尹學(xué)智，黃亞新，林 淵

（陸軍工程大學(xué)，江蘇 南京210007）

0 引言

纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料（Fiber reinforced polymer，F(xiàn)RP）因其輕質(zhì)高強(qiáng)、耐腐蝕性強(qiáng)的的特性，已經(jīng)在輕便人行橋與軍用應(yīng)急保障橋梁中得到廣泛研究與應(yīng)用[1-9]。目前主要的應(yīng)用形式為拉擠型型材通過(guò)機(jī)械連接組成整橋結(jié)構(gòu)。但是由于FRP構(gòu)件受力通常表現(xiàn)為彈脆性，其各向異性的特性也使得構(gòu)件之間的連接破壞成為一個(gè)控制難點(diǎn)。此外，由于FRP材料中的樹(shù)脂基體直接裸露在外，承受外部沖擊、耐破損性能較差，對(duì)構(gòu)件的承載性能也造成了相當(dāng)?shù)挠绊憽?/p>

纖維增強(qiáng)金屬層合板（Fiber metal laminates，F(xiàn)MLs）是一種利用膠黏劑將FRP與金屬薄層交替堆疊結(jié)合而成的新型混雜復(fù)合材料。外側(cè)的金屬層保護(hù)內(nèi)側(cè)的FRP層抵抗外側(cè)沖擊載荷，F(xiàn)RP層則提升了整個(gè)層板的強(qiáng)度與耐疲勞性能。目前FMLs的制備工藝已十分成熟，測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)在國(guó)內(nèi)已開(kāi)始起草[10]。研究應(yīng)用領(lǐng)域主要涉及航空航天[11-15]、汽車(chē)工業(yè)[16-18]、能源工程[19，20]等，但是在橋梁工程領(lǐng)域還尚未有相關(guān)研究報(bào)道。本文以裝配式應(yīng)急橋梁橋面板為對(duì)象，模擬試驗(yàn)9.6 mm厚碳纖維增強(qiáng)鋁合金層合板在輪式荷載作用下受力性能，重點(diǎn)研究鋁合金材料、碳纖維鋪層角度對(duì)層板承載性能與失效行為的影響。

1 試驗(yàn)材料與方案

1.1 試驗(yàn)材料

采用單層厚度為0.2 mm的T700/環(huán)氧碳纖維預(yù)浸料分別與牌號(hào)為7075-T6與2024-T3的2 mm厚鋁合金板制備3/2型碳纖維增強(qiáng)鋁合金層合板（即3層鋁合金層，2層碳纖維層），具體制備流程如圖1所示。

圖1 制備流程

相關(guān)材料性能參數(shù)與試樣規(guī)格尺寸見(jiàn)表1-3。

表1 鋁合金基本力學(xué)性能參數(shù)

表2 T700/環(huán)氧預(yù)浸料力學(xué)性能參數(shù)

表3 試樣規(guī)格

1.2 試驗(yàn)設(shè)備與方案

試驗(yàn)在MTS 1000KN萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，通過(guò)試驗(yàn)機(jī)獲得載荷-位移響應(yīng)。為了模擬層板在輪式荷載局部作用下的力學(xué)性能，依據(jù)《軍用橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》，參考LT-60軍用輪式荷載接地尺寸設(shè)計(jì)了加載墊塊。為了模擬橋面板實(shí)際使用工況，設(shè)計(jì)了專(zhuān)用試驗(yàn)臺(tái)架，保證構(gòu)件四周固支。試驗(yàn)布置方法如圖2所示。

圖2 試驗(yàn)布置

為了考察試件在承載過(guò)程中應(yīng)變的分布規(guī)律，在試件底部鋁合金層布置若干應(yīng)變測(cè)點(diǎn)，通過(guò)日本KYOWA UCAM-60A靜態(tài)數(shù)據(jù)采集儀實(shí)施監(jiān)測(cè)。考慮到試件的對(duì)稱(chēng)特性，測(cè)點(diǎn)布置于層板四分之一面積處，具體測(cè)點(diǎn)位置與種類(lèi)如圖3所示。

圖3 試件測(cè)點(diǎn)布置

試驗(yàn)采用手動(dòng)加載的方式進(jìn)行，前100 kN按照20 kN一級(jí)加載，100 kN以后減少為10 kN一級(jí)，在載荷出現(xiàn)明顯下降后停止加載。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 荷載位移曲線

