Experimental study on mechanical properties and recoverability of FRP/shape memory alloy composites
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摘要: 利用形状记忆合金(SMA)的回复效应将预应力引入到纤维增强复合材料(FRP)中是一种新理念。本文将FRP与SMA复合，形成一种新的复合材料用于结构加固修复中，开展了FRP/SMA复合材料的力学性能和受限回复性能试验。在力学性能试验中，将SMA丝的数量和直径作为试验变量，分析它们对FRP/SMA复合材料拉伸性能的影响；在受限回复试验中，将SMA丝直径和预应变水平作为试验变量，分析其对SMA丝及FRP/SMA复合材料可回复性能的影响。在试验研究的基础上，给出了第一类FRP/SMA复合材料的材料强度、极限应变和弹性模量的预测模型和FRP/SMA复合材料回复应力-温度模型。试验结果表明，在一定掺量内，提高掺入SMA丝的数量能够提高复合材料的最大断裂应变和抗拉强度，掺入的丝数量越多，断后残余强度越大。SMA丝的直径显著影响复合材料试件的拉伸弹性模量。在受限回复性能试验中，FRP/SMA复合材料的回复应力在相变区间内随温度的升高呈明显的上升趋势，复合材料的最大回复应力将会随预应变水平的提高而增大。提出的基于Brinson模型的修正模型，预测值与试验值吻合较好，可以有效地预测SMA丝和FRP/SMA复合材料的回复应力与温度的关系。Abstract: Using the recovery effect of shape memory alloy (SMA) to introduce prestress into fiber reinforced polymer (FRP) is a new idea. In this paper, FRP and SMA are compounded to form a new composite material for structural strengthening and repair. The mechanical properties and limited recovery properties of FRP/SMA composites are tested. In the mechanical property test, the number and diameter of SMA wires are taken as test variables, and their effects on the tensile properties of FRP/SMA composites are analyzed. In the limited recovery test, the SMA wire diameter and pre-strain level were taken as test variables to analyze their effects on the recoverable properties of SMA wire and FRP/SMA composites. On the basis of experimental research, the regression equations of recovery stress temperature of SMA wire and FRP/SMA composites are given. The test results show that increasing the number of SMA wires can improve the maximum fracture strain and tensile strength of the composite. The more wires are added, the greater the residual strength after fracture. The diameter of SMA wire significantly affects the tensile elastic modulus of composite specimens. In the limited recovery performance test, the recovery stress of FRP/SMA composites shows an obvious upward trend with the increase of temperature in the phase transition range, and the maximum recovery stress of composites will increase with the increase of pre-strain level. The modified model based on Brinson’s model is proposed, and the predicted values are in good agreement with the experimental values, which can effectively predict the relationship between the recovery stress and temperature of SMA wire and FRP/SMA composites.
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纤维复合材料(Fiber reinforced polymer，FRP)由于其具有优良的材料性能，目前在土木工程结构的修复与加固中得到较广泛的应用 [1-3]。为了充分发挥FRP材料的轻质高强特性，一个有效的方法是将预应力引入到FRP片材中。然而，传统的机械式预应力施加方法存在施工复杂、施工空间狭小、预应力损失较大等缺点，限制了预应力FRP片材的推广与应用 [4-7]。因此，急需研究新的方法对FRP片材引入预应力。
