U型截面GFRP－泡桐木夹层板抗弯性能研究

王 俊， 刘伟庆， 胡世俊， 方 海， 周宏伟

（南京工业大学土木工程学院，江苏南京211816）

纤维聚合物复合材料（FRP）具有耐腐蚀、轻质高强、维护费用低及全寿命费用低等优点，在过去的30年已成功应用在新建和改建的结构中[1－3].其中可横向连接的U型、Z型等波形截面玻璃纤维增强复合材料（GFRP）板在国外已成功应用于直立式板桩护岸加固和小型码头、防波堤、海洋平台的建设.相关研究人员已开展单块U型FRP板[4]、横向拼接在一起的FRP板[5－6]及中空木塑复合材料（WPC）Z型板和乙烯基Z型板[7]抗弯性能研究.此外预制U型FRP板还可用作浇注混凝土的模板，形成复合材料组合梁和组合桥面板[8－9].

由于GFRP弹性模量较低，如果设计成与现有钢板桩同样的截面，GFRP板桩护岸的抗弯刚度和承载力会远小于钢质护岸，这在一定程度上限制了复合材料在荷载水平较高的深水港口、航道的应用.将GFRP与价格低廉的速生泡桐木相结合，通过真空导入工艺，可形成各种截面形式的波型GFRP夹层结构，其中的泡桐木芯材为夹层结构提供足够的截面惯性矩和抗弯刚度，且承受剪应力，GFRP面层则主要承受弯曲变形引起的正应力[10].U型截面GFRP－泡桐木夹层板不仅具有轻质、高强、耐腐蚀等特性，而且有较大的抗弯刚度，可用作永久性航道护岸、板桩码头，也可用作人行桥的桥面板.

本文通过U型截面GFRP－泡桐木夹层板试件的三点弯曲试验，测量受弯过程中U型夹层板的承载力和变形，对比分析了该类型试件的破坏形态、荷载－位移曲线、应变分布和发展特征.试件的设计考虑了GFRP壁厚、芯材厚度以及跨高比等参数变化对试件受力特征的影响，并将其与现有GFRP板桩的三点弯曲刚度进行对比.

1 试验

1.1 试件设计

本试验共有11个U型截面GFRP－泡桐木夹层板试件，面层材料GFRP为纵横向纤维比例1∶1的双向无碱玻璃纤维布和不饱和间苯树脂，芯材为泡桐木.试件主要参数列于表1.表1中，试件编号前2位数字代表芯材厚度，mm；第3位数字代表纤维铺层数；S表示跨高比为8；L表示跨高比为18.

1.2 试件制作

原材料：不饱和间苯树脂A400－972，金陵帝斯曼树脂有限公司生产；400g／m2双向无碱玻璃纤维布，南京玻纤院生产；泡桐木产自江苏省徐州市，密度280kg／m3.

U型截面GFRP－泡桐木夹层板的制备采用真空导入工艺，导入模具采用胶合木和中密度纤维板，根据试件形状加工组合成型，具有表面光滑、可重复使用等优点.泡桐木原木经过林场的初加工，烘箱干燥、压力机拼接成板并表面刨光.为了增强GFRP面层和泡桐木芯材的界面黏结力，在泡桐木表面开槽钻孔，槽宽2mm，按30mm×30mm间距均匀布置，在纵横槽交叉处每隔60mm钻孔，孔径3mm.制备试件时，先将模具表层打蜡，铺设无碱玻璃纤维布于模具底层，然后将泡桐木芯材铺设于底层纤维布上，接着将玻璃纤维布铺设于泡桐木芯材上表面并且压紧.最后将导流布、导流管和真空导入袋布置好，接通真空罐，检查是否漏气.配置不饱和间苯树脂，加入凝固剂导入.经过24h的固化后，将试件脱模，并切边.试件制作流程见图1.

表1 试件参数Table 1 Parameters of specimen

1.3 材性试验

GFRP面层拉伸试验按照GB／T 1447—2005《纤维增强塑料拉伸性能试验方法》进行，剪切试验参照GB／T 3355—2005《纤维增强塑料纵横剪切试验方法》进行.加载设备为Zwik／Roell Z050万能试验机，加载速率为2mm／min.GFRP材性试验结果见表2.

