E玻璃纤维增强环氧树脂基复合材料剪切性能

吴斌峰，孙清，李亮，王虎长，赵雪灵(.西安交通大学土木工程系，西安市70049;.中国电力工程顾问集团公司西北电力设计院，西安市70075)

E玻璃纤维增强环氧树脂基复合材料剪切性能

吴斌峰1，孙清1，李亮1，王虎长2，赵雪灵2
(1.西安交通大学土木工程系，西安市710049;
2.中国电力工程顾问集团公司西北电力设计院，西安市710075)

为了探究E玻璃纤维增强环氧树脂基复合材料(E-glass fiber reinforced polymer，E-GFRP)的剪切性能，对EGFRP进行了±45°拉伸试验、45°偏轴拉伸试验和层间剪切强度试验，研究了E-GFRP的面内(纵横)剪切强度、面内(纵横)剪切模量和层间剪切强度;探讨了E-GFRP剪切破坏的特征。依据现有的多种复合材料计算模型对试件的面内剪切模量进行计算并与试验结果对比，比较各计算模型的预测效果。结果表明:与45°偏轴拉伸试验相比，±45°轴向拉伸试验测定E-GFRP材料的剪切性能参数更可靠;各模型给出的面内弹性剪切模量预测值中，哈尔平-蔡(Halpin-Tsai)模型和王震鸣推荐公式的预测值与试验值吻合程度最好。

E玻璃纤维;玻璃钢纤维复合材料(GFRP);面内剪切;层间剪切;试验研究

0 引言

玻璃纤维增强复合材料(glass fiber reinforced polymer，GFRP)是以玻璃纤维及其制品(玻璃布、带、毡、纱等)作为增强材料，以合成树脂作为基体材料的一种复合材料。这种材料从20世纪40年代问世以来，在航空、航天、船舶、汽车、化工、医学和机械等领域得到广泛的应用。近年来，纤维增强复合材料(fiber reinforced polymer，FRP)以其高强、轻质、耐腐蚀等优点，开始在土木与建筑工程结构中得到应用，并受到工程界的广泛关注［1-2］。其中，E玻璃纤维增强环氧树脂基复合材料(E-glass fiber reinforced polymer，E-GFRP)具有轻质高强、耐腐蚀、耐疲劳、耐久性能和电绝缘性好、性能可设计等优点，是理想的输电杆塔结构材料［3］。

但是，相比较其他的力学性能，E-GFRP材料的抗剪性能较差，不仅剪切模量低，而且抗剪切强度也低(抗拉强度是抗剪强度的30倍甚至更高)。对很多结构来讲，即使剪应力很小，也能使其丧失承载能力［4］。因此，进行E-GFRP材料的加工工艺、纤维体积含量、纤维排列方向等对剪切性能影响的研究，以及进行层间剪切强度的测试与评价工作，对扩大EGFRP的应用范围和确保其使用安全性有非常重要的意义［5］。

E-GFRP的剪切性能包括平面内的剪切性能与平面外的剪切性能:剪应变与剪应力沿材料各层边缘作用，处于各层平面之内，称为面内剪切(边缘剪切);剪应变与剪应力处于垂直于各层的平面内，导致相邻层产生相对位移的趋势，称为层间剪切［6］。

本文针对输电杆塔中采用的E-GFRP材料的剪切性能分析，分别采用45°偏轴拉伸试验和±45°轴向拉伸试验对复合材料的面内(纵横)剪切强度和面内(纵横)剪切模量进行测定;采用品字梁试件对复合材料层间剪切强度进行测定。通过分析试验结果，探讨剪切破坏特征，验证复合材料微观力学计算模型，为我国架空输电线路复合材料杆塔设计导则的编制提供依据和指导。