目前，一种性能优异的材料-形状记忆合金(Shape memory alloy，SMA)正在进入土木工程领域[8-13]，SMA具有两种典型的特性：超弹性性能和形状记忆效应[14-18]。Zafar等[18]将超弹性的SMA丝与玻璃纤维复合材料(Glass fiber reinforced polymer，GFRP)纤维及高伸长率树脂相结合，研究复合棒材的基本力学性能和滞回性能。Zheng等[19-20] 、El-Tahan等[21]将SMA丝作为加固材料，FRP作为锚固片材，对钢板进行疲劳加固。通过FRP将SMA粘贴在钢板表面，并利用SMA丝的回复性能将预应力引入钢板，以减小钢板的应力幅。此外，超弹性SMA丝特殊的电阻特性被用来制作FRP/SMA组合中的应变传感元件，以监测结构健康状况[22]。
结合SMA和FRP两种材料的优异性能，本文提出了一种新的FRP/SMA复合材料主动增强技术[23-25]。该项加固技术所应用的加固层是由SMA丝和FRP片材两种材料组成：SMA丝作为预应力引入介质嵌入到FRP片材内部，利用SMA的回复性能在FRP片材中引入预应力。该项技术克服了机械张拉过程中FRP片材不易夹持，预应力不易施加等问题[25-27]。
为验证该项技术的可行性，本文开展了SMA丝与碳纤维复合材料(Carbon fiber reinforced polymer， CFRP)片材形成的复合材料的力学性能和可回复性能试验研究。
1. FRP/SMA复合材料的力学性能
FRP/SMA复合材料主动增强技术(图1)的工作原理是利用SMA丝的形状记忆效应将SMA产生的回复力引入加固区。在修复与加固工程中，首先在端部采用FRP片材将SMA丝材锚固于梁底面，同时，在加固区的FRP片材与混凝土梁底面涂刷环氧树脂类粘结材料进行粘结，然后通过SMA丝材的升温回复将预应力引入加固区中的FRP片材中，在环氧树脂固化过程中，FRP片材中的预应力传递到混凝土中，从而改善被加固结构受力性能。
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图 1 纤维增强复合材料(FRP)/形状记忆合金(SMA)复合材料预应力增强系统Figure 1. Fiber reinforced polymer (FRP)/shape memory alloy (SMA) composite prestressed strengthening system1.1 原材料
SMA丝为西安思维金属材料有限公司生产的镍钛(NiTi)合金，直径为0.5 mm和1.0 mm。根据差示扫描量热法测试结果，0.5 mm和1.0 mm丝的奥氏体、马氏体相变温度如表1所示。可以看出，在常温(20℃)的条件下，NiTi丝处于马氏体相。
表 1 材料的物理力学性能Table 1. Physical and mechanical properties of materialsMaterial Diameter φ/mm Austenite transition temperature/℃ Martensite transition temperature/℃ Phase transition stress/MPa Strength/
MPaElastic modulus/
GPaElongation/
%Start
AsFinish Af Start Ms Finish Mf SMA wire 0.5 106.12 121.40 55.34 27.34 122 982 12.2 78.0 1.0 79.13 105.46 59.00 35.81 117 906 10.4 75.0 CFRP – – – – – 3000 247.7 1.2 Epoxy resin – – – – – 35 2.2 1.6 Notes: CFRP—Carbon fiber reinfored plastic; Af—Austenite finish temperature; As—Austenite start temperature; Ms—Martensite start temperature; Mf—Martensite finish temperature. 图2为0.5 mm和1.0 mm的NiTi合金丝在常温下单调拉伸的典型试验结果。在1.0 mm/min加载速率下，0.5 mm和1.0 mm的丝的应力-应变关系曲线表现出一致性，SMA丝从试验加载到拉断，整个应力-应变曲线可分为4个阶段：从开始加载到SMA丝的应力达到相变开始应力σs之前，SMA处于弹性阶段。随着拉伸荷载的增加，SMA丝应力超过相变开始应力σs时，触发SMA丝发生相变，此时SMA丝的应力基本不增长而应变持续增加，所对应的相变阶段的应变从1.5%开始一直持续到7%左右。当SMA丝的拉伸应力超过相变结束应力σf时，应力-应变曲线表现为明显的上升趋势。而后试件截面发生局部颈缩，变形持续增加，超过了极限抗拉强度后，应力随之下降直至断裂。
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图 2 SMA丝单调拉伸应力-应变关系曲线Figure 2. Stress-strain relationship of SMA wires in monotonic tensionσs—Phase transition initiation stress; σf—End-phase change stressFRP材料为卡本复合材料(天津)有限公司所生产的CFS-I-300高强I型CFRP单向布，根据《纤维增强复合材料建设工程应用技术规范》[28]，试件的设计尺寸为250 mm×25 mm×0.167 mm，标距为150 mm。环氧树脂为配套的CFSR-A/B型碳纤维浸渍胶，拉伸测试标准依据GB/T 2567—2008[29]，标距为50 mm的棒骨试件拉。在2.0 mm/min的加载速率下，CFRP片材试件表现为脆性断裂破坏，拉伸强度为3000.0 MPa，最大拉伸应变量为1.2%，弹性模量为247.7 GPa。环氧树脂胶抗拉强度为35.0 MPa，最大拉伸应变约为1.6%，弹性模量为2.2 GPa。表1给出了所有材料的物理力学性能指标。
