摘要 在碳達峰碳中和的背景下，纖維復合材料應運而生。纖維復合材料良好的性能指標為建筑材料提供了多樣化的選擇。針對DBJ51/T185-2021《四川省納米蒙脫石纖維復合材料工程應用技術(shù)標準》，對纖維復合材料彈性模量、泊松比、拉伸強度、壓縮強度等性能指標在大量試驗的基礎(chǔ)上作出具體規(guī)定，結(jié)合有限元模擬、公式計算和試驗結(jié)果，進一步論證了“四川省纖維復合材料地標”4.3.7條相關(guān)參數(shù)的合理性，并對其進行正向論證，權(quán)衡安全性和經(jīng)濟性指標給出纖維復合材料計算撓度限值。

關(guān)鍵詞 纖維復合板；圍護結(jié)構(gòu)；性能參數(shù)；折減系數(shù)；撓度限值

中圖分類號 TU55⁺1.3 文獻標志碼 A

0引言

隨著科學技術(shù)和生產(chǎn)水平的不斷提高，傳統(tǒng)的建筑工程材料已經(jīng)不能充分滿足現(xiàn)代建筑的低碳需求，在碳達峰碳中和的背景下，需要找到性能更優(yōu)的材料代替部分傳統(tǒng)建筑工程材料，纖維復合材料應運而生，讓我國建筑工程材料的選擇更為多樣化。

纖維復合材料是由玻璃纖維、玄武巖纖維、碳纖維等或者其混合物作為增強材料的復合材料［1］。復合材料用纖維在高溫條件下力學性能好、耐化學腐蝕性好、抗拉強度高、彈性模量高等優(yōu)點，有著廣泛的應用前景［2-3］。

與傳統(tǒng)金屬材料相比，金屬成分一般比較均勻，常具有各向同性的力學性能［4］，復合材料的力學響應更為復雜。為滿足纖維復合材料在維護系統(tǒng)中的使用需求，對纖維復合材料進行了大量性能試驗，并輔以理論模擬，本文就外圍護結(jié)構(gòu)用纖維復合板進行專項討論。

1外圍護結(jié)構(gòu)用纖維復合板研發(fā)現(xiàn)狀

外圍護結(jié)構(gòu)用纖維復合板由樹脂、纖維（玻璃纖維、玄武巖纖維或碳纖維）、蒙脫石為主要原料，通過拉擠或模壓等工藝制成的復合材料構(gòu)件。纖維復合材料構(gòu)件優(yōu)點眾多［5］，將其應用于建筑行業(yè)應能發(fā)揮出較大的經(jīng)濟價值，對傳統(tǒng)材料具有一定的替代性，由清華大學主編的T/CECS692-2020《復合材料拉擠型材結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》為采用纖維復合材料構(gòu)件的主體結(jié)構(gòu)工程設計、施工及驗收提供了依據(jù)［6］。目前還沒有專門針對外圍護結(jié)構(gòu)用纖維復合材料工程應用技術(shù)標準，鑒于此我院針對纖維復合材料非主體結(jié)構(gòu)構(gòu)件工程應用制定工程應用技術(shù)標準，下面就DBJ51/T185-2021《四川省納米蒙脫石纖維復合材料工程應用技術(shù)標準》（以下簡稱為“四川省纖維復合材料地標”），4.3.7條矩形面板截面最大應力計算公式和4.3.8條纖維復合板的撓度計算公式相關(guān)參數(shù)展開討論。

針對纖維復合單板的性能指標，做了大量的試驗，部分試驗照片見圖1～圖4，本文針對主纖維向拉伸彈性模量、次纖維向拉伸彈性模量、主纖維向壓縮彈性模量、次纖維向壓縮彈性模量、泊松比、主纖維向拉伸強度、次纖維向拉伸強度、主纖維向壓縮強度、次纖維向壓縮強度，給出5組數(shù)據(jù)（表1）。

基于試驗數(shù)據(jù)結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)纖維復合板主纖維方向彈性模量、拉伸彎曲強度值較高，表現(xiàn)出該材料優(yōu)良的抗拉伸抗彎曲性能，次纖維方向相對較弱，考慮到材料制作過程的人為誤差和材料配比的不均性性，“四川省纖維復合材料地標”3.2節(jié)中，將主纖維向拉伸彈性模量設定為不小于17000MPa，主纖維向抗拉伸強度不小于200MPa，次纖維向拉伸彈性模量設定為不小于1300MPa，次纖維向拉伸強度不小于24MPa，泊松比不小于0.3，主纖維向壓縮彈性模量設定為不小于12000MPa，次纖維向壓縮彈性模量設定為不小于1200MPa，主纖維向壓縮強度不小于10MPa，次纖維向壓縮強度不小于2MPa。

基于上述性能指標，展開對纖維復合材料單板進行力學驗算，以確定單板理論驗算公式，進而為工程應用提供參考。

2圍護結(jié)構(gòu)用纖維復合材料單板彈性小撓度公式計算與有限元結(jié)果對比

表2公式計算結(jié)果強度與有限元分析結(jié)果比較，公式計算結(jié)果隨著θ值的增加較有限元結(jié)果顯著增大，分析結(jié)果差異的原因為小變形理論的適用前提是板撓度不超過板厚度，纖維板本身具有很強的抗拉伸能力和變形能力，其允許變形遠超過纖維板本身厚度，如果按照式（1）計算應力，隨著撓度與板厚比值加大，計算應力會比實際增加較多。

