木芯复材拉挤成型柱轴压性能及其工程应用

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(南京工业大学 土木工程学院，江苏 南京 211816)

木芯复材拉挤成型柱轴压性能及其工程应用

张冰，齐玉军，熊伟

(南京工业大学土木工程学院，江苏南京211816)

基于拉挤成型工艺与FRP夹芯构件设计理念，提出一种新型木芯复材拉挤成型柱(Pultruded FRP-wood Column, PFWC)，其截面形式为外围的玻璃纤维(GFRP)和内部的南方松木芯(Wood-core)。PFWC生产工艺具备连续化、工业化、可控化及质量稳定等优点，且已成功运用于南京玉竹楼。PFWC的轴压试验研究表明：中柱和长柱的破坏模式分别为面板压溃破坏且纵向纤维撕裂及两侧面板局部屈曲，临界屈曲承载力随着构件长细比的增加逐渐减小。当PFWC长细比小于60时，欧拉临界屈曲承载力计算值大于试验值，但当长细比大于60时，欧拉临界屈曲承载力与试验值吻合较好。且随着长细比的增大，理论值与试验值之间的误差减小。

木芯； 玉竹楼； 轴压试验； 破坏模式； 临界屈曲承载力

1 前 言

拉挤成型工艺是目前复合材料(Fiber Reinforced Polymer/Plastic，FRP)制品最主要的成型工艺之一，具备工业化、连续化、及参数可控等特点。拉挤制品具有表观质量优异、截面形式多样化及质量稳定等优点[1]。但以单一FRP作为原生产材料，主要缺点在于：较为单一的弹脆性力学性能、各向异性及纵向纤维起主要受力作用，拉压性能差异大，导致其易发生劈裂破坏及局部失稳，FRP强度不能得到充分发挥；该种复合材料成本昂贵，并不适用于大中型工程。

针对上述问题，一种FRP夹芯构件被提出。此构件包括作为有效支撑的内部芯材(蜂窝、泡沫及轻木)和作为主要受力骨架的外壳FRP，具有轻质高强、比刚度大、耐候性良好及隔热保温等显著优点[2-4]，目前已广泛应用于航天航空、船舶、交通及能源等领域。近几年，其在土木工程中的应用亦逐渐增多，且涉及到梁[5]、板[6-8]及柱[9]等工程常用的结构，比如：试验和理论研究均表明以花旗松胶合木作为芯材和玻纤作为上下面层的夹芯桥面板可满足桥梁结构对桥面板抗弯性能的要求[6]；FRP管材作为外壳可使内部聚氨酯硬质泡沫轴压承载力提高30%左右[10]。但目前FRP夹芯构件在土木工程中的应用大多以手工生产为主，效益较低、加工精度差及质量离散度大等缺点使其在工程中的应用受到一定程度的限制[1]。

将FRP夹芯工艺与拉挤成型工艺相结合产生一种FRP拉挤夹芯型材工艺(Pultruded FRP Composites Sandwich Profile, PFCSP)可弥补传统以单一FRP作为拉挤材料和普通FRP夹芯构件的缺点，并兼备二者的优点。(Pultruded FRP-wood Column, PFWC)作为拉挤夹芯型材工艺的一种，其生产流程为：准备好干燥的木芯，通过动力系统牵引，在起始端连续不断地填充纤维和南方松芯材，依次经过导向模具、树脂槽和加热模具，并在模具中固化成型后，通过动力装置牵引出模，最后切割成所需长度(如图1(a)～图1(f))。

图1 PFWC生产流程
(a) 芯材准备； (b) 纤维准备；

(c) 纤维浸泡树脂； (d) 纤维/芯材入模； (e) 组合柱脱模；(f) 批量生产
Fig.1 Production Processes of PFWC

本文先对国内的PFWC具体工程应用案例进行介绍，再对不同长细比的PFWC在轴压作用下的力学性能展开了试验研究，获得其失效过程和破坏模式，得到了长细比对承载力的影响特性；最后，提出PFWC构件临界屈曲承载力计算模型，为PFWC构件的工程应用进一步提供了指导依据。