1.2 试件设计
FRP/SMA复合材料由一层CFRP片材垫层、一层SMA丝中间夹层及一层CFRP片材覆盖层组成。它们之间使用环氧树脂相互牢固粘结。本文设计了两种FRP/SMA复合材料试件：第一种类型(I类)的复合材料试件是由CFRP片材与SMA丝在全部长度范围内进行复合，用于测试复合材料的力学性能；第二种类型(II类)的复合材料试件是将FRP片材与SMA丝进行部分复合并留出一段非复合区—激活段，用于对SMA丝通电升温，测试复合材料的回复性能，如图3所示。
I类复合材料试件设计了SMA丝的根数和SMA直径两个试验变量，共4组试件；II类复合材料试件的试验变量为SMA丝的初始拉应变，共3组试件，如表2所示。表中符号“FRP/SMA-I、FRP/SMA-II”表示两类试件；“0.5、1.0”表示SMA丝的直径分别为0.5 mm和1.0 mm；“5、10和15”分别表示SMA丝的根数；“4%、6%和8%”分别为SMA丝的初始拉应变。
1.3 试验装置
试验加载装置为电液伺服万能试验机，力传感器量程为300 kN。荷载值通过采集软件自动记录，之后换算成试件的应力值。应变通过TST3827E动静态信号测试分析系统采集。环境温度为20℃，试验过程采用等位移速率控制，设定为2.0 mm/min，拉伸试件直至破坏。
1.4 试验结果与分析
1.4.1 破坏形态
图4为I类FRP/SMA复合材料试件的典型破坏形态，主要有两种：CFRP片材纵向劈裂破坏，如图4(a)所示；CFRP片材中部爆裂破坏，如图4(b)所示。CFRP片材纵向劈裂破坏是随着荷载的增加，试件的拉伸段出现一条贯通的主裂缝，使试件沿着拉伸方向产生过大的剪切力而造成的，破坏形式更类似于CFRP片材的拉伸破坏模式。CFRP片材中部爆裂破坏是随着试验载荷的增加，试件中部CFRP片材中的纤维丝相继达到拉伸强度，断裂并伴随着剧烈的爆裂声的破坏模式。
表 2 两种类型的FRP/SMA复合材料试件Table 2. Two types of FRP/SMA composite specimensSpecimen type Specimen Number of
SMA wiresDiameter of
SMA/
mmPrestrain/
%Length of composite
section/
mmFRP/SMA-I FRP/SMA-I-0.5-5-4% 5 0.5 4 250 FRP/SMA-I-0.5-10-4% 10 0.5 4 250 FRP/SMA-I-0.5-15-4% 15 0.5 4 250 FRP/SMA-I-1-10-4% 10 1.0 4 250 FRP/SMA-II FRP/SMA-II-1.0-10-4% 10 1.0 4 2×70 FRP/SMA-II-1.0-10-6% 10 1.0 6 2×70 FRP/SMA-II-1.0-10-8% 10 1.0 8 2×70 1.4.2 应力-应变关系曲线
图5给出了I类FRP/SMA复合材料试件单调拉伸直至破坏的应力-应变曲线。可知，所有试件的应力-应变关系曲线在破坏前近似为一条直线。断裂之后，试件仍然有一定的残余强度，主要来自于未断裂的CFRP纤维和SMA丝的贡献。还可以看出，对于发生纵向劈裂破坏的试件，随着SMA丝用量和直径的增加，FRP/SMA复合材料的极限抗拉强度有所降低，而断裂应变基本不变。如极限抗拉强度由FRP/SMA-I-0.5-5试件组的2544.0 MPa(平均值)降低到FRP/SMA-I-1-10试件组的2031.0 MPa(平均值)，对应的最大断裂应变为1.3%~1.4%。值得注意的是，对于发生中部爆裂破坏的试件，其极限抗拉强度的平均值接近CFRP片材的抗拉强度，说明这种破坏模式下，SMA丝对复合材料抗拉强度的贡献非常有限，CFRP起到主要作用。表3给出了I类FRP/SMA复合材料试件的试验结果。
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图 5 FRP/SMA复合材料试件的应力-应变曲线Figure 5. Stress-strain curves of FRP/SMA composite specimen表 3 FRP/SMA复合材料试验与分析结果Table 3. Test and analysis results of FRP/SMA compositesSpecimen No. Strength/MPa Elastic modulus/GPa Fracture strain/% Failure mode Test value Calculated value Test value/
calculated valueTest value Calculated value Test value/
calculated
valueTest value Calculated value Test value/
calculated
valueFRP/SMA-I-0.5-
