纤维增强复合材料夹芯板的力学性能研究

胡程鹤

（北京构易建筑设计有限公司，北京　100084）

纤维增强复合材料夹芯板的力学性能研究

胡程鹤

（北京构易建筑设计有限公司，北京100084）

为了探索纤维增强复合材料（FRP）夹芯板在土木工程领域中的应用，通过四点加载试验考察了纤维增强复合材料夹芯板的力学性能。结果表明：FRP夹芯板的破坏形态为构件封边FRP的剥离和加载处上表皮FRP的局部破坏；FRP夹芯板具有较高的承载能力，可以满足普通民用建筑中的楼板或墙板的安全使用要求；构件的位移延性系数可以达到3.0，并且具有一定的变形恢复能力。此外，FRP夹芯板的残余变形是由夹芯泡沫的塑性变形造成的。

纤维增强复合材料；夹芯板；承载力；延性

0　引言

纤维增强复合材料（FRP）在土木工程领域得到了广泛的应用，尤其在既有建筑的加固和修复方面已经得到了结构工程师的认可。以玻璃纤维增强复合材料（GFRP）为例，除了具有高强、轻质、耐腐蚀等性能外，还具有较低的导热系数，可以使GFRP构件具有隔热性能；GFRP可以是透明的、半透明的或者通过添加颜料实现多色彩的视觉效果［1］。但是这些性能在实际工程中并没有得到充分的应用。

近年来，国内外学者开始对在新建建筑中使用FRP展开了研究。Thomas Keller等［1］使用GFRP夹芯材料作为屋顶结构。GFRP夹芯材料由顶层和底层的GFRP以及位于中间不同密度和强度的聚氨酯泡沫构成。此GFRP夹芯材料屋顶不仅实现了结构承载，还实现了隔热保温、防水等建筑功能。冯鹏和叶列平［2］对GFRP空心板进行了试验研究。GFRP空心板由GFRP面层和中间夹芯层组成，上面层承受压力，下面层承受拉力，中间层主要受剪力，同时连接上下面层。试验结果表明：GFRP空心板能够承受较大的荷载，可以在人行桥面和楼面中应用。冯鹏等［3］提出一种大跨屋面结构体系-FRP编织网结构。该体系采用FRP薄板条交错编织形成柔性网面，网面外边缘固定于环梁，在网内部通过悬挂配重或者预应力索实现在垂直于网面的方向上张拉，使整个FRP编织网张紧，从而具有足够的刚度和承载能力。

FRP夹芯板目前主要作为桥面板在桥梁领域中应用。1996年，KSCI公司和ICI公司共同建造了蜂窝芯层FRP夹芯桥面板，并将其应用于桥梁［4］。目前，在建筑领域中应用FRP夹芯板作为楼板和墙板的情况较少，而且关于FRP夹芯板的力学性能的科研成果相对缺乏。

纤维增强复合材料夹芯板具有轻质的显著特点，将其应用于建筑将降低地震灾害造成的人身伤害，同时减轻建筑质量，因此将纤维增强复合材料夹芯板应用于建筑将具有广泛的前景。本文通过四点加载试验研究了纤维增强复合材料夹芯板的力学性能。

1　试验概述

1.1FRP夹芯板的构成

FRP夹芯板由FRP上、下表皮层，夹芯泡沫层和FRP封边构成。FRP上、下表皮层的厚度通过抗弯承载力计算确定；夹芯泡沫层厚度依据建筑保温要求计算确定。

1.2材料性能和构件制作

FRP夹芯板长1500 mm、宽1000 mm、高100 mm，上、下表皮层厚度均为3 mm，四周封边厚度6 mm，中间夹芯聚氨酯泡沫层厚度为94 mm。上、下表皮层均由4层玻璃纤维方格布和不饱和聚酯树脂逐层铺设而成；四周封边由8层玻璃纤维方格布与不饱和聚酯树脂逐层铺设而成。夹芯泡沫层为聚氨酯泡沫。构件制作流程如下：首先搭建支撑平台，在支撑平台上涂刷脱模剂，制作由玻璃纤维布与树脂固化而成的纤维增强复合材料下表皮层；然后在下表皮层上发泡形成夹芯泡沫层；最后在夹芯泡沫层上制作由玻璃纤维布与树脂固化而成的纤维增强复合材料上表皮层，并将四周封边。玻璃纤维布的面密度为380 g/m2，夹芯聚氨酯泡沫密度为40 kg/m3。FRP的抗拉强度为150 MPa，抗压强度为100 MPa；聚氨酯泡沫的抗压强度为200 kPa，抗拉强度为110 kPa，剪切强度为120 kPa。FRP的弹性模量Ex=2.2×104MPa、Ey=2.2×104MPa、Ez=3.0×103MPa；剪切模量Gxz=Gyz=Gxz=3×103MPa；泊松比γxy=γyz=γxz= 0.18；夹芯聚氨酯泡沫的弹性模量Ey=6 MPa、泊松比γyz=0.3。

1.3试验设备

实验仪器包括位移计、荷载传感器、应变片和计算机数据采集系统，见图1。位移计位于构件的跨中和三分点处。应变片位于构件的上、下表面跨中处。荷载传感器用于记录所施加的总荷载。

图1　实验装置

2　试验结果

2.1破坏形态

加载过程为连续加载。随着荷载的持续施加，构件的挠度随之增大，构件最大挠度为70 mm，构件最终变形见图2。试件的破坏形态为构件封边处的FRP层剥离（见图3）和加载处的局部破坏（见图4、图5），而构件的受拉面没有任何破坏。封边处的FRP剥离是由2方面原因造成的：一是封边FRP与夹芯泡沫之间的界面剪应力超过了界面强度；二是封边处的FRP截面高厚比较大，局部受压失稳。加载处的局部破坏是加载处角钢造成的压陷和同时存在的剪切作用造成的。