泡桐木芯材的顺纹方向垂直于板的承重方向，因此在受荷载发生弯曲变形时，泡桐木芯材的顺纹抗压、抗拉性能将影响整个试件的承载力.本次试验采用的泡桐木芯材与文献[11]中的泡桐木来自同一林场，并经过相同的加工处理，故本文泡桐木材性数据选用该文献，如表3所示.

1.4 加载和量测装置

图1 试件制作过程Fig.1 Production process of specimen

表2 GFRP材料性质Table 2 Mechanical properties of GFRP

表3 泡桐木材料性质[11]Table 3 Mechanical properties of paulownia wood

对于U型截面GFRP－泡桐木夹层板试件，本次试验采用三点弯曲试验，主要测定试件的抗弯承载力、变形能力、GFRP面层的纵向应变及其沿截面高度的应变分布情况.分别在试件跨中截面上下翼缘内外壁粘贴双向应变片，沿腹板高度内外壁粘贴三向应变片，如图2所示.图2中，P1～P26为粘贴应变片的编号，h为截面高度.

图2 跨中截面应变片布置示意图Fig.2 Layout of strain gauges

跨高比为8的试件在100kN的万能试验机上加载，跨中位移由位移计测量，为避免加载部位局部压坏，加载部位垫聚四氟乙烯板（258mm×50mm× 10mm）.根据GB／T 1449—2005《纤维增强塑料弯曲性能试验方法》，常规弯曲试验加载速度取10mm／min，而结构试验在达到承载力的90%之前按10%的标准荷载值加载，超过承载力的90%后按5%分级加载.考虑到本文的试件不同于传统的结构件，也不是单一材料的FRP梁，因此首先加载的试件20－4S加载速度较缓慢（1mm／min），以便观察试件受荷过程的细微变化.当观测到试件20－4S的荷载－位移曲线变化较为平顺时，便将其余试件的加载速度调整到2mm／min.跨高比为18的试件采用千斤顶手动加载，3818静态应变仪测量应变，有效量程为100mm的位移计测量跨中位移，采集数据的频率为1kN.考虑到U型截面试件在纵向荷载作用下容易向两侧垮塌，为约束其面内侧向变形，发挥其整体抗弯性能并且尽量满足其实际使用时的受力状态，在试件的加载点和支座处均设置了钢夹具.加载装置如图3所示.

图3 试验装置图Fig.3 Test device

2 试验结果

2.1 试件破坏形态

对于跨高比为8的短试件，加载初始阶段即发生典型的弯曲变形，跨中位移随着荷载增加而增大.加载到极限荷载的80%左右时，跨中上翼缘板整体塌陷，如图4（a）所示.随着荷载的增加，GFRP从上翼缘板到腹板逐渐被破坏，当GFRP撕裂到腹板截面高度的一半时，如图4（b）所示，试件失去承载力.腹板内表面没有明显破坏，上翼缘板内壁GFRP局部有纤维断裂.不同GFRP壁厚和芯材厚度试件的破坏模式基本相同.

图4 跨高比为8的试件破坏形态Fig.4 Failures of specimen with span－depth ratio of 8

将破坏后的试件沿破坏面两侧切开，查看泡桐木芯材的实际破坏情况.由于泡桐木表面经过开槽打孔处理，其表面的树脂基体与GFRP面层的黏结十分牢固，上翼缘板塌陷部分和破坏面的泡桐木没有明显的开裂（图5）.这说明试件破坏时，泡桐木芯材并未发生剪切破坏.由于泡桐木芯材的弹性模量比GFRP面层的弹性模量小，在变形一致的情况下GFRP面层承担了更大的应力.GFRP剪切强度只有其抗拉强度的十分之一，当GFRP剪应力达到其面外剪切强度时，面层先受到剪切破坏，破坏继而向腹板扩展，最终导致整个试件丧失承载力.

图5 破坏处的泡桐木芯材Fig.5 State of paulownia wood of a destroyed specimen

对于跨高比为18的长试件，在加载初始阶段，跨中位移随荷载增大更为明显.加载到接近于破坏荷载时，上翼缘板裂开1条直线，破坏继续向腹板发展，试件很快达到极限承载力，如图6所示.相对跨高比为8的短试件，长试件在上翼缘板开裂后，裂纹扩展和破坏更为迅速.

