qū)域的應(yīng)變降低，碳纖維布表面的應(yīng)變也就變小。此外，碳纖維布層數(shù)增加后，無論在載荷初期還是載荷較大時(shí)，端部與損傷區(qū)域碳纖維布應(yīng)變梯度均呈減緩趨勢，表明適當(dāng)增加碳纖維布層數(shù)對緩解補(bǔ)片端部和損傷區(qū)域的應(yīng)力集中均是有效的，這與表6中試樣開裂載荷隨補(bǔ)片層數(shù)增加而增加的試驗(yàn)結(jié)果是一致的。

圖7 不同層數(shù)碳纖維布拉伸應(yīng)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(fù)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(fù)損傷試樣在各級(jí)載荷作用下碳纖維布拉伸應(yīng)變。從圖8可以看出，粘接修復(fù)損傷試樣同樣存在有效粘接長度，即在某一相同載荷下，產(chǎn)生應(yīng)變變化到應(yīng)變變化為零的長度基本不變。當(dāng)碳纖維布長度為60 mm時(shí)，這一現(xiàn)象并不明顯；當(dāng)碳纖維布長度增加到100 mm時(shí)，不同載荷作用下，距端部超過15 mm后碳纖維布應(yīng)變增加趨于平緩。當(dāng)距離端部超過25 mm后，應(yīng)變又開始增加，直至損傷處達(dá)到最大值。同時(shí)，由表6測試結(jié)果可知，當(dāng)補(bǔ)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(fā)現(xiàn)，補(bǔ)片長度增加后對試樣的應(yīng)變分布產(chǎn)生明顯影響。即碳纖維布長度的增加，端部和損傷處的應(yīng)變梯度有所下降，尤其是端部應(yīng)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(yīng)力集中是有利的。因此，對于損傷試樣，碳纖維布應(yīng)變傳遞趨勢是：當(dāng)碳纖維布長度足夠長時(shí)，碳纖維布端部應(yīng)變變化梯度較大，之后逐漸趨于某一固定值；當(dāng)接近損傷區(qū)域，應(yīng)變又開始增大，越靠近損傷處，應(yīng)變梯度也越大。

圖8 不同長度碳纖維布的拉伸應(yīng)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(jié)論

(1)采用碳纖維布單雙面加固完好鋁板，破壞起源于補(bǔ)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(yīng)變變化情況看，碳纖維布加固完好鋁板，試樣的應(yīng)力傳遞只發(fā)生在端部一段距離內(nèi)，超過15 mm后基本不傳遞剪應(yīng)力。采用碳纖維布修復(fù)損傷鋁板，修復(fù)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(fù)效果較為明顯，應(yīng)力傳遞同時(shí)發(fā)生在端部和損傷處。與加固完好試樣不同的是，CFRP修復(fù)損傷試樣破壞起源于損傷處。

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

(3)適當(dāng)增加碳纖維布層數(shù)，可以減緩端部和損傷處碳纖維布應(yīng)變梯度并提高修復(fù)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(dāng)補(bǔ)片層數(shù)過多時(shí)，膠層的剪切應(yīng)力增加，使補(bǔ)片過早發(fā)生剝離破壞，未能起到提高修復(fù)效果的作用。

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

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