图2　构件变形

图3　FRP层剥离

图4　加载处局部破坏

图5　上表皮层的局部压陷和剪切错位

2.2荷载-挠度曲线

构件的荷载-挠度曲线见图6。

图6　荷载-挠度全过程曲线

从图6可知，从原点至A点（对应15 kN），荷载-挠度曲线呈线性增长。从A点开始出现非线性发展，直至峰值B点。A-B出现非线性发展的原因是：此阶段在加载处出现局部压陷，但上表皮FRP尚未剪切错位，截面高度略微减小，构件刚度下降，因此出现非线性发展。在B-C阶段，加载处局部压陷继续增加，上表皮FRP剪切错位，局部截面受压区转移至泡沫，而泡沫的抗压强度较小，构件的抗弯承载能力下降，因此荷载减小。到C点时，在加载点附近的封边FRP发生剥离，封边FRP对构件抗弯承载力的贡献丧失，荷载迅速下降至D点。由于未发生剥离处的FRP持续发挥作用，荷载略微上升至E点，此时构件挠度达到70 mm。E点时FRP上表皮层的局部压陷和FRP的剪切错位明显增加，荷载下降。随后实施卸载。卸载后，构件挠度瞬间恢复至F点的25 mm。由此可见，FRP夹芯板具有一定的变形恢复能力，约65%的变形可以恢复。由荷载-挠度曲线得到构件的位移延性系数=△Max/△Y= 70/25=3.0，构件具有较好的延性。

构件荷载峰值达到42 kN，即截面最大弯矩为10 kN·m。若按等弯矩换算成面均布荷载，则该构件可承受的面均布荷载为36kN/m2，满足普通民用建筑中楼板和墙板的承载能力要求。

2.3FRP夹芯板的变形性能分析

为分析FRP夹芯板的变形性能，作出如下假设：

（1）夹芯聚氨酯泡沫为理想刚塑性材料［5］，其本构关系见图7。

图7　理想刚塑性材料的本构关系

（2）纤维增强复合材料为理想线弹性材料［6］，其本构关系见图8。

图8　理想线弹性材料的本构关系

由试验可知，纤维增强复合材料上表皮层的最大压应变为1465 με，换算后对应的压应力为29.3 MPa；纤维增强复合材料下表皮层的最大拉应变为1661 με，换算后对应的拉应力为33.2 MPa。此时纤维增强复合材料上、下表皮层的应力分别小于其抗拉、抗压强度，材料处于弹性阶段，其变形为可恢复的弹性变形（见图8）。从图7可知，当夹芯泡沫层的应力小于其压缩强度σ0时，相应的应变为0；当泡沫的应力达到其压缩强度σ0后，泡沫将产生不可恢复的塑性变形［5］。在加载过程中，由于加载压头的作用，构件的FRP上表皮层局部压陷，并伴随FRP上表皮层的剪切错位，泡沫发生不可恢复的塑性变形。因此，在图6中卸载后的残余变形25 mm是由泡沫的塑性变形造成的。

3　结论

（1）FRP夹芯板的破坏形态为构件封边FRP的剥离和加载处上表皮FRP的局部破坏。

（2）FRP夹芯板的承载力可以满足普通民用建筑中的楼板或墙板的安全使用要求。

（3）FRP夹芯板的位移延性系数可以达到3.0，构件具有较好的延性。

（4）FRP夹芯板具有一定的变形恢复能力。

（5）FRP夹芯板的残余变形是由泡沫的塑性变形造成的。

［1］Thomas Keller，Christoph Haasand，Till Vallée.Structural Concept，Design，and Experimental Verification of a Glass Fiber-Reinforced Polymer Sandwich Roof Structure［J］.Journal of Composites for Construction，2008，12（4）：454-468.

［2］冯鹏，叶列平.GFRP空心板静载试验研究及分析［J］.工业建筑，2004，34（4）：15-18.

［3］Feng Peng，Ye LiePing，Teng J G.Large-span woven web struc-ture made of fiber reinforced polymer［J］.Journal of Composite for Construction，2007，11（2）：111-114.

［4］万水，胡红，周容星.FRP桥面板结构特点与实例［J］.南京理工大学学报，2005，29（1）：17-21.

［5］王世勋.复合材料夹芯结构的力学性能［D］.哈尔滨：哈尔滨工业大学，2010.

［6］Lam L，Teng J G.Strength of RC cantilever slabs bonded with GFRP strips［J］.Journal of Composites for Construction，2001，5（4）：221-227.

Mechanical property of a fiber-reinforced polymer sandwich plate

HU Chenghe
（Co+E Architects&Designers Co.Ltd.，Beijing 100084，China）

Mechanical property of a fiber-reinforced polymer sandwich plate is examined by four-point loading test in order to explore the application of the fiber-reinforced polymer sandwich plate in construction field.The experimental results showed that the fiber-reinforced polymer sandwich plate failed by the FRP debonding at the edge and the partial failure on the upper FRP. The fiber-reinforced polymer sandwich plate has large load carrying ability，which can meet the standard of floor slab or wallboard. The displacement ductility factor of the specimen is 3.0，and the specimen has the capacity of deformation recovery.Additionally，residual deformation is caused by the plastic deformation of inner foam.

fiber-reinforced polymer，sandwich plate，load carrying ability，ductility

TU599

A

1001-702X（2015）09-0064-03

2015-03-11

胡程鹤，女，1982年生，辽宁鞍山人，博士，主要研究方向为纤维增强复合材料装配式建筑。