带初始缺陷的拉挤型GFRP管轴压性能试验研究

郭展1，易程程，何康3，陈誉*3，沈小盛，李堂军，齐凯，杨繁繁，周欣茹

(1.兰州交通大学土木工程学院， 甘肃兰州730070;2.长江大学城市建设学院， 湖北荆州434023; 3.福州大学土木工程学院， 福建福州350116)

0 引言

GFRP是将玻璃纤维和树脂按一定比例，经拉挤工艺或缠绕工艺制成的复合材料，俗称“玻璃钢”。它具有抗拉强度高、质量轻、耐腐蚀性强、抗震性能好、便于施工等优点。其应用与研究已经成为国内外土木工程界的热点。张鑫鑫等[1]用14根GFRP管钢筋混凝土短柱和2根无套管短柱进行了轴压试验，试验结果表明GFRP管有良好的约束能力且GFRP管能使混凝土的强度和变形能力得到提高。J.M.Lees等[2]以弹性地基梁为理论依据，通过试验研究发现，内压的存在将潜在地改善胶接接头在轴向拉伸下的性能，从而找到玻璃纤维聚合物(GFRP)的粘接接头在管道系统中的应用。S.A.Hashim等[3]采用多尺度模拟技术研究纤维复合材料节点的破坏和性能，发现纤维与基体界面的最大横向强度及其缺陷在很大程度上决定了粘结复合材料的失效。钱鹏等[4]对12根GFRP长管进行轴心受压试验，研究其稳定性能，提出构件轴心受压屈曲承载力的设计计算方法。谢攀等[5]对5个足尺寸GFRP管约束混凝土短柱进行轴压试验，试验结果表明GFRP约束混凝土具有很好的延性，试验结果也为预测足尺寸GFRP约束混凝土的应力—应变形为提供了有效的依据。李文等[6]为对2根GFRP管—混凝土—钢管组合柱进行轴心受压试验,试验结果表明在实际工程应用中，过度的增加GFRP管的管壁壁厚对于GFRP管—混凝土—钢管组合柱承载力的提高不明显，会造成一定程度的浪费。Roham Rafiee 等[7]进行了模拟玻璃纤维增强塑料(GFRP)管的长期静水压试验。用所开发的建模程序预测特定GFRP管在内压作用下的长期行为，给出了实际实验数据与理论模型的比较。刘小艳等[8]分析了海洋工程中的GFRP筋在耐潮湿侵蚀,耐酸、碱、盐腐蚀，抗紫外线辐射,抗冻融破坏及耐干湿循环等环境下GFRP筋性能的退化机理,并对海洋工程中GFRP筋的研究和应用进行了展望。

GFRP广泛应用于土木工程领域，但GFRP在制作和安装过程中易导致GFRP带有初始缺陷，实际应用中不可避免会有带初始缺陷的GFRP材料的使用，缺陷对实际使用产生的缺陷效应不容忽视，因此研究局部损坏对其性能的影响是十分必要的。如张婧等[9]为了用试验和非线性有限元法对6个具有初始缺陷的含裂纹加筋板的轴压作用下的极限强度进行分析，发现初始缺陷对加筋板的极限强度有明显的削弱作用。王志滨等[10]用有限元对薄壁方钢管混凝土试件进行轴心受压力学分析，试验结果表明初始缺陷明显降低了薄壁方钢管构件的承载力，且对混凝土的约束作用减小。Carlos G 等[11]对单横梁压缩试样的准静态和疲劳损伤过程进行了试验研究，研究了后屈曲复合材料结构的耐久性和损伤容限问题。并通过虚拟裂纹闭合技术进行了试验前有限元分析，得出了疲劳试验中要考虑的缺陷尺寸范围和荷载水平。李忠学[12]采用动态比例加载的方式对结构动力屈曲和屈曲后平衡路径进行跟踪，对一跨度为8m的扁网壳模型进行了稳定性分析，试验结果表明这种缺陷分布模式对结构动力稳定性承载能力影响明显。王林等[13]利用有限元软件构造模型对耐压圆柱壳结构进行模拟，研究了初始缺陷对耐压圆柱壳极限承载力的影响，通过计算分析发现材料的改进对提高耐压圆柱壳结构的极限承载力有明显作用。张云发等[14]对同一种配合比混凝土试件中掺入4种不同含量的引气剂的混凝土来模拟混凝土的初始缺陷,研究了不同缺陷含量对混凝土的抗弯强度、变形特性和损伤特性的影响。结果表明：随着掺入引气剂含量的增加，抗弯强度降低，但峰值应变基本保持不变。Qin Xi等[15]为了解初始缺陷的分布特征，对试件进行了劈裂拉伸试验，提高了我们对混凝土界面初始缺陷的认识。