5-4%1 2206 2840 0.78 158.7 234.7 0.68 1.39 1.2 1.16 Longitudinal splitting 2 2617 0.92 186.9 0.80 1.40 1.17 3 2809 0.98 205.0 0.87 1.37 1.14 FRP/SMA-I-0.5-10-4% 1 2326 2697 0.86 169.7 222.9 0.76 1.32 1.2 1.10 Longitudinal splitting 2 2566 0.95 192.9 0.87 1.33 1.11 3 2828 1.05 212.6 0.95 1.28 1.07 FRP/SMA-I-0.5-15-4% 1 2602 3000 0.87 154.9 212.4 0.73 1.68 1.41 1.19 Burst failure 2 2992 1.04 188.4 0.89 1.65 1.17 3 2999 1.00 196.0 0.92 1.65 1.17 FRP/SMA-I-1.0-10-4% 1 1968 2078 0.95 145.8 171.8 0.85 1.35 1.2 1.13 Longitudinal splitting 2 2085 1.00 156.8 0.91 1.33 1.11 3 2039 0.98 156.8 0.91 1.30 1.08 Average value 0.95 0.85 1.13 Standard deviation 0.08 0.08 0.04 Coefficient of variation 0.08 0.09 0.04 根据试验结果，FRP/SMA复合材料在破坏之前的应力-应变关系可以视为线性关系，即应力等于应变与弹性模量的乘积；破坏之后，认为CFRP片材不参与工作，只有SMA丝提供强度，且复合材料破坏时的应变均处于SMA丝相变阶段，因此复合材料的应力取SMA丝的相变应力σs，可以给出FRP/SMA复合材料的应力-应变曲线为
σfs={Efsεfs0⩽εfs⩽εfs,uσsεfs>εfs,u (1) 式中：
σfs 为FRP/SMA复合材料的应力；εfs 为FRP/SMA复合材料的应变；εfs,u 为FRP/SMA复合材料的极限拉应变；Efs 为FRP/SMA复合材料的弹性模量；σs 为SMA丝的相变开始应力。FRP/SMA复合材料的弹性模量可以按照下式计算：
Efs=EfAfs+EsAssAfs+Ass (2) 式中：Ef、Es分别是CFRP片材的弹性模量和SMA丝的弹性模量；Afs、Ass分别是CFRP片材的截面面积和SMA丝的截面面积。
FRP/SMA复合材料的极限拉应变可以按照下式计算：
εfs,u={εf纵向劈裂ffs,uEfs爆裂破坏 (3) ffs,u={ffuAfs+σsAssAfs+Ass纵向劈裂ffu爆裂破坏 (4) 式中：ffu、σs分别是CFRP片材的极限抗拉强度和SMA丝的相变开始应力；ffs,u为FRP/SMA复合材料的极限抗拉强度。
表3给出了试验结果与计算结果的比较。可以看出，抗拉强度、弹性模量及断裂应变的试验值与计算值比值的平均值分别为0.95、0.85和1.13，变异系数分别为0.08、0.09和0.04，计算值与试验值吻合较好。然而，弹性模量的计算值略高于试验值，断裂应变的计算值略低于试验值，其原因是每组试验中均有单个试件的抗拉强度相对较低，而断裂应变相差不大，从而造成该试件的弹性模量也相对较低，影响了平均值和变异系数。
2. FRP/SMA复合材料的可回复性能
为了清楚地了解FRP/SMA复合材料的回复性能，本文进行了SMA丝及FRP/SMA复合材料的受限回复试验，采用通电升温的方式获得回复应力。
2.1 SMA丝的回复性能
2.1.1 试件设计
在SMA丝回复性能试验中，设计了7组试件，每组试件包含2个试样，SMA丝试件两夹头之间距离200 mm(图6)。试验变量为SMA丝的直径和初始拉应变水平，直径为0.5 mm和1.0 mm，初始拉应变设计为4%、6%、8%和10%，如表4所示。
表 4 SMA回复性能试验试件设计与试验结果Table 4. Design and test results of SMA recovery test specimenSpecimen Length
of SMA/
mmDiameter of SMA/
mmPrestrain/
%Average value of
maximum recovery
stress/
MPaSMA-0.5-4% 200 0.5 4 202 SMA-0.5-6% 200 0.5 6 273 SMA-0.5-8% 200 0.5 8 288 SMA-0.5-10% 200 0.5 10 295 SMA-1.0-4% 200 1.0 4 267 SMA-1.0-6% 200 1.0 6 312 SMA-1.0-8% 200 1.0 8 391 预先对SMA丝施加初始预拉伸应变，将SMA丝的夹持端用砂纸打磨后用绝缘胶布包裹后放置在电子万能材料试验机的夹具中。电源为直流高压稳压直流电源，采用电流控制并达到设计温度。在升温过程中，采用温度传感器实时监测温度的变化情况。试验中记录SMA丝的回复应力随温度变化的曲线，确定目标电流下SMA丝所能达到的最高应力水平(σmax)及该应力水平所对应的温度(Tσ)，试验加载装置如图6所示。
2.1.2 试验结果与分析
0.5 mm直径的SMA丝在不同初始拉应变水平下的受限回复应力与温度的关系曲线如图7所示。可以看出，随着温度的升高，SMA丝发生奥氏体相变，产生了很大的回复应力，并且其回复应力随温度的升高而迅速增加。当温度大于奥氏体相变结束温度Af后，回复应力值的增加趋于平缓，此时应力的下降是由温度热膨胀引起的。表4统计了所有试件的最大回复应力。可以看出，当0.5 mm的SMA丝的预应变水平分别为4%、6%、8%和10%时，最大回复应力分别为202 MPa、273 MPa、288 MPa和295 MPa，即随着预拉伸应变水平的增大，最大回复应力也均随之增加。
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图 7 0.5 mm SMA丝不同预应变水平情况下回复应力随温度的变化曲线Figure 7. Recovery stress curves of 0.5 mm SMA wire with different pre-strain levels as a function of temperature1.0 mm直径的SMA丝不同预应变水平下的受限回复应力与温度的关系曲线如图8所示。与0.5 mm直径的SMA丝所表现出来的性质类似，最大回复应力随预拉伸应变水平的增加而增加。但是相比于相同预拉伸应变水平下0.5 mm直径SMA丝，1.0 mm直径的SMA丝的回复应力有明显的提升，如表4所示。可以看出，当1.0 mm的SMA丝的预应变水平分别为4%、6%、8%时，最大回复应力分别为267 MPa、312 MPa和391 MPa。
