王蘊(yùn)天，方 海，吳中元，劉偉慶

(南京工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，江蘇 南京 211816)

1 前 言

復(fù)合材料夾芯結(jié)構(gòu)以其高抗彎剛度和強(qiáng)度[1]而廣受關(guān)注，因其電磁屏蔽、耐候性優(yōu)等優(yōu)點(diǎn)，常用來滿足特殊建筑材料的功能需求。

目前復(fù)合材料夾芯構(gòu)件作為結(jié)構(gòu)板材已應(yīng)用于墻板和橋面板等構(gòu)件[2-3]，常用的泡沫芯材質(zhì)地軟，局部壓力較大時(shí)易發(fā)生凹陷破壞[4-5]。蜂窩或桁架夾芯構(gòu)件能承受較大的壓力[6-7]，但由于其結(jié)構(gòu)為空腔，芯材與面層之間的界面性能較弱。因此，設(shè)想采用泡桐木和南方松作為復(fù)材夾芯板的芯材，以期獲得優(yōu)異的抗剪、抗壓力學(xué)性能。

在夾層板研究方面，何濤等[8]通過遺傳算法對(duì)格構(gòu)增強(qiáng)復(fù)材夾芯板的受力性能進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，并對(duì)建筑成本進(jìn)行了優(yōu)化計(jì)算。AYRILMIS等[9]通過在復(fù)材板的芯層中加入芳綸纖維，極大地改善了復(fù)材板的拉伸和彎曲性能。本研究團(tuán)隊(duì)前期已開展了輕木夾芯復(fù)材梁、板的相關(guān)研究工作：鄒芳等[10]的研究結(jié)果表明格構(gòu)腹板可以提高芯材和面板的極限承載力，戚友俊[11]研究了不同格構(gòu)數(shù)目夾芯梁的剛度、承載力和延性。

文中提出的格構(gòu)增強(qiáng)復(fù)材夾芯板，由數(shù)個(gè)包裹纖維布的木芯組拼[12]，真空導(dǎo)入樹脂使木芯在模具內(nèi)一次成型。通過彎曲試驗(yàn)和理論分析，在不改變?cè)嚰孛娉叽绲那疤嵯?，探求格?gòu)腹板數(shù)量和木芯種類對(duì)夾芯復(fù)材板彎曲性能的影響規(guī)律。

2 試驗(yàn)方案

2.1 試件設(shè)計(jì)

試件由FRP面層、格構(gòu)腹板與木芯三部分構(gòu)成，先用2層800 g/m2的雙軸向玻璃纖維布包裹木芯，再將它們組拼后整體外包3層玻纖布，每層玻纖布與樹脂固化后的計(jì)算厚度取為0.8 mm，如圖1所示。對(duì)照組木板寬度、高度分別為110 mm、70 mm，其他試件寬度、高度均設(shè)定為120 mm、80 mm，所有試件長(zhǎng)度均為1400 mm。南方松和泡桐木芯材的試件尺寸一樣，各成形一組，所有試件截面如表1所示。

圖1 試件結(jié)構(gòu)

表1 試件截面圖

2.2 試件制備

將木芯切割成所需的規(guī)格并刨光,順紋開槽，由于纖維增強(qiáng)復(fù)合材料是各向異性材料，單一纖維布某一方向受力性能較差，因此多層不同方向的纖維布有助于結(jié)構(gòu)整體受力更加均勻。本試驗(yàn)采用2層-45°/45°的玻纖布包裹單片芯材(如圖2(a)所示)，組拼后在試件外圍沿長(zhǎng)度方向整體包裹3層0/90°玻纖布(如圖2(b)所示)，玻纖布盡量貼合平整。之后布置脫模布、導(dǎo)流網(wǎng)和真空袋，真空輔助灌注樹脂，固化成型，(圖2(c))，最后經(jīng)切割制成試件。