通常纖維板的撓度允許值可達到計算跨度的1/30，對于900mm的板，厚度為5mm的單板，撓度允許值可以達到30mm，是纖維板厚度的7.5倍，若按照彈性小變形薄板理論計算應力、撓度值會比實際值大很多。理論計算結(jié)果不能反映纖維板本身的受力狀態(tài)和變形狀態(tài)，對于指導工程設計偏差較大，容易造成材料用量增加，理論指導公式也就失去了實際的意義，因而需要考慮引進修正系數(shù)。

3圍護結(jié)構(gòu)用纖維復合材料單板折減系數(shù)確定

點支撐復合纖維板在風荷載的作用下，受力狀態(tài)類同于四點支撐板，可按四點支撐板計算其跨中最大彎矩和最大應力。該應力與其他作用產(chǎn)生的應力分項系數(shù)進行組合后，不應大于纖維復合材料（單向布置纖維）的力學性能指標M12一列指標值（此處以單項纖維板為例），纖維復合板的內(nèi)力采用彈性力學的方法計算較為妥當，大撓度纖維板的計算是比較復雜的非線性彈性力學問題，難以用簡單的公式直接表達，針對具體問題進行相應的模擬分析，通常會借助有限元模擬軟件（目前常用的有限元軟件有ANSYS、ABAQUS等），對于常規(guī)的外圍護系統(tǒng)設計復雜而且不方便。

為工程中方便使用，應提供簡單易行，且計算精度滿足工程設計要求的簡化計算方法，“四川省纖維復合材料地標”4.3.7條纖維復合材料面板強度采用彈性小撓度計算公式，并考慮與大撓度分析方法計算結(jié)果的差異，將式（1）、式（3）計算值予以折減，式（5）根據(jù)英國B.Aalami和D.G.Williams發(fā)表于《ThinPlateDesignForTransverseLoading》一書中，根據(jù)其大量計算結(jié)果，適當簡化、并便于實際使用，選擇了與變形相關(guān)的參數(shù)為主要參數(shù)，編制了式（6）［7］。在大量試驗，結(jié)合有限元分析結(jié)果，將纖維復合材料面板強度、撓度計算公式折減系數(shù)確定見表3。

從表4的數(shù)據(jù)結(jié)果分析，折減系數(shù)η隨著θ值的增加下降較快，即按小撓度公式計算的應力和撓度可以折減較多，為保證工程安全穩(wěn)妥，在編制規(guī)范表4.3.7時，取了計算結(jié)果偏安全的數(shù)值，并留有充分的安全余量。按“四川省纖維復合材料地標”規(guī)范表4.3.7公式計算結(jié)果進行折減，不僅減小了板材厚度，節(jié)約了材料，而且還有一定的安全儲備，計算撓度時也應考慮該折減系數(shù)η。從第2節(jié)可知纖維板的承載力較高，主纖維向抗拉強度高于Q235鋼材，為充分發(fā)揮纖維板承載力，不宜對其變形控制過嚴，綜合有限元模擬與公式驗算結(jié)果，考慮其安全性和經(jīng)濟性的平衡，在實際工程應用中，纖維板通常是帶有加勁肋的，計算變形要小于平板撓度，因此將平板撓度限值取為計算跨度的1/30。

4強度系數(shù)、撓度系數(shù)正向驗證

為了充分驗證式（5）～式（8）的合理性，對公式中涉及到的各參數(shù)進行正向驗證，選定7種板幅尺寸分別為600mm×1200mm、600mm×1100mm、600mm×1000mm、600mm×900mm、600mm×800mm、600mm×700mm、600mm×600mm，在基本風壓為0.35kN/m²，0.60kN/m²2種不同基本風壓值地區(qū)，地面粗糙度均為B類，計算標高為100.0m的計算條件下，選用5mm厚度的單板為驗算對象，結(jié)果見表5。

從表5計算結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，公式計算強度值和有限元模擬強度值擬合較好，公式計算結(jié)果比有限元模擬結(jié)果總體偏大，強度結(jié)果二者數(shù)據(jù)較為接近擬合較好，撓度結(jié)果公式算法比有限元模擬結(jié)果隨著θ值增大逐漸減小?！八拇ㄊ±w維復合材料地標”規(guī)范4.3.7對于指導工程設計是可行的，而且具有一定的安全儲備。

5結(jié)論

（1）復合材料用纖維在高溫條件下力學性能好、耐化學腐蝕性好、抗拉強度高、彈性模量高等優(yōu)點，其對傳統(tǒng)材料具有一定的替代性。

（2）通過多組試驗數(shù)據(jù)結(jié)果，綜合生產(chǎn)工藝和經(jīng)濟指標，“四川省纖維復合材料地標”對外圍護結(jié)構(gòu)用纖維復合板材料力學性能指標作出具體規(guī)定。

（3）纖維復合材料具有良好的抗拉抗彎性能，綜合其安全性和經(jīng)濟性的平衡，在實際工程應用中，單板撓取值可以為計算跨度的1/30。

（4）通過多組有限元模擬結(jié)果與公式計算結(jié)果對比，確定

“四川省纖維復合材料地標”中矩形板強度和撓度公式計算折減系數(shù)。

（5）采用所得出的折減系數(shù)進行正向舉例驗證，驗證結(jié)果與有限元計算結(jié)果基本一致，表明“四川省纖維復合材料地標”折減系數(shù)合理可行。

參考文獻

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