2 工程概况-玉竹楼

位于南京佛手湖畔17号块地的国内首个玻璃钢建筑玉竹楼是由新型复材夹芯构件作为主要受力构件建造的FRP建筑。该建筑共3栋3层，局部2层，底层架空，层高3米，跨度4.1米，其建筑功能为度假别墅及多功能会所。该工程案例如图2所示。

图2 玉竹楼工程案例(a) 玉竹楼效果图； (b) 玉竹楼施工图； (c) PFWC截面形式Fig.2 Yuzhu building projects

玉竹楼结构体系概况：楼与楼之间错层布置，前一栋的二楼通过“天桥”通往下一栋的屋面，且楼与楼之间设有平台。主要承重构件为拉挤成型玻璃钢方柱和拉挤成型复合材料楼板。抗侧力体系为：长方向上斜拉索，短方向剪力墙。竖向承重体系为：复合楼板通过角钢钢梁将竖向荷载传递到玻璃钢复合立柱，最后传到基础。其中楼板与楼板之间的搭接区域采用结构胶连接，楼板与钢梁之间及玻璃钢立柱与角钢钢梁之间均通过螺栓连接，玻璃钢立柱与底部条形基础之间通过H型钢和螺栓连接，从而形成整个结构体系。

结构中所有子柱均为FRP 拉挤夹芯柱，其中GFRP弹性模量为19GPa，南方松芯材弹性模量为8GPa，木材顺纹方向与立柱长度方向一致，树脂为邻苯型不饱和聚酯树脂。

3 试验方案

3.1 构件参数

本文所用拉挤成型木芯组合柱的截面形式如图2(c)所示，其中GFRP位于柱外侧形成连续外壳，南方松作为芯材。FRP面层材性[11]及木芯材性[12-13]试验参数分别见表1和表2。试验构件参数详见表3。表中a、b分别为试件横截面长度与宽度，h为试件高度。

表1 面层压缩试验结果

表2 木材顺纹基本力学性能试验结果

表3 试件参数

3.2 试验方案与测量装置

轴压试验装置如图3所示，试验加载采用2000kN液压千斤顶，支撑系统由两块固定在地面上的反力架提供。试验时，加载构件被放置在反力架之间，柱的两端与刀铰相连，且其中一端与力传感器连接，以便试验中采集荷载。

图3 PFWC加载装置Fig.3 Instrumentations and set-up of PFWC

测点及测量仪器布置如图4所示。加载前，先进行几何对中，再以0.1Nu(Nu为预计极限承载力)反复加载3次，检查应变片及位移计工作状况并且调整试件进行物理对中。试验采用分级加载，每级荷载为预估极限荷载的1/20，当荷载每达到一个级别后持续约1分钟以便试件充分变形和数据采集，试验荷载由力传感器测量，位移和应变均采用应变箱自动采集。当试件的最大荷载至少下降20%时，试验停止。

图4 试验装置及测点布置(a) 位移计布置； (b) 应变片布置Fig.4 Test setup and measurement

4.1 失效过程与破坏模式

对于H=1200mm的组合柱，在达到峰值荷载之前，柱身无明显可见的外观变化，当荷载达到峰值荷载即P=730kN时，柱身开始发生显著的弯曲，随后，柱身横向位移逐渐增大，发出巨大的纤维撕裂声，在腹板与面板交接处发生纵向劈裂破坏，面板外鼓，发生局部屈曲，腹板在其裂缝两侧明显褶皱，并且在腹板中部出现两条大约40cm长的平行裂纹(图5(b))，从图5(d)中，可明显发现，面层与芯材发生了显著滑移。第二根试件的破坏模式与第一根类似，其极限承载力为720kN。

图5 PC-1200破坏模式(a) PC-1200-1； (b) PC-1200-1； (c) PC-1200-2； (d) PC-1200-2Fig.5 Failure modes of PC-1200

