纖維增強復合材料夾芯板的力學性能研究

胡程鶴

（北京構易建筑設計有限公司，北京　100084）

纖維增強復合材料夾芯板的力學性能研究

胡程鶴

（北京構易建筑設計有限公司，北京100084）

為了探索纖維增強復合材料（FRP）夾芯板在土木工程領域中的應用，通過四點加載試驗考察了纖維增強復合材料夾芯板的力學性能。結果表明：FRP夾芯板的破壞形態(tài)為構件封邊FRP的剝離和加載處上表皮FRP的局部破壞；FRP夾芯板具有較高的承載能力，可以滿足普通民用建筑中的樓板或墻板的安全使用要求；構件的位移延性系數(shù)可以達到3.0，并且具有一定的變形恢復能力。此外，F(xiàn)RP夾芯板的殘余變形是由夾芯泡沫的塑性變形造成的。

纖維增強復合材料；夾芯板；承載力；延性

0　引言

纖維增強復合材料（FRP）在土木工程領域得到了廣泛的應用，尤其在既有建筑的加固和修復方面已經得到了結構工程師的認可。以玻璃纖維增強復合材料（GFRP）為例，除了具有高強、輕質、耐腐蝕等性能外，還具有較低的導熱系數(shù)，可以使GFRP構件具有隔熱性能；GFRP可以是透明的、半透明的或者通過添加顏料實現(xiàn)多色彩的視覺效果［1］。但是這些性能在實際工程中并沒有得到充分的應用。

近年來，國內外學者開始對在新建建筑中使用FRP展開了研究。Thomas Keller等［1］使用GFRP夾芯材料作為屋頂結構。GFRP夾芯材料由頂層和底層的GFRP以及位于中間不同密度和強度的聚氨酯泡沫構成。此GFRP夾芯材料屋頂不僅實現(xiàn)了結構承載，還實現(xiàn)了隔熱保溫、防水等建筑功能。馮鵬和葉列平［2］對GFRP空心板進行了試驗研究。GFRP空心板由GFRP面層和中間夾芯層組成，上面層承受壓力，下面層承受拉力，中間層主要受剪力，同時連接上下面層。試驗結果表明：GFRP空心板能夠承受較大的荷載，可以在人行橋面和樓面中應用。馮鵬等［3］提出一種大跨屋面結構體系-FRP編織網(wǎng)結構。該體系采用FRP薄板條交錯編織形成柔性網(wǎng)面，網(wǎng)面外邊緣固定于環(huán)梁，在網(wǎng)內部通過懸掛配重或者預應力索實現(xiàn)在垂直于網(wǎng)面的方向上張拉，使整個FRP編織網(wǎng)張緊，從而具有足夠的剛度和承載能力。

FRP夾芯板目前主要作為橋面板在橋梁領域中應用。1996年，KSCI公司和ICI公司共同建造了蜂窩芯層FRP夾芯橋面板，并將其應用于橋梁［4］。目前，在建筑領域中應用FRP夾芯板作為樓板和墻板的情況較少，而且關于FRP夾芯板的力學性能的科研成果相對缺乏。

纖維增強復合材料夾芯板具有輕質的顯著特點，將其應用于建筑將降低地震災害造成的人身傷害，同時減輕建筑質量，因此將纖維增強復合材料夾芯板應用于建筑將具有廣泛的前景。本文通過四點加載試驗研究了纖維增強復合材料夾芯板的力學性能。