試驗(yàn)后，整理各試件的荷載-位移曲線如圖4所示。

圖4 荷載-位移曲線

如圖4所示，各試件荷載-位移曲線存在明顯的線性段，且曲線斜率相差不大，說(shuō)明4個(gè)試件的初始剛度基本相等，碳纖維鋪層對(duì)試件初始剛度的影響不大。

在各試件荷載-位移曲線線性段的中后段，即位移在20 mm左右、荷載在125 kN左右時(shí)，如圖4中所示mn段，曲線出現(xiàn)微小振蕩，形成了類(lèi)似“平臺(tái)”?？赡艿脑蛴谢w的密集開(kāi)裂、纖維之間或纖維/鋁合金之間出現(xiàn)局部分層、試件的突然變形、鋁合金屈服等。

線性段后，各試件的荷載隨位移的增加緩慢爬升，此過(guò)程曲線斜率減小，纖維出現(xiàn)局部斷裂，而后出現(xiàn)第一次較為明顯的下降，可能是0°纖維出現(xiàn)較大面積斷裂。試件7075A-[0/90/0]在荷載第一次明顯下降后未繼續(xù)加載，作為損傷過(guò)程中的一組對(duì)照；試件7075B-[45/0/-45]和試件2024D-[0/90/0]下降最為明顯，試件2024C-[45/0/-45]下降較少。荷載第一次下降后隨位移繼續(xù)增加，且曲線斜率與線性段相比并沒(méi)有明顯變化，試件的整體剛度并沒(méi)有表現(xiàn)出明顯的下降。

此后，試件2024C-[45/0/-45]和試件2024D-[0/90/0]的荷載繼續(xù)緩慢爬升，剛度不斷下降，纖維斷裂進(jìn)一步發(fā)生，鋁合金塑性不斷發(fā)展，最后加載區(qū)短邊鋁合金與纖維完全斷裂，荷載大幅度下降。試件7075B-[45/0/-45]的荷載出現(xiàn)小幅下降，試件出現(xiàn)大面積分層，試件剛度下降，此時(shí)試件荷載位移曲線剛度僅為線性段的1/3左右，隨著鋁合金塑性發(fā)展、45°纖維斷裂的進(jìn)一步發(fā)生和表層鋁合金裂紋的生長(zhǎng)，荷載緩慢爬升，當(dāng)纖維完全斷裂時(shí)，荷載出現(xiàn)大幅度下降。整理各試件的極限荷載和破壞位移如圖5所示。

圖5 各試件的極限荷載與破壞位移

從圖5可以看出，各試件的極限荷載大體相當(dāng)，而[45/0/-45]鋪層試件的破壞位移明顯偏大，可能是45°纖維拉應(yīng)力隨位移增加較慢的原因。

2.2 荷載應(yīng)變曲線

圖6給出了各試件的荷載-應(yīng)變曲線。

圖6 試件的荷載-應(yīng)變曲線

如圖所示，各試件的荷載-應(yīng)變曲線均如荷載-位移曲線一樣發(fā)生了類(lèi)似的突然變化，可能與鋁合金屈服、界面分層和變形狀態(tài)的突然變化有關(guān)。在加載區(qū)與夾持邊界角點(diǎn)連線上的部分應(yīng)變數(shù)據(jù)的正負(fù)變化，反映了試件存在某種類(lèi)似應(yīng)變?yōu)榱愕摹胺磸濣c(diǎn)”存在，并且在加載過(guò)程中逐漸從試件中部向邊緣移動(dòng)。各試件應(yīng)變的總體變化趨勢(shì)相似，其中采用同一牌號(hào)鋁合金的試件應(yīng)變水平相差不大，而采用不同牌號(hào)的鋁合金的試件應(yīng)變水平相差較大，采用2024-T3鋁合金的試件的應(yīng)變水平大約為采用7075-T6鋁合金的試件的應(yīng)變水平的2倍，因?yàn)?075-T6鋁合金的強(qiáng)度比2024-T3鋁合金大很多。加載區(qū)邊界的應(yīng)變水平最高，其中同一測(cè)點(diǎn)0度方向應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)最快，90°方向其次，45°方向應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)較慢，客觀反映纖維拉應(yīng)力可能也存在類(lèi)似趨勢(shì)，所以在剪應(yīng)力水平接近時(shí)，[45/0/-45]鋪層的試件承載能力喪失的較晚，對(duì)應(yīng)試件破壞位移較大。