图6所示为H=2000mm组合柱的破坏过程及破坏模式，当荷载P=310kN时，柱身开始发生明显的弯曲(图6(a))，随后，跨中挠度随荷载迅速增大，当荷载增加至398kN时，柱身发出巨大的爆裂声，沿腹板中间位置纤维撕裂，出现一条较宽的水平裂缝，内部芯材清晰可见，并且在腹板与面板交界处发生纵向劈裂破坏，随后荷载突然下降，卸载后，柱身几乎恢复成直线状。第二根试验柱的破坏过程与之类似，其极限承载力为378kN。

图6 PC-2000破坏模式(a)PC-2000-1；(b)PC-2000-1；(c)PC-2000-2；(d)PC-2000-2Fig.6 Failure modes of PC-2000

图7所示为H=2800mm柱的破坏过程及破坏模式，开始加载一段时间，柱身无明显肉眼可见变化；当荷载达到136kN时，柱身开始逐渐弯曲，随着荷载的不断增加，跨中挠度越来越大；当达到峰值荷载时，开始发出连续的撕裂声，面板局部范围不断皱起且开始泛白，腹板开始出现横向裂缝(图7(b))，在其上下边缘分别出现两条平行裂缝，并且沿纵向不断延伸；随后，荷载开始下降，最终因挠度过大而停止试验，卸载后，柱身基本恢复直线状。第二根柱破坏过程与之类似，其极限承载力为170kN。

图7 PC-2800破坏模式(a) PC-2800-1； (b) PC-2800-2Fig.7 Failure modes of PC-2800

4.2 荷载-位移曲线

所有复合材料组合柱的荷载-轴向位移曲线如图8所示。从图中可看出，荷载-位移曲线有两种类型，一种类型类似于理想弹性破坏材料(PC-1200)：曲线在达到最大荷载之前是线性的，峰值荷载之后，曲线突然下降，表现出明显的脆性；另一种类型是弹塑性材料(PC-2000，PC-2800)，曲线在破坏之前曲线由线性段和水平段组成。

图8 荷载位移曲线Fig.8 Load-Displacement curves

3种不同长细比的复合材料组合柱试验结果如表4所示，对于长细比为100.7的PC-2800而言，其破坏模式与其他组合柱有显著不同，主要表现为GFRP面板的压溃破坏，其余破坏模式如表中所示。临界荷载Pcr的定义如下：荷载-位移曲线直线段和水平段的交点所对应的荷载值。随着长细比的不断增大，临界荷载逐渐降低。

表4 不同长细比试件的试验结果

表4中，(1)代表受压GFRP面板压溃破坏，沿拉挤方向出现纵向裂缝；(2)代表两侧GFRP面板局部屈曲，纤维沿腹板与面板交界处撕裂。

4.3 荷载-应变曲线

复合材料组合柱跨中截面GFRP面板的纵向应变与荷载曲线如图9所示，对于构件PC-1200，位于C面的GFRP面板应变接近线性增加，当压缩应变达到-0.003时开始下降，而位于A面的GFRP面板应变持续增加，这表明构件开始发生横向变形(如图5)。对于构件PC-2000和PC-2800亦发生类似的现象，并且它们的横向变形明显大于PC-1200，所以位于A面的GFRP面板的应变远大于零。

5 临界承载力计算

对于拉挤成型复合材料组合柱的临界承载力，可采用欧拉公式[11]对其进行理论预测，可按下式计算：

(1)

式中，(EI)eq为等效抗弯刚度，根据复合材料夹层结构理论，等效抗弯刚度(EI)eq可表示为：

图9 荷载-应变曲线(a) PC-1200； (b) PC-2000； (c) PC-2800Fig.9 Load-compressive strain curve

(2)

式中，Ef和Ec分别为面板和芯材的弹性模量，b为该组合柱的宽度，t为面板厚度，c为芯材厚度，h为组合柱的高度。

计算结果如图10所示，当长细比大于50.68时，对应的界限承载力为787.11kN，此时欧拉公式才具有适用性，即构件发生屈曲破坏；当长细比小于50.68时，构件发生强度破坏。对于长细比小于60的复合材料组合柱，预测值与试验值误差较大。欧拉理论计算值大于试验值，并且随着长细比的不断增大，预测值越来越接近试验值。因此，如果长细比足够大，欧拉屈曲荷载即为组合柱的临界荷载，所以对工程中经常使用的中长PFWC，可采用欧拉模型计算其临界屈曲承载力。