1　試驗概述

1.1FRP夾芯板的構成

FRP夾芯板由FRP上、下表皮層，夾芯泡沫層和FRP封邊構成。FRP上、下表皮層的厚度通過抗彎承載力計算確定；夾芯泡沫層厚度依據(jù)建筑保溫要求計算確定。

1.2材料性能和構件制作

FRP夾芯板長1500 mm、寬1000 mm、高100 mm，上、下表皮層厚度均為3 mm，四周封邊厚度6 mm，中間夾芯聚氨酯泡沫層厚度為94 mm。上、下表皮層均由4層玻璃纖維方格布和不飽和聚酯樹脂逐層鋪設而成；四周封邊由8層玻璃纖維方格布與不飽和聚酯樹脂逐層鋪設而成。夾芯泡沫層為聚氨酯泡沫。構件制作流程如下：首先搭建支撐平臺，在支撐平臺上涂刷脫模劑，制作由玻璃纖維布與樹脂固化而成的纖維增強復合材料下表皮層；然后在下表皮層上發(fā)泡形成夾芯泡沫層；最后在夾芯泡沫層上制作由玻璃纖維布與樹脂固化而成的纖維增強復合材料上表皮層，并將四周封邊。玻璃纖維布的面密度為380 g/m2，夾芯聚氨酯泡沫密度為40 kg/m3。FRP的抗拉強度為150 MPa，抗壓強度為100 MPa；聚氨酯泡沫的抗壓強度為200 kPa，抗拉強度為110 kPa，剪切強度為120 kPa。FRP的彈性模量Ex=2.2×104MPa、Ey=2.2×104MPa、Ez=3.0×103MPa；剪切模量Gxz=Gyz=Gxz=3×103MPa；泊松比γxy=γyz=γxz= 0.18；夾芯聚氨酯泡沫的彈性模量Ey=6 MPa、泊松比γyz=0.3。

1.3試驗設備

實驗儀器包括位移計、荷載傳感器、應變片和計算機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，見圖1。位移計位于構件的跨中和三分點處。應變片位于構件的上、下表面跨中處。荷載傳感器用于記錄所施加的總荷載。

圖1　實驗裝置

2　試驗結果

2.1破壞形態(tài)

加載過程為連續(xù)加載。隨著荷載的持續(xù)施加，構件的撓度隨之增大，構件最大撓度為70 mm，構件最終變形見圖2。試件的破壞形態(tài)為構件封邊處的FRP層剝離（見圖3）和加載處的局部破壞（見圖4、圖5），而構件的受拉面沒有任何破壞。封邊處的FRP剝離是由2方面原因造成的：一是封邊FRP與夾芯泡沫之間的界面剪應力超過了界面強度；二是封邊處的FRP截面高厚比較大，局部受壓失穩(wěn)。加載處的局部破壞是加載處角鋼造成的壓陷和同時存在的剪切作用造成的。

圖2　構件變形

圖3　FRP層剝離

圖4　加載處局部破壞

圖5　上表皮層的局部壓陷和剪切錯位

2.2荷載-撓度曲線

構件的荷載-撓度曲線見圖6。

圖6　荷載-撓度全過程曲線

從圖6可知，從原點至A點（對應15 kN），荷載-撓度曲線呈線性增長。從A點開始出現(xiàn)非線性發(fā)展，直至峰值B點。A-B出現(xiàn)非線性發(fā)展的原因是：此階段在加載處出現(xiàn)局部壓陷，但上表皮FRP尚未剪切錯位，截面高度略微減小，構件剛度下降，因此出現(xiàn)非線性發(fā)展。在B-C階段，加載處局部壓陷繼續(xù)增加，上表皮FRP剪切錯位，局部截面受壓區(qū)轉移至泡沫，而泡沫的抗壓強度較小，構件的抗彎承載能力下降，因此荷載減小。到C點時，在加載點附近的封邊FRP發(fā)生剝離，封邊FRP對構件抗彎承載力的貢獻喪失，荷載迅速下降至D點。由于未發(fā)生剝離處的FRP持續(xù)發(fā)揮作用，荷載略微上升至E點，此時構件撓度達到70 mm。E點時FRP上表皮層的局部壓陷和FRP的剪切錯位明顯增加，荷載下降。隨后實施卸載。卸載后，構件撓度瞬間恢復至F點的25 mm。由此可見，F(xiàn)RP夾芯板具有一定的變形恢復能力，約65%的變形可以恢復。由荷載-撓度曲線得到構件的位移延性系數(shù)=△Max/△Y= 70/25=3.0，構件具有較好的延性。