目前，国内对有初始缺陷的拉挤型GFRP管轴向力学性能的相关研究较少，因此本文对管端竖向裂缝型初始缺陷的拉挤型GFRP管的轴向性能的影响进行了试验研究，分析了荷载—位移曲线、应力—应变曲线、初始缺陷的长度和位置对拉挤型GFRP管的性能影响。

1 试验概况

1.1 试件设计

为分析管端竖向裂缝型初始缺陷对拉挤型GFRP管的轴向性能影响，以初始缺陷长度和位置为参数，共设计7个试件，3个试件管端角部有竖向裂缝且裂缝长度分别为5 mm、10 mm、15 mm；3个试件管端中间有竖向裂缝且裂缝长度分别为5 mm、10 mm、15 mm和1个没有裂缝的试件。各试件几何尺寸相同，试件壁厚为6 mm，截面尺寸为100 mm×100 mm，高度为250 mm。试件以相应参数命名，如，PC-L15,PC代表试件的管端竖向型裂缝在试件管端角部，L15代表初始缺陷竖向裂缝长15 mm。试件基本参数见表1。

图1 加载前试件整体图Fig.1 All specimens before being loaded

试件编号边长B/mm柱高H/mm壁厚T/mm初始缺陷长度L/mmP0-L010025060PC-L510025065 PC-L10100250610 PC-L15100250615PM-L510025065 PM-L10100250610 PM-L15100250615

注：PC表示管端竖向裂缝在管端角部，PM表示管端竖向裂缝在管端中间。

1.2 材料性能

拉挤型GFRP材性按GB/T 1447—2005《纤维增强塑料拉伸性能试验方法》[16]和GB/T 1448—2005《纤维增强塑料压缩性能试验方法》[17]进行测试，在拉挤型GFRP管表面取样做成标准试件，并进行拉伸试验，测得弹性模量E0，屈服强度fy以及抗拉强度fu，结果见表2。

表2 拉挤型GFRP材性试验结果Tab.2 Results of material properties of pultrusion GFRP

本试验采用1 000 kN电液伺服万能试验机进行加载，加载制度依据GB/T 228—2002 《金属材料室内拉伸试验方法》[18]的相关规定进行,采用分级静力加载。正式加载前，对试件进行预加载，以测试应变片等仪器是否能正常工作。加载过程采取力控制，加载速度控制为0.5 kN/s。在弹性范围内，加载梯度为10 kN，当轴向荷载加载至每级所加荷载限定值后，维持荷载1～2 min，用DH3816应变采集系统进行数据采集。当荷载达到预估极限荷载的80 %左右时，缓慢连续加载，直到试件破坏。加载装置如图2所示。

(a) 液压伺服万能试验机

(b) 加载装置示意图

图2 试验加载装置
Fig.2 Test Setup

每个试件选取3个测点进行应变采集，每个测点各粘贴两个应变片，用来测定该测点的横向应变和纵向应变。粘贴应变片前，先对试件表面进行砂纸打磨处理。试件应变片分布示意图如图3所示。

