趙旭東，談 立，張富賓，方 海，劉偉慶

(1.渭南師范學院 物理與電氣工程學院，陜西 渭南 714099； 2.江蘇大學 土木工程與力學學院，江蘇 鎮(zhèn)江 212000； 3.南京工業(yè)大學 土木工程學院 江蘇，南京 210000)

1 前 言

纖維增強復合材料夾層結(jié)構(gòu)由上、下高強纖維面板和輕質(zhì)芯材組成。常見的輕質(zhì)芯材包括輕質(zhì)結(jié)構(gòu)泡沫，輕木(巴薩木，泡桐木)，泡沫混凝土等[1-6]。這些材料壓縮和剪切模量較低，導致夾層結(jié)構(gòu)在面外荷載作用下易發(fā)生芯材剪切破壞，限制了高強度纖維材料強度的充分發(fā)揮[5-7]。為解決這一問題，相關(guān)學者提出了Z-pin增強技術(shù)，纖維縫紉增強技術(shù)、U-core增強技術(shù)等一系列增強措施。這些措施能夠顯著提高夾層結(jié)構(gòu)的界面性能，但對其面外剛度的提高有限[8-9]。在此基礎上，學者們提出了纖維腹板增強技術(shù)[10-14]，即將芯材切割成小塊，然后在其外側(cè)包裹纖維布固化形成纖維腹板。結(jié)果表明，該技術(shù)不僅能改善夾層結(jié)構(gòu)的界面性能，同時也可以增強其剛度和極限承載力。但隨纖維腹板含量增加，夾層梁的剛度增加趨于平緩[10]。

為了進一步提高夾層結(jié)構(gòu)剛度和極限承載力，張富賓等[15]提出了一種新型冷彎薄壁型鋼增強復合材料夾層梁(Glass fiber reinforced polymer-cold formed steel composite sandwich beam, GCS)并對其受彎性能進行研究。該GCS夾層梁上、下面板采用玻璃纖維增強復合材料(GFRP)，中間輕質(zhì)芯材內(nèi)嵌冷彎薄壁型鋼；薄壁型鋼和纖維面板之間采用鉚釘連接。研究結(jié)果表明：與傳統(tǒng)復合材料夾層梁相比，GCS夾層梁正常使用極限狀態(tài)和承載力極限狀態(tài)下對應荷載均得到顯著提高。緊接著，張富賓等[16]對該新型結(jié)構(gòu)的平壓性能進行了研究。結(jié)果表明：相對于傳統(tǒng)復合材料夾層結(jié)構(gòu)，薄壁型鋼能顯著增強夾層結(jié)構(gòu)壓縮剛度和強度。但截止目前，對該新型GCS夾層梁受剪性能研究尚少，對其剪切受力機理認識尚不清楚。

在前述研究基礎上，對GCS夾層梁剪切性能進行研究，該夾層梁由上、下GFRP面板、輕質(zhì)巴薩木芯材和嵌于芯材之中的薄壁型鋼(壓型鋼板)構(gòu)成，薄壁型鋼與玻璃纖維面板界面采用鉚釘增強(見圖1)。目前國內(nèi)外學者對夾層梁受剪性能研究主要以試驗研究為主，常用的研究方法包括V型切口梁剪切試驗、拉剪試驗、非對稱梁剪切試驗和3點彎試驗等，其中3點彎試驗是目前最簡單、最常用的試驗方法[17]。因此，本研究采用3點彎試驗方法研究GCS夾層梁受剪性能。研究薄壁型鋼厚度、鉚釘間距等參數(shù)對該新型夾層梁剪切性能的影響，得到其典型剪切破壞模式和受力機理，為該新型結(jié)構(gòu)體系在建筑梁、板結(jié)構(gòu)領域的應用提供參考。