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图 8 1.0 mm SMA丝不同预应变水平情况下回复应力随温度的变化曲线Figure 8. Recovery stress and temperature curves of 1.0 mm SMA wire with different pre-strain levels2.2 基于Brinson模型的受限回复分析
2.2.1 理论推导
Brinson模型[30-32]将马氏体分为温度诱发的马氏体和应力诱发的马氏体两部分，相对应的两部分的马氏体体积分数分别用ξT和ξS表示。受限回复过程中，SMA的马氏体相变开始和结束温度及马氏体逆相变的开始和结束温度都将因应力水平不同而有所改变。考虑应力因素后的马氏体相变开始和结束温度及马氏体逆相变开始和结束温度分别设为Msm、Mfm、Asm、Afm。
Brinson[31]根据SMA在相变过程中自由能应达到最小值的原理建立了SMA的本构关系模型，并考虑了应力诱导马氏体含量对本构关系的影响。根据Brinson模型可知，SMA的本构关系可表达为
σ−σ0=E(ξ)ε−E(ξ0)ε0+Ω(ξ)ξS−Ω(ξ0)ξS0+Θ(T−T0) (5) 其中：
E(ξ) 为SMA丝的弹性模量；Ω(ξ) 为SMA的相变张量；下标0表示SMA材料的初始状态。将SMA的回复应力用σr表示，则SMA初始状态为σ0 r=0，ε0=εm，ξ0=1，ξS0=εm/εL，T0=Tm<Mf。其中，εm为SMA拉伸后的残余应变，εL为最大可回复应变。由于SMA初始的应力诱发马氏体分数ξS0不大于1，故当εm略大于εL时，取εm等于εL，即此时有ξS0=1。
为便于计算加热受限回复过程中的回复应力，基于Brinson模型对其进行分段推导：
① 当T≤As m时，没有发生马氏体逆相变，此时受限回复应力与温度之间的关系为
σr−σr0=Θ(T−Tm) (6) ② 当T=As m时，SMA即将发生马氏体逆相变，应力达到临界点，由式(5)可得：
σrAms=Θ(Ams−Tm) (7) ③ 当As m<T≤Af m时，SMA发生马氏体逆相变，此时SMA初始状态为σ0 r=
σAmsr ，ε0=εm，ξ0=1，ξS0=εm/εL，T0=As m。马氏体含量和应力诱发马氏体含量可分别表示为ξ=12cos[aA(T−As)−σr/CA]+12 (8) ξs=ξS02cos[aA(T−As)−σr/CA]+ξS02 (9) SMA刚开始发生马氏体逆相变时，温度为As m，此时应力诱发马氏体含量仍为ξS0，
aA 和CA 为SMA丝的材料常数，根据式(8)和式(9)可得：Ams=CAAs−ΘTmCA−Θ (10) 当SMA发生马氏体逆相变时，根据式(5)受限回复应力与温度的关系可表示为
σr−σAmsr=Θ(T−Ams)+E(ξ)ε02{1−cos[aA(T−As)−σr/CA]} (11) 当T=Af m时，马氏体逆相变结束，受限回复应力达到临界点，可表示为
σAmfr=Θ(Amf−Ams)+(EA−EM)ε0+εLEMξS0+σAmsr (12) 由式(9)和式(12)可得：
Amf=EAε0+CAAf−ΘAmsCA−Θ (13) 当T≥Af m时，马氏体逆相变完成。此时SMA初始状态为：σ0 r=
σAmfr ，ε0=εm，ξ0=0，T0=As f。根据式(5)，受限回复应力与温度的关系可表示为σr−σAmfr=Θ(T−Amf) (14) 当温度达到Afm时，此时SMA丝内部相变已经完成，因此将此时产生的受限回复应力定义为最大受限回复应力。
2.2.2 数值模拟
根据上述分析，对SMA丝受限回复过程性能进行计算，并与试验结果进行了对比，如图9所示。根据试验数据和表1所列的试验参数，可得计算过程中所需的SMA材料参数取值。
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图 9 SMA丝回复应力-温度模拟曲线Figure 9. Stress-temperature simulation curves of SMA wire recovery0.5 mm和1.0 mm的SMA丝在不同预应变水平情况下的最大回复应力的试验平均值和Brinson模型的模拟值进行了比较，如图10所示。可以看出，针对不同预应变水平情况下，升温阶段计算曲线均与试验曲线吻合较好，特别是计算所得最大受限回复应力与试验实测值较接近，表明基于Brinson模型提出的修正模型可较好地描述SMA的升温阶段受限回复性能。
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图 10 SMA丝最大回复应力试验值和模拟值比较Figure 10. Comparison of the test value and simulation value of maximum recovery stress of SMA wire2.3 FRP/SMA复合材料的受限回复性能
2.3.1 试验方案
由前述试验结果可知，直径为1.0 mm的SMA丝的回复应力-温度曲线与预应变水平相关性较好。在制备复合材料试件时，1.0 mm丝有一定的刚度，在操作上更有可行性。因此，在FRP/SMA复合材料回复性能试验中使用的是直径为1.0 mm的SMA丝。试验设计了3组试件，每组试件包含2个试样，试件激活段长度为150 mm，丝直径为1.0 mm，试验变量为初始拉伸应变水平，分别设置了4%、6%和8%。