2.3 失效模式

試驗(yàn)過(guò)程中各試件可視失效模式主要有加載區(qū)邊緣變形、加載區(qū)邊緣裂紋、加載區(qū)與夾持邊對(duì)角變形、夾持區(qū)邊緣變形和試件邊緣屈曲。分別就各部位損傷情況加以分析。圖7給出了各試件上下表面加載區(qū)附近損傷形式。

圖7 試件加載區(qū)附近損傷形式

如圖 7（a）、（b）所示，試件 7075A-[0/90/0]僅上表面加載區(qū)邊緣受加載塊影響有明顯的壓痕，但沒(méi)有明顯裂紋，下表面與試驗(yàn)前相比沒(méi)有明顯變化，因?yàn)樵嚰H加載至極限荷載，加載位移較小，變形不明顯。圖7（c）所示試件7075B-[45/0/-45]上表面加載區(qū)短邊鋁合金完全斷裂，裂紋兩側(cè)鋁合金有較明顯的錯(cuò)動(dòng)，圖7（d）所示試件7075B-[45/0/-45]下表面在加載區(qū)邊緣和加載區(qū)與夾持邊對(duì)角連線有明顯的變形，并伴有局部屈曲，加載區(qū)邊緣鋁合金可能形成較大的塑性變形和材料的界面分層。圖7（e）所示試件2024C-[45/0/-45]上表面加載區(qū)短邊完全斷裂，且裂紋向外生長(zhǎng)時(shí)有較明顯的45°傾斜角，可能與材料鋪層相關(guān)，圖 7（f）所示試件 2024C-[45/0/-45]下表面存在明顯裂紋，且裂紋方向接近45°，推測(cè)試件表面裂紋的發(fā)生和生長(zhǎng)可能與纖維鋪層角度有關(guān)。圖7（g）所示試件2024D-[0/90/0]上表面在加載區(qū)兩短邊均出現(xiàn)完整裂紋，圖7（h）所示試件下表面裂紋方向與上表面一致。

對(duì)比發(fā)現(xiàn)，試件上表面在加載區(qū)短邊極易形成沿短邊的裂紋，這可能與接觸位置的應(yīng)力集中有關(guān)，可能伴隨局部分層。使用2024-T3鋁合金的試件比使用7075-T6鋁合金試件更易發(fā)生斷裂，這可能與鋁合金材料強(qiáng)度有關(guān)，2024-T3鋁合金的拉伸強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度比7075-T6鋁合金小很多。此外，試件表面鋁合金裂紋的發(fā)生和生長(zhǎng)可能與纖維鋪層有關(guān)，纖維材料的各向異性使試件在不同方向上的抗剪能力存在差異，裂紋會(huì)沿某一較弱方向發(fā)生和發(fā)展，[0/90/0]鋪層的試件0°纖維先發(fā)生斷裂，裂紋會(huì)沿90°方向發(fā)生和發(fā)展，而[45/0/-45]鋪層試件0°纖維先發(fā)生大范圍斷裂，而后45°纖維發(fā)生局部斷裂，裂紋會(huì)沿著該方向繼續(xù)生長(zhǎng)。

隨著加載的進(jìn)行，試件長(zhǎng)邊方向壓應(yīng)力逐漸增大，當(dāng)壓應(yīng)力增加到一定程度時(shí)，發(fā)生壓縮失穩(wěn)，試件邊緣伴隨發(fā)生屈曲，試件邊緣局部屈曲如圖8所示。試件由于加載程度和材料、鋪層等的不同，屈曲程度存在較大差異，其中試件試件7075A幾乎沒(méi)有發(fā)生明顯的屈曲，下圖僅列舉代表性特征。

圖8 部分試件局部屈曲

從圖8可以看出，試件在發(fā)生屈曲時(shí)還會(huì)伴隨鋁合金斷裂、纖維層破碎、材料界面分層等損傷形式，其中試件7075B-[45/0/-45]和試件2024C-[45/0/-45]由于破壞位移較大，試件變形嚴(yán)重，屈曲也更為明顯，如圖8(c)所示，試件7075B-[45/0/-45]的邊緣幾乎發(fā)生了纖維金屬層板可能發(fā)生的所有損傷形式，而如圖8(d)所示試件2024D-[0/90/0]主要發(fā)生邊緣的纖維/鋁合金界面分層，伴有較小范圍的纖維破碎和小幅度的鋁合金屈曲。