圖1 GCS夾層梁截面示意圖

2.1 試件設計

試驗共設計9根試件，所有試件總長460 mm，凈跨L為320 mm，剪跨比(加載點和加載支座間距離a與試件厚度d比值，a/d)為2。試件GCS-0-2-S為對比試件，無薄壁型鋼增強；試件GCS-0.9-2-S，GCS-1.0-2-S和GCS-1.2-2-S為薄壁型鋼增強，鋼厚度分別為0.9 ，1.0 和1.2 mm；試件GCS-1.0-2-M30，GCS-1.0-2-M50和GCS-1.0-2-M70的薄壁型鋼厚度為1 mm，薄壁型鋼與玻璃纖維面板界面采用鉚釘增強，鉚釘間距分別為30，50 和70 mm?？紤]到材料成本等因素，本試驗僅對試件GCS-0.9-2-S制備了3個重復試件，研究試件制備過程中的誤差所帶來的離散性影響。試驗中巴薩木芯材外側(cè)包裹纖維布以增強其與纖維面板之間的界面性能；所有的試件詳細參數(shù)情況見表1。

表1 GCS夾層梁試件設計參數(shù)

2.2 試件制備與試驗加載

GCS夾層梁在南京工業(yè)大學先進工程復合材料研究中心制備。其中GFRP纖維布、樹脂材料參數(shù)已經(jīng)在文獻[15]中描述。冷彎薄壁型鋼選用YX75-200-600型鍍鋅壓型鋼板，強度等級為Q235。芯材選用密度為169 kg/m3的巴薩木。芯材厚約74 mm，巴薩木纖維方向沿坐標軸y向。上、下玻璃纖維增強復合材料面板固化后平均厚度分別為3.0 mm(5層纖維布)，在巴薩木塊四周包裹1層纖維布。試件總厚度約81.0 mm。GFRP纖維面板與薄壁型鋼界面采用鉚釘增強，鉚釘型號為M5×12。夾層梁固化脫模后，在玻璃纖維增強復合材料面板與壓型鋼板接觸處打孔(孔直徑為5.3 mm)，鉚釘為兩排，橫向間距為50 mm，縱向間距見表1。根據(jù)ASTM C393[18]規(guī)范對夾層梁進行3點彎曲試驗。試驗加載速率、位移計及應變片信息見文獻[15]描述。試驗加載及測量裝置示意圖見圖2。

圖2 GCS夾層梁加載及測量示意圖 (單位：mm)

3.1 破壞模式

圖3為GCS夾層梁的典型破壞模式。無薄壁型鋼增強的試件GCS-0-2-S，當剪切應力超過芯材極限剪應力時，巴薩木發(fā)生剪切破壞，隨后其承擔的剪力傳遞給纖維面板，導致纖維面板和芯材瞬間發(fā)生界面剝離破壞(見圖3(a))。試件GCS-0.9-2-S有薄壁型鋼增強，當試件達到其極限承載力時，巴薩木芯材發(fā)生剪切破壞，這時其承擔剪力由薄壁型鋼承擔，但由于纖維面板與壓型鋼板之間界面未采取增強措施，在荷載作用出現(xiàn)界面剝離裂縫，隨荷載增加，裂縫不斷向支座位置擴展，直到GFRP完全發(fā)生界面剝離破壞(試件端部有明顯的相對滑移(見圖3(b)))。試件GCS-1.0-2-S和試件GCS-1.2-2-S的破壞模式與試件GCS-0.9-2-S相似。試件GCS-1.0-2-M30有鉚釘增強，當荷載達到其極限承載力時，巴薩木芯材發(fā)生剪切破壞，同時伴隨著纖維面板與壓型鋼板發(fā)生界面剝離，但由于鉚釘?shù)拇嬖冢w維面板與壓型鋼板之間未觀察到明顯滑移(見圖3(c))，說明鉚釘能有效限制纖維面板與壓型鋼板界面剝離擴展；試件GCS-1.0-2-M50和試件GCS-1.0-2-M70破壞模式與試件GCS-1.0-2-M30相似。