1 E-GFRP材料剪切试验

经过多年的发展，复合材料平面内剪切性能的测定，目前至少有10多种试验方法［4］:如45°偏轴拉伸试验方法［7］，三点弯曲试验［8］，±45°轴向拉伸试验［9］，四点剪切试验法，约赛佩斯库(Iosipescu)剪切试验法［10］，双轨剪切试验［11］，薄壁管材扭转试验［12］，板材弯扭试验［13］等。本文分别采用45°偏轴拉伸试验和±45°轴向拉伸试验对复合材料的面内(层内)剪切强度和面内(轴向)剪切模量进行测定，2种试验除了采用的试件纤维分布不同，其余方法一致。这2种试验方法对夹具的要求较低，且试件形式简单，便于加工，因此得到普遍的应用［14］。

目前，相关复合材料剪切性能的研究多注重于平面内剪切性能的研究，但是层间剪切的研究同样重要，层间剪应力的存在很容易导致层间的分层破坏，所以层间剪切强度的测定也是复合材料设计中必须考虑的重要问题［15］。目前国内对层间剪切强度的测定多采用三点弯曲式短梁法(GB/T 3357—1982《碳纤维增强塑料孔隙含量检验方法》;美国ASTMD 2344—84)，但是该方法只是获得材料层间剪切强度的表观值，而得不到材料的真实数据，不能用作材料的设计数据。故本文中采用品字梁试件测层间剪切强度，该方法测得的层间剪切强度较为准确，但是对试件的加工精度要求较高，对应的夹具也比较复杂。本文改进了底端约束，并且对夹具进行了改造。

1.1 试验材料

由不同的玻璃纤维、基体和成型工艺得到的GFRP材料的力学性能有一定的差异。考虑材料性能要求和经济效益因素，目前输电工程中采用的主要为E-玻纤。对于基体材料，则选择环氧树脂，因为其力学性能基本能够满足输电工程要求，又有稳定的化学性质，制造相对廉价方便。45°偏轴拉伸试验、±45°轴向拉伸试验和层间剪切试验中分别采用的试件形式如表1所示。

1.2 试件设计

45°偏轴拉伸试验和±45°轴向拉伸试验中的试件尺寸和加工要求均按国家标准GB/T 3355—2005《纤维增强塑料纵横剪切试验方法》执行，由鞍山远达电网工程有限公司制作。

45°偏轴拉伸试验试件形式如图1，共16个。±45°轴向拉伸试验试件形式如图2，共16个。

层间剪切试验中试件尺寸和加工要求按国家标准GB/T 1450.1—2005《纤维增强塑料层间剪切强度试验方法》规定执行，由鞍山远达电网工程有限公司制作。试件形式如图3所示，共16个。

1.3 试验方案及加载

45°偏轴拉伸试验和±45°轴向拉伸试验的过程参照国标GB/T 3355—2005《纤维增强塑料纵横剪切性能试验》进行:沿试样轴向匀速施加静态拉伸荷载，直到试样断裂或者达到预定的伸长，在整个过程中，测量施加在试样上的荷载和试样的伸长，同时测试试样上应变片读数，以求得剪切模量。

45°偏轴拉伸试验和±45°轴向拉伸试验采用上海龙华WDW-300D型材料拉伸试验机。该试验机精度可达0.5级，试验中可直接记录荷载、位移等数据。测试材料弹性模量、泊松比的应变采集仪器为靖江东华DH3816，60通道静态电阻应变仪。应变花采用中航电测仪器股份有限公司生产的BE120-3BC型正交应变花。

层间剪切试验严格按照国家GB/T 1450.1—2005《纤维增强塑料层间剪切强度试验方法》进行测试时，沿试样轴向0.5 mm/min的速度进行加载施加静态压缩荷载，直到试样破坏，记录最大载荷值。加载夹具底部为球铰。试验装置采用上海龙华WDW-100D型微程控制电子万能试验机，该试验机精度可达0.5级，试验中记录荷载、位移等数据。