试验装置及试件细部分别如图11(a)和图11(b)所示。值得注意的是，由于涉及到试件内多根SMA丝同时进行通电加热，使用与丝间距相配套的螺母连接相互临近的丝，这样可将丝串联形成串联电路，如图11(c)和图11(d)所示。加热激活区SMA丝与复合段之间预留绝热段，加热激活段端部与复合段端部的距离为L=10 mm，这可保证复合段不受SMA丝加热的影响。
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图 11 FRP/SMA复合材料试件受限回复试验Figure 11. Restricted recovery test of FRP/SMA composite specimen2.3.2 试验结果与分析
FRP/SMA复合材料试件受限回复应力与温度的关系曲线如图12所示。可知，与SMA丝受限回复试验类似，FRP/SMA复合材料试件的回复表现出首先缓慢上升，当达到奥氏体相变开始温度后回复应力迅速增长，达到奥氏体相变结束温度后回复应力趋于稳定的趋势。复合试件的最大回复应力随预应变水平的增加而增加，但与SMA单丝试件相比，其最大回复应力略有降低。表5统计了所有试件的最大回复应力。可以看出，当FRP/SMA复合材料试件的预应变水平分别为4%、6%、8%时，最大回复应力的平均值分别为247 MPa、284 MPa、358 MPa，即随着预拉伸应变水平的增大，最大回复应力也均随之增加。
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图 12 FRP/SMA复合材料试件不同预应变水平情况下回复应力随温度的变化曲线Figure 12. Recovery stress curve of FRP/SMA composite specimens with different pre-strain levels as a function of temperature表 5 FRP/SMA回复性能试验试件设计与试验结果Table 5. FRP/SMA recovery test specimen design and test resultsSpecimen Length of activated section/
mmDiameter of SMA/
mmPrestrain/
%Average value of
maximum
recovery stress/MPaFRP/SMA-
II-1.0-4%150 1.0 4 247 FRP/SMA-
II-1.0-6%150 1.0 6 284 FRP/SMA-
II-1.0-8%150 1.0 8 358 3. 结 论
(1) 常温下形状记忆合金丝在单调拉伸至断裂的过程中主要经历4个阶段，其最大应变可达0.7以上，极限强度900 MPa以上。随着应变的增加，形状记忆合金(SMA)丝约在应变幅值为7%后进入强化阶段。
(2) 纤维增强复合材料(FRP)/SMA复合材料试件的单轴拉伸基本力学试验研究结果表明，在一定SMA丝掺量范围内，提高掺入SMA丝的数量(体积率)可提高FRP/SMA复合材料试件的最大断裂应变和抗拉强度，且掺入的丝数量越多，断后残余强度越大。掺入丝的直径明显影响FRP/SMA复合材料试件的拉伸弹性模量。
(3) SMA丝的回复应力随温度的变化呈明显的上升趋势，在一定预应变范围内，SMA丝的最大回复应力随预应变水平的增加而增加。0.5 mm的SMA丝的预应变水平为8%时，产生的最大回复应力为297 MPa；1.0 mm的SMA丝的预应变水平为8%时，产生的最大回复应力为392 MPa。
(4) 验证了FRP/SMA复合材料通电回复试验的可行性，FRP/SMA复合材料试件的回复表现出首先缓慢上升，当达到奥氏体相变开始温度后回复应力迅速增长，达到奥氏体相变结束温度后回复应力趋于稳定的趋势。复合试件的最大回复应力与SMA单丝试件表现出类似的现象，但与SMA单丝试件相比，其最大回复应力略有降低。
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图 1 纤维增强复合材料(FRP)/形状记忆合金(SMA)复合材料预应力增强系统
Figure 1. Fiber reinforced polymer (FRP)/shape memory alloy (SMA) composite prestressed strengthening system
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图 2 SMA丝单调拉伸应力-应变关系曲线
Figure 2. Stress-strain relationship of SMA wires in monotonic tension
σs—Phase transition initiation stress; σf—End-phase change stress
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图 5 FRP/SMA复合材料试件的应力-应变曲线
Figure 5. Stress-strain curves of FRP/SMA composite specimen
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图 7 0.5 mm SMA丝不同预应变水平情况下回复应力随温度的变化曲线
Figure 7. Recovery stress curves of 0.5 mm SMA wire with different pre-strain levels as a function of temperature
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图 8 1.0 mm SMA丝不同预应变水平情况下回复应力随温度的变化曲线