圖2 試件制備(a) 包裹單片芯材；(b)包裹多片芯材；(c) 真空輔助樹脂傳遞模塑；(d) 切割成形

2.3 試驗(yàn)裝置

按照文獻(xiàn)[13]的試驗(yàn)方法，對(duì)板進(jìn)行四點(diǎn)彎曲靜態(tài)加載，將分配梁布置在兩個(gè)加載點(diǎn)處，應(yīng)變片貼在板的跨中側(cè)面、上部、底部以及加載點(diǎn)處，采用DH3816N靜態(tài)應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行位移和應(yīng)變采集。試驗(yàn)裝置如圖3。

圖3 抗彎試驗(yàn)加載裝置

2.4 抗彎試驗(yàn)

2.4.1泡桐木夾芯復(fù)材板試驗(yàn) 對(duì)于純泡桐木PAW試件，由于其外部缺少FRP包裹，導(dǎo)致板的剛度較小，隨著荷載的增大，撓度也跟著迅速增加。當(dāng)加荷至9.30 kN時(shí)，泡桐木開裂，跨中位移為22.0 mm，試件裂紋如圖4所示，屬于脆性破壞。

圖4 試件PAW破壞形態(tài)

試件1PAW在加載初期時(shí)，無明顯異象；荷載達(dá)到19.70 kN時(shí)，有微小撕裂聲傳出；荷載達(dá)到22.50 kN時(shí)，在加載點(diǎn)下方位置有纖維變白且出現(xiàn)裂紋，隨著撓度增大裂紋垂直向下延伸，如圖5(a)所示；加載到24.70 kN時(shí)，達(dá)到最大承載力，相應(yīng)的跨中位移為37.10 mm。之后盡管板的撓度持續(xù)增加，但是板的承載力卻呈下降趨勢(shì)，最終在兩端加載點(diǎn)處發(fā)生剪切破壞，隨即停止加載。試件2PAW、3PAW、4PAW的試驗(yàn)現(xiàn)象與1PAW類似，它們的極限荷載及其對(duì)應(yīng)的撓度分別為34.30 kN、46.70 mm；31.65 kN、39.84 mm；29.30 kN、43.79 mm。試驗(yàn)實(shí)像分別如圖5(b)～5(d)所示。

圖5 木芯復(fù)材板受彎破壞形態(tài)實(shí)像 (a)1PAW；(b)2PAW；(c)3PAW；(d)4PAW

2.4.2南方松夾芯復(fù)材板試驗(yàn) 南方松夾芯復(fù)材板的試驗(yàn)現(xiàn)象與泡桐木夾芯復(fù)材板類似。SOP破壞時(shí)伴隨著響聲，發(fā)生脆性破壞；1SOP、2SOP、3SOP、4SOP在剛開始加載時(shí)無明顯異象，隨緩慢加載后會(huì)傳出微小的纖維撕裂聲，隨著荷載逐漸增大，撕裂聲漸變明顯，之后突然發(fā)出很大聲響，加載點(diǎn)下方出現(xiàn)裂紋，然后裂紋向下發(fā)展，最終加載點(diǎn)處板的下邊緣纖維發(fā)生拉裂破壞，隨即停止加載。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1 泡桐木復(fù)材板(PAW)的抗彎試驗(yàn)結(jié)果

由圖6、圖7可知，與純木板相比，無格構(gòu)和有格構(gòu)木芯復(fù)材板的極限承載力均明顯提高；無格構(gòu)木芯復(fù)材板的極限承載力比純木板提高了166.6%；有格構(gòu)木芯復(fù)材板2PAW、3PAW、4PAW的最大承載力比無格構(gòu)復(fù)材板1PAW分別提高了38.9%、28.3%和18.6%，未發(fā)現(xiàn)承載力與格構(gòu)數(shù)目有直接關(guān)系。純木板的剛度(每一條荷載-跨中位移曲線的斜率)比無格構(gòu)和有格構(gòu)木芯復(fù)材板低；無格構(gòu)木芯復(fù)材板剛度比有格構(gòu)復(fù)材板低；在有格構(gòu)復(fù)材板試件中，試件的延性隨著格構(gòu)數(shù)目的增加而增大，4PAW試件的延性最好；荷載-應(yīng)變關(guān)系曲線基本呈現(xiàn)線性變化關(guān)系，滿足平截面假定。