1.4 试验结果及分析

1.4.1 试验现象及破坏特征

(1)45°偏轴拉伸试验。荷载位移曲线和破坏模式如图4所示，由图4可知:加载初期试件外观没有明显变化，从荷载-位移曲线可以看出试件在开始加载后荷载与位移成线性增长，但达到一定值以后，由于树脂拉裂，而纤维仍可继续承担荷载，出现试件沿剪切断面滑移，在荷载位移曲线上表现为水平段。经过水平段稳定以后，荷载继续直线增长直到断裂破坏。当试件破坏后，可以看到45°的裂缝，树脂已经基本完全拉裂，卸载取下已经破坏的试件之后再观测，此时裂缝不易看到，试件表面呈现有45°白色纹理。

(2)±45°轴向拉伸试验。试验现象与45°偏轴拉伸试验类似，荷载位移曲线和破坏模式如图5所示。从荷载-位移曲线可以看出，试件在开始加载后荷载与位移成线性增长，但达到一定值以后，由于树脂拉裂，而纤维仍可继续承担荷载，出现试件沿剪切断面滑移，在荷载位移曲线上表现为水平段。经过水平段稳定以后，荷载继续直线增长，直到玻璃纤维从树脂基体中拔出，复合材料同时断裂才意味着彻底破坏，在荷载位移曲线上表现为高应力状态的平台。当试件破坏后，可以看到45°的裂缝，树脂完全拉裂，卸载取下已经破坏的试件后观测，试件表面呈现有45°白色纹理。

(3)层间剪切试验。荷载轴向位移曲线和试件破坏形态见图6。在加载初期，由于夹具底部设置为球铰，所以有一个对中和夹具加紧的过程，导致荷载位移曲线在初期有较长的水平段，在稳定以后，荷载迅速线性增长直到破坏，最终试件平均的位移量达到1.5 mm左右，试件即被剪开成两半。从破坏断面来看，破坏断面出现在试验前所预测的位置且切面光滑，说明试件两端夹持合理，对中准确，试件发生的破坏形式是纯剪破坏。

1.4.2 试验结果

45°偏轴拉伸试验与±45°轴向拉伸试验得到的应力与轴向应变曲线如图7所示，从图7可以看出应力应变曲线呈线性，曲线经数值拟合得到。

45°偏轴拉伸试验和±45°轴向拉伸试验的剪切强度为

式中:F为破坏载荷，N;b为试样宽度，mm;d为试样厚度，mm。45°偏轴拉伸试验结果见表2。

45°偏轴拉伸试验和±45°轴向拉伸试验的剪切模量为

式中:Lo为测量的标距，mm;ΔP为荷载-变形曲线直线段荷载增量，N;Δεx、Δεy为与荷载增量ΔP对应的轴向和横向应变增量，mm。±45°轴向拉伸试验结果见表3。

层间剪切强度试验的剪切强度为

式中:τs为剪切强度，MPa;h为试样受剪面高度，mm。层间剪切试验的结果见表4。

1.4.3 结果分析

45°偏轴拉伸试验得到E-GFRP材料的面内剪切强度和面内剪切模量分别为19.64 MPa和6.15 GPa。±45°轴向拉伸试验得到的E-GFRP材料的面内剪切强度和面内剪切模量分别为32.00 MPa和5.9 GPa。这2个试验的剪切模量结果相同而剪切强度结果相差较大。

剪切模量的结果相同:45°偏轴拉伸试验和±45°轴向拉伸试验中试件处于平面应力状态，x方向为受力方向，1为顺纤维方向，2为垂直纤维方向。运用应力与应变转轴公式进行坐标变换，得到