Figure 8. Recovery stress and temperature curves of 1.0 mm SMA wire with different pre-strain levels
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图 9 SMA丝回复应力-温度模拟曲线
Figure 9. Stress-temperature simulation curves of SMA wire recovery
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图 10 SMA丝最大回复应力试验值和模拟值比较
Figure 10. Comparison of the test value and simulation value of maximum recovery stress of SMA wire
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图 11 FRP/SMA复合材料试件受限回复试验
Figure 11. Restricted recovery test of FRP/SMA composite specimen
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图 12 FRP/SMA复合材料试件不同预应变水平情况下回复应力随温度的变化曲线
Figure 12. Recovery stress curve of FRP/SMA composite specimens with different pre-strain levels as a function of temperature
表 1 材料的物理力学性能
Table 1 Physical and mechanical properties of materials
Material Diameter φ/mm Austenite transition temperature/℃ Martensite transition temperature/℃ Phase transition stress/MPa Strength/
MPaElastic modulus/
GPaElongation/
%Start
AsFinish Af Start Ms Finish Mf SMA wire 0.5 106.12 121.40 55.34 27.34 122 982 12.2 78.0 1.0 79.13 105.46 59.00 35.81 117 906 10.4 75.0 CFRP – – – – – 3000 247.7 1.2 Epoxy resin – – – – – 35 2.2 1.6 Notes: CFRP—Carbon fiber reinfored plastic; Af—Austenite finish temperature; As—Austenite start temperature; Ms—Martensite start temperature; Mf—Martensite finish temperature. 
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表 2 两种类型的FRP/SMA复合材料试件
Table 2 Two types of FRP/SMA composite specimens
Specimen type Specimen Number of
SMA wiresDiameter of
SMA/
mmPrestrain/
%Length of composite
section/
mmFRP/SMA-I FRP/SMA-I-0.5-5-4% 5 0.5 4 250 FRP/SMA-I-0.5-10-4% 10 0.5 4 250 FRP/SMA-I-0.5-15-4% 15 0.5 4 250 FRP/SMA-I-1-10-4% 10 1.0 4 250 FRP/SMA-II FRP/SMA-II-1.0-10-4% 10 1.0 4 2×70 FRP/SMA-II-1.0-10-6% 10 1.0 6 2×70 FRP/SMA-II-1.0-10-8% 10 1.0 8 2×70
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表 3 FRP/SMA复合材料试验与分析结果
Table 3 Test and analysis results of FRP/SMA composites
Specimen No. Strength/MPa Elastic modulus/GPa Fracture strain/% Failure mode Test value Calculated value Test value/
calculated valueTest value Calculated value Test value/
calculated
valueTest value Calculated value Test value/
calculated
valueFRP/SMA-I-0.5-