圖6 泡桐木(PAW)夾芯板抗彎荷載-跨中位移曲線

圖7 泡桐木(PAW)夾芯板抗彎荷載-跨中應(yīng)變曲線

3.2 南方松復(fù)材板(SOP)的抗彎試驗(yàn)結(jié)果

由圖8、圖9可知，試件SOP、1SOP、2SOP、3SOP、4SOP的極限荷載分別為13.43、35.38、37.28、40.54和29.68 kN，與其相對(duì)應(yīng)的跨中位移依次為27.8、35.91、36.72、44.12和32.05 mm。無格構(gòu)木芯復(fù)材板的極限承載力與純木板相比有極大改善，提高了152.6%；有格構(gòu)木芯復(fù)材板2SOP、3SOP試件的極限承載力與無格構(gòu)試件相比有一定改善，分別提高5.4%和14.6%；但4SOP的極限承載力比1SOP下降了16.1%。隨著格構(gòu)數(shù)目增加延性逐漸提高，木芯復(fù)材板的剛度比純木板有明顯增強(qiáng)。

圖8 南方松(SOP)夾芯板抗彎荷載-跨中位移曲線

圖9 南方松(SOP)夾芯板抗彎荷載-跨中應(yīng)變曲線

3.3 兩種復(fù)材板抗彎試驗(yàn)對(duì)比

對(duì)比圖6和圖8可知，截面形式相對(duì)應(yīng)的南方松夾芯復(fù)材板的極限荷載和撓度均比泡桐木復(fù)材板大，其中SOP的極限承載力比PAW增加44.41%；木芯復(fù)材板中極限承載力提高幅度最大的是1SOP，其極限承載力比1PAW提高了43.88%；對(duì)比圖7和圖9可知，截面形式相對(duì)應(yīng)的南方松夾芯復(fù)材板的剛度更大，無格構(gòu)木芯復(fù)材板1SOP的剛度比1PAW提高54.55%，在有格構(gòu)木芯復(fù)材板中，2SOP的剛度比2PAW提高了45.31%，是提高最為明顯的一組。

4 理論分析

4.1 抗彎剛度

根據(jù)Allen[14]的夾層理論，夾層板的抗彎剛度D可近似用式(1)表示：

D=(EI)f+(EI)0+(EI)w+(EI)c

(1)

式中：(EI)o為格構(gòu)腹板抗彎剛度；(EI)f為橫向面層抗彎剛度；(EI)w為豎向面層抗彎剛度；EIc為芯材抗彎剛度。

對(duì)于芯材數(shù)為n的格構(gòu)增強(qiáng)木芯復(fù)材板，其理論抗彎剛度如下：

(2)

式中，tf為橫向面層厚度；tw為豎向面層厚度；bc為單個(gè)芯材寬度；tc為單個(gè)芯材厚度；tg為單個(gè)格構(gòu)腹材厚度。

以試件3PAW為例，其計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖10。

圖10 3PAW試件截面圖

試驗(yàn)?zāi)静幕拘阅転椋好鎸覨RP彈性模量Ef=20.95 GPa；格構(gòu)腹板FRP彈性模量Ew=6.41 GPa；芯材彈性模量Ec=4.32 GPa。將這些基本力學(xué)性能值和試件尺寸代入式(1)，即可算得泡桐木夾芯復(fù)材板3PAW的抗彎剛度。

4.2 撓度

根據(jù)鐵木辛柯梁理論[15]，將以下假設(shè)作為基礎(chǔ)條件：界面相對(duì)滑移不會(huì)發(fā)生在面層和芯材之間；滿足平截面假定；板的厚度遠(yuǎn)大于其產(chǎn)生的位移、轉(zhuǎn)動(dòng)和應(yīng)變，彎曲變形w1與剪切變形w2是荷載作用下產(chǎn)生的撓度，因此板的跨中撓度計(jì)算公式為：

(2)