式中:σx、σy、τxy和εx、εy、γxy为轴向应力、应变分量;i，j=1，2，6)中的各分量为轴向柔量，该矩阵为对称矩阵，即=

45°偏轴拉伸试验和±45°轴向拉伸试验中纤维方向均为45°，所以σx=F/bd，σx=τxy=0。

其中E45=σx/εx，通过式(5)可求得剪切模量G12，所以45°偏轴拉伸试验和±45°轴向拉伸试验得到的剪切模量值很接近。

剪切强度结果相差较大:复合材料细观不均匀结构的本质，使其性能不但具有各向异性的特点，在许多情况下，还具有各种藕合效应［16］:当试件受45°偏轴拉伸时，在材料坐标系下，除了有剪切应力分量外，还会有同等大小的纵向和横向拉伸应力分量。由于45°的横向拉伸强度很低，因此破坏往往就由横向拉伸应力引起，至少也会对破坏的产生起较大的作用。这样测出的剪切强度自然是不可靠的［17］。虽然±45°轴向拉伸试验中试件的应力状态与45°偏轴拉伸相似，但此时的试件对称45°纤维分布保证试件有较高的纵向和横向强度，保证了破坏还是由最薄弱的环节，剪切破坏所控制，所以测得的剪切强度是合理的，但是试件还是会受到层间应力的影响。

层间剪切试验测得的剪切强度为53.42 MPa，为保证试件发生的破坏形式是纯剪破坏，试验中采用了与品字梁试件相配套的夹具和底部安放球铰控制对中约束，使得试件的破坏断面出现在所预测的位置(品字梁变截面处)，且切面光滑。而测得的剪切强度结果也在预计的范围内，拉挤成型的E-GFRP层间剪切强度为50～60 MPa［18］。本文改进了底端约束，并且对夹具进行了创新设计，使其便于加工，节省试验费用的同时又可以有助于准确测得结果，便于该试验方法的推广应用。

2 剪切强度计算模型

通过引入复合材料力学中的多种计算模型来研究E-GFRP材料面内剪切性能与基材和纤维剪切性能之间的关系。E-GFRP材料的面内剪切强度主要由基材的剪切强度与界面结合的质量决定，后者可以由界面力学性能的微观测试方法得到，如纤维拔出试验等［19］。E-GFRP材料的面内剪切模量则与基材和纤维剪切模量相关联，目前已发展出多种计算模型。

(1)并联模型为

式中:Gf为纤维切变模量;Vf为纤维体积分数;Vm为基体体积分数;Gm为基体的切变模量。

(2)并联模型为

(3)植村-山胁经验公式为式中:GLT1为串联模型剪切模量;GLT2为并联模型剪切模量，对于玻璃纤维/环氧树脂复合材料c取0.095～0.175。

(4)王震鸣推荐公式为

式中:Em为基体弹性模量;Ef为纤维弹性模量。

(5)组合模型为

表5中列出了分别采用各模型得到的计算结果，通过对比，Halpin-Tsai计算模型给出的面内弹性剪切模量预测值与试验值几乎相同，采用王震鸣建议的公式得到的结果也很接近试验值，而其他计算模型得到的结果与试验值相差较大。

3 结论

(1)45°偏轴拉伸试验与±45°轴向拉伸试验测得的剪切模量结果接近，但45°偏轴拉伸试验剪切强度测试结果显著偏低。故采用±45°轴向拉伸试验测定E-GFRP材料的剪切性能，既可得到比较可靠的剪切性能参数，试验方法又比较简单，而且便于推广应用。

(2)Halpin-Tsai计算模型给出的面内弹性剪切模量预测值与试验值吻合良好，采用王震鸣建议的公式得到的结果也很接近试验结果。推荐采用这2种模型计算E-GFRP材料面内弹性剪切模量。

［1］叶列平，冯鹏.FRP在工程结构中的应用与发展［J］.土木工程学报，2006，39(3)，24-36.

［2］车剑飞，黄清霞，杨娟.复合材料及其应用［M］.北京:机械出版社，2006:11-14.

［3］夏开全.复合材料在输电杆塔中的研究与应用［J］.高科技纤维及应用，2005，30(5):19-23.

［4］王晓纯，薛明德，徐秉业，等.复合材料横向剪切弹性模量的识别与层间剪切强度的实验研究［J］.工程力学，1998，4(15):50-56.

［5］孔庆宝.玻璃钢工业现状及玻璃纤维工业发展的建议［J］.玻璃纤维，1998(4):19-25.

［6］赫尔D.复合材料导论［M］.北京:中国建筑工业出版社，1989: 203-235.