圖3 不同試件典型破壞模式 (a) 試件GCS-0-2-S； (b) 試件GCS-0.9-2-S； (c) 試件GCS-1.0-2-M30

3.2 荷載-位移關(guān)系曲線

圖4是具有不同厚度薄壁型鋼GCS夾層梁荷載-位移關(guān)系曲線。試件GCS-0-2-S達到極限承載力前荷載-位移曲線呈線性變化，當荷載為34.3 kN時，試件達到其極限承載力，幾乎完全喪失承載力，此時對應變形為2.6 mm；試件GCS-0.9-2-S在荷載達到極限承載力80%前呈線性變化，當荷載接近其極限荷載時，曲線呈一定的非線性變化，當荷載達到58.7 kN時，試件達到其極限承載力，但由于薄壁型鋼的存在，夾層梁并未喪失承載力,隨變形增大，試件所受承載降低，曲線逐漸下降；試件GCS-1.0-2-S荷載-位移曲線特征與試件GCS-0.9-2-S相似，當其試件達到其極限承載力(極限荷載61.9 kN，對應變形為4.0 mm)時，GFRP上面板和巴薩木芯材發(fā)生界面剝離破壞，隨后裂縫向支座方向延伸，最后在支座位置薄壁型鋼和巴薩木芯材出現(xiàn)明顯的界面滑移；試件GCS-1.2-2-S荷載-位移曲線特征與試件GCS-1.0-2-S相似。

圖4 GCS夾層梁荷載-位移曲線(不同薄壁型鋼厚度)

圖5給出了不同鉚釘間距影響下GCS夾層梁試件的荷載-位移曲線。由圖可知，試件GCS-1.0-2-M30加載初期荷載-位移曲線與試件GCS-1.0-2-S相似，當巴薩木芯材內(nèi)部剪應力超過其極限剪切應力時，輕木發(fā)生芯材剪切破壞，隨后在剪切裂縫處，巴薩木芯材與GFRP面板界面發(fā)生剝離破壞，達到其極限承載力(極限荷載77.7 kN，對應變形為3.8 mm)，但由于鉚釘?shù)拇嬖?，有效地限制了剝離裂縫的發(fā)展，避免了薄壁型鋼和芯材發(fā)生界面剝離破壞，增加了夾層梁的變形能力。改變鉚釘間距，夾層梁極限承載力變化不大，這是由于試件初始破壞是薄壁型鋼和芯材之間界面剝離，鉚釘有效限制剝離裂縫的擴展，但不能防止初始裂紋產(chǎn)生。試件GCS-1.0-2-M50和試件GCS-1.0-2-M70的荷載-位移關(guān)系曲線與試件GCS-1.0-2-M30相似。圖6給出了試件GCS-0.9-2-S的3次重復試驗荷載-位移關(guān)系對比曲線。由圖可知，對于同一試件，其荷載-位移斜率相差不大，說明試件初始剛度相差不大。試驗表明，3次重復試驗中試件極限承載力有一定誤差(最大值為20%)，這是由于三個重復試件均沒有采用鉚釘增強，在試件接近其極限荷載時，出現(xiàn)不同程度的界面剝離導致。

圖5 GCS夾層梁荷載-位移曲線(不同鉚釘間距)

圖6 GCS-0.9-2-S荷載-位移曲線(重復試件)

不同參數(shù)影響下夾層梁的質(zhì)量、極限承載力、比強度(即極限荷載與試件質(zhì)量比值)、剪切剛度(L/250變形對應荷載值)、GFRP下面板極限拉應變平均值及延性系數(shù)值見表2所示。下面一一加以討論。

4.1 薄壁型鋼厚度對夾層梁受剪性能的影響

相對于無薄壁型鋼增強復合材料夾層梁，GCS夾層梁極限承載力提高了71%～127%，比強度提高了24%～50%。隨著薄壁型鋼厚度增加，夾層梁極限承載力變化不大，甚至略有降低。這是由于夾層梁主要發(fā)生芯材剪切破壞，破壞模式由巴薩木芯材剪切破壞控制；相對于無薄壁型鋼增強復合材料夾層梁，GCS夾層梁剪切剛度提高98%～133%，薄壁型鋼厚度越大，剪切剛度越大。

將試件達到極限承載力時荷載-位移曲線與x坐標軸圍成面積為Eu，試件達到極限承載力之后，荷載下降到極限承載力50%時荷載-位移曲線與x坐標軸圍成面積為E1/2，定義二者的比值為延性系數(shù)μ[15]。由表2可知，GCS夾層梁的延性系數(shù)比無增強復合材料夾層梁延性系數(shù)高470%～970%，說明薄壁型鋼能顯著提高夾層梁變形能力和延性性能。隨薄壁型鋼厚度增加，延性系數(shù)增加不明顯。