式中：a為加載點(diǎn)到支座的距離；l為支座之間距離；A為受剪截面面積；G為芯材剪切模量。

由式(2)對(duì)每個(gè)試件進(jìn)行撓度計(jì)算，并與試驗(yàn)值相比較，結(jié)果見表2，可見試驗(yàn)值和理論值比較吻合。

表2 撓度試驗(yàn)值和理論值的對(duì)比

4.3 破壞模式和極限承載力

4.3.1木芯復(fù)材板的破壞模式和極限承載力 復(fù)合材料夾芯結(jié)構(gòu)在受彎載荷作用下，因?yàn)槠浣M分材料和尺寸布置的不同，會(huì)出現(xiàn)不同的破壞形態(tài)[16]。其破壞模式可總結(jié)為：①面板受壓屈服或受拉斷裂；②受壓面板屈曲；③芯材剪切；④脫層破壞。由于影響芯材剪切和脫層破壞的因素有很多，如：不同的工藝、界面處理形式及樹脂性能等，根據(jù)試驗(yàn)觀測(cè)到的破壞現(xiàn)象，重點(diǎn)研究前兩種破壞模式對(duì)應(yīng)的極限承載力。

①面板受拉斷裂或受壓屈服臨界載荷：

(3a)

②受壓面板屈曲臨界載荷：

(3b)

式中：B3=4;b為試件寬度；c為上下面層中心點(diǎn)距離；t為面層厚度；l為試件跨距；σyf為面板受壓斷裂強(qiáng)度；νc是芯材泊松比；Ef為面板彈性模量；Ec為夾芯層彈性模量；Gc為夾芯層剪切模量。Ef、Ec、Gc可由文獻(xiàn)[17]采用的方法計(jì)算得到。

4.3.2極限承載力預(yù)測(cè) 根據(jù)上述公式，可計(jì)算出泡桐木和南方松夾芯復(fù)材板的極限承載力理論值，并與試驗(yàn)值進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見表3。

表3 復(fù)材板極限承載力試驗(yàn)值和理論值的對(duì)比

從表3可得，各試件極限承載力的試驗(yàn)值與理論值吻合較好，說明上述理論模型預(yù)測(cè)出的各試件極限破壞載荷較為準(zhǔn)確。

5 結(jié) 論

以格構(gòu)增強(qiáng)木芯復(fù)材板的彎曲性能為研究對(duì)象，選取格構(gòu)腹板數(shù)目和芯材種類作為變化參數(shù)，根據(jù)四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)，觀察試驗(yàn)現(xiàn)象與破壞形態(tài)，并對(duì)其極限強(qiáng)度、剛度和撓度等進(jìn)行理論分析，得出了以下結(jié)論：

1．相同截面的南方松夾芯復(fù)材板的強(qiáng)度和剛度均比泡桐木夾芯復(fù)材板大，且南方松局部抗壓強(qiáng)度大于泡桐木，破壞模式是由于上部纖維被壓皺，伴隨著芯材被擠壓破壞，最后下部纖維被拉斷，可見芯材的局部抗壓強(qiáng)度對(duì)其破壞模式有較大影響。

2．無格構(gòu)木芯復(fù)材板剛度比純木板有顯著提高，1PAW剛度比純木板提高了115.53%，有格構(gòu)木芯復(fù)材板剛度比純木板提高更多，3PAW剛度比純木板提高了153.41%，4PAW剛度比純木板剛度提高了152.73%，延性也隨著格構(gòu)數(shù)目的增加而逐步提高。

3．有格構(gòu)木芯復(fù)材板2PAW、3PAW、4PAW的極限承載力比無格構(gòu)木芯復(fù)材板1PAW分別提高了39.49%、28.71%、19.15%，可見其最佳格構(gòu)數(shù)為1，而有格構(gòu)木芯復(fù)材板2SOP、3SOP、4SOP的極限承載力比無格構(gòu)木芯板1SOP分別提高了7.43%、14.58%，-16.00%，可見其最佳格構(gòu)數(shù)為2，由此可得出：不同材質(zhì)芯材的最佳格構(gòu)數(shù)目也不同，具有最多格構(gòu)數(shù)量的木芯復(fù)材板并非具有最優(yōu)彎曲性能。綜合試驗(yàn)結(jié)果分析，泡桐木試件中剛度最大的是3PAW，能承受最大極限承載力的是2PAW；南方松試件中剛度最大的是2SOP，能承受最大極限承載力的是3SOP，兩者都不是該種芯材的最大格構(gòu)數(shù)。

(校對(duì)：周邦昌)