此外，試件的邊緣分層主要發(fā)生在纖維/鋁合金界面，纖維層間分層較少，試件邊緣分層如圖9所示。

圖9 部分試件邊緣分層

從圖9可以看出，試件7075A-[0/90/0]一邊分層較為嚴(yán)重，一邊幾乎沒(méi)有分層，且最明顯的分層發(fā)生在纖維/鋁合金界面。試件7075B邊緣幾乎完全分層，可視的主要分層仍舊發(fā)生在纖維/鋁合金界面，如圖9（c）所示。試件2024D的分層主要也是纖維/鋁合金界面分層，伴有較少的纖維界面分層。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，試件分層的嚴(yán)重程度與試件的變形直接相關(guān)，也與加載的最終位移相關(guān)，破壞位移越大，試件變形越大，試件的邊緣分層范圍越大和程度越深。

2.4 承載機(jī)理

（1）試件初始剛度

試件的分析可以參考經(jīng)典層板理論。依據(jù)經(jīng)典層合板理論，層合板應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系如式（1）所示。

層合板單層的內(nèi)力N和內(nèi)力矩M由應(yīng)力對(duì)厚度積分得到，而層合板的應(yīng)力是不連續(xù)的，因此需要分層積分，由此可得如下關(guān)系。

即

上式可以寫(xiě)成

式中，A、B、D是層板的剛度系數(shù)。

由式（5）可知，層合板總剛度與各層剛度和層厚有關(guān)，對(duì)本試驗(yàn)中的試件，鋁合金材料和鋪層的厚度相同，對(duì)鋪層相同的試件由于鋁合金和碳纖維的彈性參數(shù)相同，試件剛度相同，對(duì)于鋪層不同的試件，由于各單層材料厚度相同，僅需對(duì)其中一組[0/90/0]鋪層和[45/0/-45]鋪層的剛度進(jìn)行分析，即可判斷層合板總剛度的關(guān)系?？梢酝ㄟ^(guò)轉(zhuǎn)軸關(guān)系計(jì)算[45/0/-45]鋪層在0°和90°方向的彎曲剛度，比較與[0/90/0]鋪層的剛度關(guān)系。單層材料的偏軸關(guān)系如下圖所示。

圖10 偏軸示意圖

由圖10所示兩種坐標(biāo)之間的關(guān)系和單元體平衡關(guān)系，在x-y坐標(biāo)中應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系可表示為：

其中用工程常數(shù)表示的剛度為

如式（7）所示，通過(guò)該式可以計(jì)算不同鋪層角度下層合板主方向剛度，代入材料參數(shù)和鋪層角度，計(jì)算結(jié)果如下表4所示。

表4 層板剛度計(jì)算

從表中可以看出，[45/0/-45]鋪層的彎曲剛度比[0/90/0]鋪層的剛度略小，而剪切剛度接近[0/90/0]鋪層的2倍，折算到整個(gè)層板則兩種鋪層的剛度數(shù)據(jù)會(huì)更為接近，再考慮實(shí)際加工導(dǎo)致試件的厚度不均勻，構(gòu)件實(shí)際剛度關(guān)系與荷載位移曲線所示基本相符，4個(gè)試件的實(shí)際初始剛度大體相當(dāng)。

（2）承載性能

前述應(yīng)變數(shù)據(jù)表明使用同種鋁合金材料的試件應(yīng)變隨荷載變化相差不大。試件在相同的位移條件下，其應(yīng)變效果可由下圖11近似解釋。在邊界固定時(shí)，加載區(qū)位移相同的條件下，初始長(zhǎng)度越長(zhǎng)，則該方向平均應(yīng)變?cè)叫?。圖中所示可以發(fā)現(xiàn)，0°方向初始長(zhǎng)度最短、90°方向其次、45°方向初始長(zhǎng)度最長(zhǎng)，對(duì)應(yīng)位移相同的條件下0°方向應(yīng)變最大、90°方向其次，而45°方向明顯較小，這與試驗(yàn)測(cè)得的應(yīng)變結(jié)果相吻合。在不發(fā)生較大面積分層的條件下，可以判斷纖維也有類(lèi)似的應(yīng)變規(guī)律。也正是由于45°方向應(yīng)變隨位移增加較慢，所以[45/0/-45]鋪層的試件的最終破壞位移明顯比[0/90/0]鋪層的試件更大，而從初始長(zhǎng)度的關(guān)系也與試驗(yàn)破壞位移的比例關(guān)系接近。