5-4%1 2206 2840 0.78 158.7 234.7 0.68 1.39 1.2 1.16 Longitudinal splitting 2 2617 0.92 186.9 0.80 1.40 1.17 3 2809 0.98 205.0 0.87 1.37 1.14 FRP/SMA-I-0.5-10-4% 1 2326 2697 0.86 169.7 222.9 0.76 1.32 1.2 1.10 Longitudinal splitting 2 2566 0.95 192.9 0.87 1.33 1.11 3 2828 1.05 212.6 0.95 1.28 1.07 FRP/SMA-I-0.5-15-4% 1 2602 3000 0.87 154.9 212.4 0.73 1.68 1.41 1.19 Burst failure 2 2992 1.04 188.4 0.89 1.65 1.17 3 2999 1.00 196.0 0.92 1.65 1.17 FRP/SMA-I-1.0-10-4% 1 1968 2078 0.95 145.8 171.8 0.85 1.35 1.2 1.13 Longitudinal splitting 2 2085 1.00 156.8 0.91 1.33 1.11 3 2039 0.98 156.8 0.91 1.30 1.08 Average value 0.95 0.85 1.13 Standard deviation 0.08 0.08 0.04 Coefficient of variation 0.08 0.09 0.04
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表 4 SMA回复性能试验试件设计与试验结果
Table 4 Design and test results of SMA recovery test specimen
Specimen Length
of SMA/
mmDiameter of SMA/
mmPrestrain/
%Average value of
maximum recovery
stress/
MPaSMA-0.5-4% 200 0.5 4 202 SMA-0.5-6% 200 0.5 6 273 SMA-0.5-8% 200 0.5 8 288 SMA-0.5-10% 200 0.5 10 295 SMA-1.0-4% 200 1.0 4 267 SMA-1.0-6% 200 1.0 6 312 SMA-1.0-8% 200 1.0 8 391
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表 5 FRP/SMA回复性能试验试件设计与试验结果
Table 5 FRP/SMA recovery test specimen design and test results
Specimen Length of activated section/
mmDiameter of SMA/
mmPrestrain/
%Average value of
maximum
recovery stress/MPaFRP/SMA-
II-1.0-4%150 1.0 4 247 FRP/SMA-
II-1.0-6%150 1.0 6 284 FRP/SMA-
II-1.0-8%150 1.0 8 358
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其他类型引用(0)
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目的
为了充分发挥FRP材料的轻质高强特性，一个有效的方法是将预应力引入到FRP片材中。然而，传统的机械式预应力施加方法存在施工复杂、施工空间狭小，预应力损失较大等缺点，限制了预应力FRP片材的推广与应用。因此，急需研究新的方法对FRP片材引入预应力。利用形状记忆合金SMA的回复效应将预应力引入到纤维复合材料FRP中是一种新理念。本文将FRP与SMA复合，形成一种新的复合材料用于结构加固修复中。
方法结合SMA和FRP两种材料的优异性能，本文提出了一种新的FRP/SMA复合材料主动增强技术。为了测试FRP/SMA复合材料的单轴拉伸性能和回复性能，设计了两种FRP/SMA复合材料试件：第一种类型(I类)的复合材料试件是由CFRP片材与SMA丝在全部长度范围内进行复合，用于测试复合材料的力学性能；第二种类型(II类)的复合材料试件是将FRP片材与SMA丝进行部分复合并留出一段非复合区—激活段，用于对SMA丝通电升温，测试复合材料的回复性能。在力学性能试验中，将SMA丝的数量和直径作为试验变量，分析它们对FRP/SMA复合材料拉伸性能的影响；在受限回复试验中，将SMA丝直径和预应变水平作为试验变量，分析其对SMA丝及FRP/SMA复合材料可回复性能的影响。
结果常温下形状记忆合金丝在单调拉伸至断裂的过程中主要经历四个阶段，其最大应变可达0.7以上，极限强度900MPa以上。随着应变的增加，SMA丝约在应变幅值为7%后进入强化阶段。FRP/SMA复合材料试件的单轴拉伸基本力学试验研究结果表明，在一定SMA丝掺量范围内，提高掺入SMA丝的数量(体积率)可提高FRP/SMA复合材料试件的最大断裂应变和抗拉强度，且掺入的丝数量越多，断后残余强度越大。掺入丝的直径明显影响FRP/SMA复合材料试件的拉伸弹性模量。SMA丝的回复应力随温度的变化呈明显的上升趋势，在一定预应变范围内，SMA丝的最大回复应力随预应变水平的增加而增加。0.5 mm的SMA丝的预应变水平为8%时，产生的最大回复应力为297 MPa；1.0 mm的SMA丝的预应变水平为8%时，产生的最大回复应力为392 MPa。
结论本文验证了FRP/SMA复合材料通电回复试验的可行性，FRP/SMA复合材料试件的回复表现出首先缓慢上升，当达到奥氏体相变开始温度后回复应力迅速增长，达到奥氏体相变结束温度后回复应力趋于稳定的趋势。复合试件的最大回复应力与SMA单丝试件表现出类似的现象，但与SMA单丝试件相比，其最大回复应力略有降低。基于复合材料(I类)单轴拉伸试验结果，提出了预测复合材料(I类)试件强度、弹性模量和断裂应变的模型，并与试验值进行对比，预测值与试验值吻合较好。基于SMA丝和复合材料(II类)回复试验结果，提出的基于Brinson模型的修正模型，预测值与试验值吻合较好，可以有效地预测FRP/SMA复合材料的回复应力与温度的关系。
计量
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