4.2 鉚釘間距對夾層梁受剪性能的影響

由表2可知，相對于無鉚釘增強試件，有鉚釘增強試件的極限承載力提高了13%～15%，下面板極限拉應變提高了30%～64%，這是由于鉚釘增加了夾層梁的變形能力。改變鉚釘間距，夾層梁正常使用極限狀態(tài)下對應荷載值變化不大，說明鉚釘間距對夾層梁剪切剛度影響不明顯。相對于無鉚釘增強試件，有鉚釘增強試件延性系數(shù)提高了11%～190%，說明鉚釘能有效阻止GFRP面板和巴薩木芯材的界面滑移，間距越小，影響效果越明顯。

表2 GCS夾層梁受剪試驗結(jié)果

4.3 GCS夾層梁應變分析

表2給出了不同試件的應變值(平均值)。由表可知，GCS夾層梁達到極限承載力時，下面板極限拉應變?yōu)?.4%(試件GCS-1.0-2-M70)，小于材性試驗中所得的數(shù)值(1.84%)[7]。說明GFRP 材料強度并未得到充分發(fā)揮。其主要原因是：巴薩木芯材強度和模量較低，使得夾層梁的破壞模式仍由芯材剪切破壞所主導。

4.4 理論與試驗結(jié)果對比

根據(jù)Timoskinko梁理論，夾層梁撓度計算公式為：

(1)

式中：L為夾層梁凈跨，(EI)x，(GA)x分別為GCS夾層梁等效彎曲剛度和剪切剛度，可分別由下式計算：

(EI)x=Ex,s(Ix,r+Ix,s)+Ex,st(Ix,st+Ix,st)+

Ex,cIx,c

(2)

式中：Ex,s，Ex,st和Ex,c分別為纖維面板、薄壁型鋼和巴薩木芯材沿x軸向的彈性模量；Ix,s，Ix,r和Ix,c分別為纖維面板和巴薩木芯材提供的慣性矩；Ix,s和Ix,r為薄壁型鋼提供的慣性矩。GCS夾層梁等效剪切模量(GA)x為：

(GA)x=(GA)st+(GA)r+(GA)c

(3)

式中：(GA)st，(GA)r和(GA)c分別為薄壁型鋼、纖維腹板和巴薩木芯材提供的剪切剛度[19]。

從表2中夾層梁在彈性階段(P=20 kN)理論計算撓度可知，理論計算撓度值比試驗值吻合良好。

5 結(jié) 論

本試驗研究了新型GCS夾層梁受剪性能，分析了薄壁型鋼厚度和鉚釘間距等參數(shù)對其受剪性能影響，并與傳統(tǒng)無增強復合材料夾層梁進行對比，得到以下結(jié)論：

1．相對于無增強型復合材料夾層梁，GCS夾層梁剪切剛度和極限承載力均得到大幅提高，其值最大分別為133%和127%。

2．隨薄壁型鋼厚度的增加，GCS夾層梁剪切剛度增加，但由于夾層梁破壞模式主要由巴薩木芯材剪切破壞控制，薄壁型鋼厚度對GCS夾層梁極限承載力影響不明顯。

3．鉚釘能保證GFRP面板與壓型鋼板之間在剪切荷載作用下協(xié)同工作，對夾層梁變形能力的提高有明顯作用，間距越小，其影響效果越顯著。

4．試驗分析了薄壁型鋼厚度和鉚釘間距等參數(shù)對GCS夾層梁試件受剪性能影響，得到了其典型破壞模式，揭示了其剪切受力機理，為該新型結(jié)構(gòu)體系在建筑梁、板結(jié)構(gòu)領域的應用提供了技術(shù)支撐。

5.后續(xù)的研究將進一步分析鉚釘?shù)念A緊力大小對夾層梁受剪性能的影響，并提出該新型結(jié)構(gòu)剪切承載力理論分析模型。