2.2 荷载－位移曲线

图6 跨高比为18的试件破坏形态Fig.6 Failure of specimen with span－depth ratio of 18

各试件跨中荷载－位移特性如图7所示.由图7可知，对于跨高比为8的短试件，当荷载不超过极限荷载的70%时，各试件的荷载－位移曲线呈线性关系，试件处于弹性受力阶段.此后，位移的增长速度超过荷载的增长速度，试件表现出弹塑性受力特征.对于跨高比为18的长试件（20－4L和20－6L），在临近最大承载力时才表现出一定的弹塑性，破坏更加突然.

2.3 荷载－纵向应变曲线

以试件20－4S和20－4L为例，试验测得外板纵向应变随荷载增大变化趋势如图8所示.基于受拉侧各测点的应变发展规律可知：加载初期，拉应变随荷载增加而线性增大；临近极限荷载，应变增长幅度超过荷载增幅，且底板（P26）拉应变发展最快；同一水平位置测点（P11，P13）的应变变化基本接近，距离中性轴越远则拉应变变化幅度越大.

基于受压侧各测点的应变发展规律可知：加载初期，腹板中部及以上的受压区（P1，P5，P8）的应变随荷载增加而线性增大，靠近中性轴的测点压应变增长幅度较小；当加载到80%极限荷载，上翼缘板（P1，P5）由压应变转变成拉应变，这是由于加载后期泡桐木芯材受压塌陷，对上翼缘板产生撬力所致.跨高比为18的试件破坏更突然，压应变略有减小之后很快达到极限承载力.

为了考察截面变形是否符合平截面假定，以试件20－4S和20－4L为例，其纵向应变沿截面高度变化如图9所示.由图9可见，从加载之初到加载到70%的极限弯矩即0.7M，试件的纵向应变沿腹板高度的分布（P11，P8，P5）基本符合平截面假设，但底板（P26）应变偏大，原因可能有：试件制作时截面不完全对称，除受弯外还有扭矩产生，导致下翼缘产生附加应力；底板应力沿横向分布不均匀；真空导入树脂渗入不均匀，下翼缘树脂含量较高，变形较大.

图7 荷载－位移曲线Fig.7 Load－displacement curves

图8 荷载－纵向应变曲线Fig.8 Load－longitudinal strain curves

图9 纵向应变沿截面高度变化图Fig.9 Distribution of longitudinal strain along depth of the cross－section

3 刚度提高效应及影响因素分析

3.1 刚度提高效应

为了对比U型截面GFRP－泡桐木夹层板和国外现有U型截面GFRP板桩的抗弯性能，本文引用了文献[4]中的参数：U型截面GFRP板桩高度0.126m，宽度0.416m，壁厚0.032～0.047m（截面为变厚度），抗弯刚度EI为212kN·m2和抗剪刚度kAG为756kN.

根据Timoshinko三点弯梁荷载－位移公式可得：

式中：δ为跨中竖向位移；P为荷载；L为试件计算长度.

按照跨度、截面宽度和高度相同原则，根据本次试件的计算跨度由公式（1）算出GFRP板桩的（δ／P）G，并将其倒数（P／δ）G均除以板的宽度和高度，与单位宽度和高度的U型截面GFRP－泡桐木夹层板弹性阶段试验荷载－位移曲线斜率（P／δ）Gp进行对比，定义刚度提高率为：

表4为夹层板刚度与现有GFRP板桩刚度对比.由表4可见，对于跨高比在8附近的试件，单位宽度和高度的U型截面GFRP－泡桐木夹层板和国外现有U型截面GFRP板桩相比，其刚度提高率为64.77%～181.97%，跨高比在18附近的试件，刚度提高率为29.24%～69.01%.芯材厚度和GFRP壁厚的增加均使得刚度提高率增大，而在其他条件相同的情况下跨高比的增大使得刚度提高率有所减小.采用夹层板形式可以减少纤维增强材料的用量，且泡桐木芯材价格低廉，因此该新型夹层板用作板桩护岸可大大减小工程造价.

表4 夹层板刚度与现有GFRP板桩刚度对比Table 4 Comparisons of stiffness of sandwich composite plates and GFRP sheet piles

3.2 影响因素分析

本试验制备的试件宽度、翼缘和腹板的夹角均相同，变化因素为纤维铺层数、芯材厚度以及跨高比.当纤维铺层数或芯材厚度变化时，截面高度也发生了变化.为了消除截面高度的影响，下文提到的刚度均将测试到的弹性阶段P／δ除以了各试件相应的高度.