構件荷載峰值達到42 kN，即截面最大彎矩為10 kN·m。若按等彎矩換算成面均布荷載，則該構件可承受的面均布荷載為36kN/m2，滿足普通民用建筑中樓板和墻板的承載能力要求。

2.3FRP夾芯板的變形性能分析

為分析FRP夾芯板的變形性能，作出如下假設：

（1）夾芯聚氨酯泡沫為理想剛塑性材料［5］，其本構關系見圖7。

圖7　理想剛塑性材料的本構關系

（2）纖維增強復合材料為理想線彈性材料［6］，其本構關系見圖8。

圖8　理想線彈性材料的本構關系

由試驗可知，纖維增強復合材料上表皮層的最大壓應變?yōu)?465 με，換算后對應的壓應力為29.3 MPa；纖維增強復合材料下表皮層的最大拉應變?yōu)?661 με，換算后對應的拉應力為33.2 MPa。此時纖維增強復合材料上、下表皮層的應力分別小于其抗拉、抗壓強度，材料處于彈性階段，其變形為可恢復的彈性變形（見圖8）。從圖7可知，當夾芯泡沫層的應力小于其壓縮強度σ0時，相應的應變?yōu)?；當泡沫的應力達到其壓縮強度σ0后，泡沫將產生不可恢復的塑性變形［5］。在加載過程中，由于加載壓頭的作用，構件的FRP上表皮層局部壓陷，并伴隨FRP上表皮層的剪切錯位，泡沫發(fā)生不可恢復的塑性變形。因此，在圖6中卸載后的殘余變形25 mm是由泡沫的塑性變形造成的。

3　結論

（1）FRP夾芯板的破壞形態(tài)為構件封邊FRP的剝離和加載處上表皮FRP的局部破壞。

（2）FRP夾芯板的承載力可以滿足普通民用建筑中的樓板或墻板的安全使用要求。

（3）FRP夾芯板的位移延性系數(shù)可以達到3.0，構件具有較好的延性。

（4）FRP夾芯板具有一定的變形恢復能力。

（5）FRP夾芯板的殘余變形是由泡沫的塑性變形造成的。

［1］Thomas Keller，Christoph Haasand，Till Vallée.Structural Concept，Design，and Experimental Verification of a Glass Fiber-Reinforced Polymer Sandwich Roof Structure［J］.Journal of Composites for Construction，2008，12（4）：454-468.

［2］馮鵬，葉列平.GFRP空心板靜載試驗研究及分析［J］.工業(yè)建筑，2004，34（4）：15-18.

［3］Feng Peng，Ye LiePing，Teng J G.Large-span woven web struc-ture made of fiber reinforced polymer［J］.Journal of Composite for Construction，2007，11（2）：111-114.

［4］萬水，胡紅，周容星.FRP橋面板結構特點與實例［J］.南京理工大學學報，2005，29（1）：17-21.

［5］王世勛.復合材料夾芯結構的力學性能［D］.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學，2010.

［6］Lam L，Teng J G.Strength of RC cantilever slabs bonded with GFRP strips［J］.Journal of Composites for Construction，2001，5（4）：221-227.

Mechanical property of a fiber-reinforced polymer sandwich plate

HU Chenghe
（Co+E Architects&Designers Co.Ltd.，Beijing 100084，China）

Mechanical property of a fiber-reinforced polymer sandwich plate is examined by four-point loading test in order to explore the application of the fiber-reinforced polymer sandwich plate in construction field.The experimental results showed that the fiber-reinforced polymer sandwich plate failed by the FRP debonding at the edge and the partial failure on the upper FRP. The fiber-reinforced polymer sandwich plate has large load carrying ability，which can meet the standard of floor slab or wallboard. The displacement ductility factor of the specimen is 3.0，and the specimen has the capacity of deformation recovery.Additionally，residual deformation is caused by the plastic deformation of inner foam.

fiber-reinforced polymer，sandwich plate，load carrying ability，ductility

TU599

A

1001-702X（2015）09-0064-03

2015-03-11

胡程鶴，女，1982年生，遼寧鞍山人，博士，主要研究方向為纖維增強復合材料裝配式建筑。