圖11 各方向初始長(zhǎng)度

此外，本試驗(yàn)失效模式與剪切應(yīng)力存在直接關(guān)系，根據(jù)三維應(yīng)力狀態(tài)的Hashin準(zhǔn)則，判斷纖維拉伸或剪切破壞的理論公式如式(8)所示。

當(dāng)應(yīng)力條件滿(mǎn)足上述公式時(shí)，纖維發(fā)生斷裂。

當(dāng)荷載達(dá)到200 kN左右，位移達(dá)到30 mm左右時(shí)，0°纖維的拉應(yīng)力的達(dá)到某一水平，纖維在拉應(yīng)力和剪應(yīng)力的共同作用下從剪應(yīng)力最大處開(kāi)始逐步發(fā)生斷裂，由于試件的總體變形關(guān)系，加載區(qū)短邊的剪應(yīng)力水平遠(yuǎn)高于，因此纖維斷裂從加載區(qū)角點(diǎn)位置逐漸擴(kuò)展至整條短邊，其荷載-位移曲線出現(xiàn)第一次明顯下降，此時(shí)，90°或45°纖維拉應(yīng)力水平較小，除加載區(qū)角點(diǎn)位置出現(xiàn)局部斷裂，不會(huì)發(fā)生較大范圍的斷裂。對(duì)[0/90/0]鋪層的試件，隨著位移的繼續(xù)

增加，90°方向纖維拉應(yīng)力逐漸增大，荷載逐漸回升，在某一時(shí)刻，纖維在拉應(yīng)力和剪應(yīng)力的共同作用下達(dá)到強(qiáng)度極限，纖維大范圍斷裂，試件承載性能大幅度下降。對(duì)[45/0/-45]鋪層的試件，由于其破壞荷載與[0/90/0]鋪層的試件接近，可以判斷其剪應(yīng)力水平接近，而45°纖維要到達(dá)強(qiáng)度破壞條件就需要與0°、90°纖維同樣的拉應(yīng)力水平，它需要更大的位移才能達(dá)到同樣的應(yīng)力水平，這就很好的解釋了[45/0/-45]鋪層的試件的破壞位移明顯比[0/90/0]鋪層的試件大的原因，且由于各試件極限荷載大致相當(dāng)，其剪應(yīng)力基本相等，可以推斷不同鋪層方向的纖維斷裂時(shí)的拉應(yīng)變差異不大，其對(duì)應(yīng)位移關(guān)系與圖10所示初始變形長(zhǎng)度的關(guān)系接近。

3 試驗(yàn)結(jié)論

試驗(yàn)中，4個(gè)鋁合金材料和碳纖維鋪層不同的試件承載能力差異不大，但破壞形式存在明顯不同。各試件的破壞主要發(fā)生在加載塊短邊位置，試件破壞由剪應(yīng)力和拉應(yīng)力共同控制，其中，7075A、7075B試件在破壞時(shí)纖維先發(fā)生斷裂，而鋁合金未見(jiàn)明顯裂紋，2024C、2024D試件纖維和鋁合金層均發(fā)生明顯裂紋。且裂紋方向與纖維鋪層方向有關(guān)，當(dāng)鋪層為0°、90°時(shí)，裂紋沿加載塊短邊生長(zhǎng)，當(dāng)鋪層包含正負(fù)45°時(shí)，裂紋會(huì)沿某一45°方向生長(zhǎng)。

在加載過(guò)程中，各試件的荷載-位移曲線存在平臺(tái)段，且[45/0/-45]鋪層的試件的破壞位移明顯比[0/90/0]鋪層的試件大。此外，當(dāng)板變形較大時(shí)，板邊出現(xiàn)壓縮失穩(wěn)現(xiàn)象，并由此引發(fā)板的局部屈曲，屈曲會(huì)導(dǎo)致局部分層，且分層、屈曲會(huì)發(fā)生相互作用，加深損傷程度。