［7］张汝光，徐守勃.偏轴拉伸测定复合材料剪切特性的研究［J］.上海力学，1981(1):55-65.

［8］Whitney J M.Elasticity analysis of orthotropic beams under concentrated loads［J］.Composites Science and Technology，1985，22:167-184.

［9］Cham is C，Sinclair J.Ten-deg off-axis test for shear properties in fiber composites［J］.Experimenta1 Mechanics，1997，17(9): 339-346.

［10］Ho H，Tsai MY，Morton J，et al.An experimental investigation of losipescu specimen for composite materials［J］.Experimental Mechanics，1991，31(4):328-336.

［11］Sims D F.In-plane shear stress-strain response of unidirectional composite materials［J］.Journal of Composite Materials，1973，7(1):124-128.

［12］Bauchau O A，Hong C H.Nonlinear composite beam theory［J］. Journal of Applied Mechanics，1988，55(1):156-163.

［13］Sih G C，Chen E P.Sudden stretching of a four-layered composite plate［J］.Engineering Fracture Mechanics，1981，15(1-2): 243-252.

［14］沈观林，胡更开.复合材料力学［M］.北京:清华大学出版社，2006:81-82.

［15］罗祖道，王震鸣.复合材料力学进展［M］.北京:北京大学出版社，1992:8.

［16］王耀先.复合材料力学与结构设计［M］.上海:华东理工大学出版社，2012:87-90.

［17］张汝光.复合材料性能试验:方法选择和结果评价［J］.玻璃钢/复合材料，2000(1):3-7.

［18］陈祥宝，包建文，娄葵阳.树脂基复合材料制造技术［M］.北京:化学工业出版社，2000:202-206.

［19］乔生儒.复合材料细观力学性能［M］.西安:西北工业大学出版社，1997:22-28.

(编辑:蒋毅恒)

Shear Property of E-Glass Fiber Reinforced Polymer

WU Binfeng1，SUN Qing1，LILiang1，WANG Huchang2，ZHAO Xueling2
(1.Department of Civil Engineering，Xi＇an Jiaotong University，Xi＇an 710049，China; 2.Northwest Electric Power Design Institute of China Power Engineering Consulting Group，Xi＇an 710075，China)

To study the shear properties of the E-glass fiber reinforced polymer(E-GFRP)，the±45°tensile test，the 45°off-axis tensile test and the interlam inar shear strength testwere carried out on the E-GFRP.The in-plane(vertical and horizontal)shear strength，in-plane(vertical and horizontal)shearmodulus and interlam inar shear strength of the E-GFRP materialwere studied.And the characteristics of the E-GFRPmaterial shear failurewere discussed.According to the existing calculation models for compositematerials，the in-plane shearmodulus of specimens were calculated and compared With the test results，to compare the prediction effect of each calculation model.The results show that the shear property parameters of the E-GFRPmeasured in the±45°tensile test are more reliable than those measured in the 45°off-axis tensile test; among all the models，the predictive values of Halpin-Tsai prediction model and the formula recommended by Zhenm ing Wang agree wellw ith the experimental data.

E-glass fiber;glass fiber reinforced polymer(GFRP);in-plane shear;interlam inar shear; experimental study

TM 75

A

1000－7229(2014)11－0079－06

10.3969/j.issn.1000－7229.2014.11.013

2014-06-13

2014-07-07

吴斌峰(1986)，男，硕士研究生，主要从事复合材料杆塔研究工作;

孙清(1970)，男，博士，教授，博士生导师，主要从事钢结构、型钢-混凝土组合结构、结构振动控制方面的工作，E-mail:sunq@mail. xjtu.edu.cn;

李亮(1987)，男，硕士研究生，主要从事复合材料杆塔研究工作;

赵雪灵(1982)，男，硕士，工程师，主要从事钢结构研究工作;

王虎长(1962)，男，学士，教授级高级工程师，主要从事钢结构研究工作。

国家电网公司科技项目(DG1-T04-2009)。