图10 组合柱承载力理论值与试验值的比较Fig.10 Theory and experiment results of columns

欧拉公式预测存在误差，主要原因在于：①未考虑整体屈曲与局部屈曲的相互作用关系：Zahn[12]提出拉挤成型复合材料柱需考虑局部屈曲与欧拉屈曲的相互作用关系，且引用控制参数c来表征局部屈曲与整体屈曲的相互作用程度，Barbero和Tomblin基于此相继提出了关于复合材料拉挤成型柱的设计方程[13]，且此种方法应用较为广泛。②欧拉公式未涉及材料质量系数：Puente[14]提出材料质量系数m来修正复合材料拉挤成型柱的设计方程，为不同拉挤材料及不同成型方法构件的设计方程提供了指导依据。总之，PFWC构件轴压作用下的设计模型还需进一步完善。

6 结 论

本文先介绍了PFWC的成型工艺，并结合国内首个玻璃钢建筑案例玉竹楼论述了木芯复合材料拉挤成型柱在工程中的施工方法与设计原则；基于不同长细比PFWC在轴压作用下的试验研究，观察其力学行为、失效过程及破坏模式，并对试验结果进行了探讨和分析；最后，分析了传统欧拉理论对于求解PFWC轴压承载力的适用性。得出以下结论：

1.拉挤成型工艺具有工业化、连续化、参数可控等特点，可改善传统拉挤型材性能单一及普通夹芯结构生产效益差等缺陷，且其板柱结构可构成新型结构中的主要承重体系。

2.PFWC中柱破坏模式为受压面板压溃破坏，沿拉挤方向出现纵向裂缝。长柱为两侧GFRP面板局部屈曲，纤维沿腹板与面板交界处撕裂。随着长细比的增加，构件临界屈曲承载力逐渐减小。

3.当长细比小于60时，传统欧拉屈曲理论计算结果与试验值偏差较大。但当长细比大于60时，欧拉临界屈曲承载力与试验值之间的误差较小。长细比越大，预测值越接近试验值。

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AxialCompressionPropertyandEngineeringApplicationsofPultrudedFRP-woodColumns

ZHANGBing,QIYujun,XIONGWei

(CollegeofCivilEngineering,NanjingTechUniversity,Nanjing2118163,China)

A novel composites columns named Pultruded FRP-Wood Column (PFWC) was proposed based on pultrusion process and FRP composites sandwich, the sectional forms of PFWC were GFRP in outer and southern pine wood core as the core. Production of PFWC has many advantages, such as continuous production, stable quality and controllable. PFWC were applied to structural members of Yuzhu building which located in Nanjing firstly. In order to study the failure processes and modes of PFWC under axial compression, experimental study was conducted on PFWC, the slenderness ratios of which were 43.2, 71.9 and 100.7respectively. Results show that failure of medium-length column and long column were panel’s crush and local buckling of both sides of the panel. Furthermore, critical buckling bearing capacity decreases when slenderness ratio increases. Critical buckling bearing capacity calculated by Euler theory is greater than the test value when slenderness ratio is less than 60, while carrying capacity obtained by both theory and experiment are in good agreement when slenderness ratio is greater than 60. Furthermore, both theoretical and experimental results agree better as the slenderness ratio increases higher.

wood-core; Yuzhu building; failure modes; critical buckling bearing capacity

2016-07-08；

2016-09-21

国家自然科学基金资助项目(51308287)

张冰(1985-)，男，博士，助理教授，主要从事新型材料及新型结构研究。E-mail：Zhangb@njtech.edu.cn。

齐玉军(1982-)，男，博士，讲师，主要研究方向为新型材料及新型结构研究。E-mail：qiyujun11@163.com。

1673-2812(2017)06-0982-06

TB332

A

10.14136/j.cnki.issn1673-2812.2017.06.023