图10 纤维铺层数的影响Fig.10 Influence of the layer of GFRP

图10给出了纤维铺层数分别为4，6，8试件的受力性能，tc为芯材厚度.由表4和图10可以看出，纤维铺层数从4层增大到6层和8层，芯材厚度为20mm的试件刚度提高率分别为6.50%和31.12%，极限承载力分别提高6.60%和38.41%；芯材厚度为25mm的试件刚度提高率分别为1.14%和41.04%，极限承载力分别提高29.49%和 44.07%；芯材厚度为35mm的试件刚度提高率分别为13.46%和32.25%，极限承载力分别提高33.70%和66.59%.纤维铺层数为4层和6层对弹性阶段的刚度影响很小，原因主要在于U型截面夹层结构的刚度为翼缘刚度和腹板刚度之和，而翼缘刚度或腹板刚度由GFRP面层和芯材两部分的刚度组成，与单一GFRP材料组成的试件相比，仅GFRP面层厚度增加产生的刚度提高效应不显著.同时由于材料自身和生产工艺的因素，各试件材性不完全一致（变异系数见表2），因此试验测得的刚度有一定的离散性.当GFRP铺层数增加为8层时，GFRP面层对其自身中性轴的惯性矩随壁厚的增大而增加，试件弹性阶段刚度和极限承载力提高较明显.此外，试验表明芯材厚度越大，试件极限承载力随纤维铺层数增加的幅度越大.

对比GFRP铺层数为6，跨高比为8，而芯材厚度分别为20，25，35mm的3个试件的荷载－位移曲线（见图7）可以发现，在弹性阶段芯材厚度20mm和25mm的试件荷载－位移曲线基本重合，说明这2种厚度试件的刚度很接近，进入弹塑性阶段后试件25－6S则比试件20－6S极限承载力提高了26.01%.芯材厚度增大到35mm，试件35－6S的弹性阶段刚度和极限承载力均有提高，和试件20－6S相比，刚度提高率为10.13%，极限承载力提高了47.62%.

对比芯材厚度相同而跨高比分别为18和8的试件荷载－位移曲线（见图7）可以发现，跨高比对试件的刚度和极限承载力均影响较大，试件20－4L和20－4S相比，其刚度下降了81.94%，承载力下降了52%，而试件20－6L和20－6S相比，其刚度下降了78.88%，承载力下降了38.16%.由此可见纤维铺层较少的试件，跨高比变化对其刚度和承载力的影响更大.

4 结论

（1）U型截面GFRP－泡桐木夹层板的弯曲破坏主要发生在跨中附近，裂纹首先产生于上翼缘外面板，进而向腹板发展.与跨高比为8的试件相比，跨高比为18的试件破坏更为迅速.

（2）对于跨高比为8的试件，当加载不超过极限荷载的70%时，试件处于弹性受力阶段.此后，随荷载增加，试件表现出弹塑性受力特征.对于跨高比为18的长试件，在临近最大承载力时才表现一定的弹塑性.GFRP面板受拉区纵向应变随荷载增加呈现线性变化，受压区上翼缘在芯材压陷后，外面板有向外弯曲的趋势，因此短跨度试件上翼缘GFRP外面板由受压应力转变为受拉应力，长跨度试件上翼缘GFRP外面板压应力减小.GFRP纵向应变沿腹板高度的分布符合平截面假设，但受拉区底板应变偏大.

（3）纤维铺层数对试件弹性阶段刚度影响很小，但会影响其极限承载力.对于铺层数为8的试件，其刚度和极限承载力的提高较为明显.芯材厚度越大，试件极限承载力也越大.极限承载力和刚度均随跨高比的增加而下降.对跨高比较大的试件，可通过增加纤维铺层数来提高其抗弯性能.

（4）在跨度、截面宽度和高度相同的情况下，U型截面GFRP－泡桐木夹层板与国外现有U型截面GFRP板桩相比，刚度提高率为29.24%～181.97%，芯材厚度和GFRP壁厚的增加使刚度提高率变大，而跨高比的增大则使刚度提高率减小.

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