(a) 应变片布置正视图

(b) 应变片布置俯视图

图3 试件应变片分布示意图
Fig.3 Distribution of strain gauges

2 试验结果与分析

2.1 破坏模式

试件的破坏模式如图4所示，管端竖向裂缝型初始缺陷对拉挤型GFRP管的破坏模式无明显影响，7个试件试验现象较为相似。以试件PM-L10为例，其试验现象为：试验初始，对试件进行预加载，先将试件进行几何对中，使液压伺服万能试验机上下承压板与试件紧密接触，待荷载稳定后进行正式加载。加载初期，当荷载达到30.1、60.2、90.3以及120.4 kN时，试件表面无明显变形，轴向位移和应变持续增长，液压伺服万能试验机显示荷载增长稳定，试件处于弹性阶段。加载至200.4 kN时，试件出现纤维断裂的响声，角部表面出现竖向裂痕，裂痕沿纵向纤维迅速延伸。在拉挤成型工艺的生产过程中，各单层纤维沿纵向排列，存在些许细缝或者纤维分布不均，而试件的强度主要由试件内部纵向纤维决定，受压后，内部纤维断裂，试件表面产生裂痕。当加载至240.4 kN时，试件发出较大响声，并且表面有纤维脱落，裂纹沿试件顶部往下延伸，形成多条管端竖向裂缝，各个应变测点读数有较大变化。说明随着荷载的增加，主裂纹不断延伸，纤维断裂加速，导致试件结构松散，试件性能急剧下降。但由于外层纤维布的作用，试件还没有完全破坏。继续加载至250.3 kN时，表面纤维布断裂，对试件没有约束作用，试件轴压承载力丧失，无法再提升，试件完全破坏，而试件的初始裂缝处并未发生撕裂。此时裂缝处存在残余应力，所受荷载并未全部作用于内部纤维，最终并未引起初始缺陷处纤维断裂。试件破坏模式表现为脆性破坏。

(a) P0-L0

(b) PM-L5

(c) PC-L5

(d) 破坏后整体试件图

2.2 试验分析

2.2.1 极限承载力分析

表3记录了试件的试验结果，图5为试件的极限承载力曲线(PC表示管端竖向裂缝在管端角部，PM表示管端竖向裂缝在管端中间)，管端竖向裂缝型初始缺陷对拉挤型GFRP管的极限承载力影响较小，呈整体下降的趋势。具体表现如下：

①初始缺陷裂缝位置对极限承载力的影响。

初始缺陷位置对试件的极限承载力的影响较小，呈整体下降的趋势。管端竖向裂缝位置在试件管端中间时试件的极限承载力下降速度比裂缝在试件管端角部时试件的极限承载力下降速度大。裂缝在角部的试件极限承载力最大下降为22 %，而裂缝在端部中间的试件极限承载力最大下降为28 %。当试件裂缝长度为5 mm时，裂缝在管端角部对试件极限承载力的影响比裂缝在管端中间的影响大。当试件初始裂缝长度为15 mm时，裂缝在管端角部的试件的极限承载力降低为16 %，而裂缝在管端中间时，试件的极限承载力下降为28 %。说明与初始缺陷在试件管端角部相比，初始缺陷在试件管端中间对试件结构强度的削弱作用较大。

②初始缺陷裂缝长度对极限承载力的影响。

管端竖向裂缝长度对试件的极限承载力影响较小，试件极限承载力随着裂缝长度的增大而呈整体下降趋势。当初始缺陷在试件管端角部，随着裂缝长度的增加，试件的极限承载力与极限应变值逐渐增加，而当初始缺陷在试件管端中间时，随着裂缝长度的增加，试件的极限承载力与极限应变值先增大后减小。

通过上述初始缺陷位置和长度对试件极限承载力的影响程度比较，可知有初始缺陷的试件极限承载力和极限应变值均小于没有初始缺陷的试件。初始缺陷长度相同时，裂缝在管端中间对极限承载力的影响更大。初始缺陷位置相同时，初始缺陷长度为15mm时对极限承载力的影响更大。总体而言，在荷载作用下，试件截面面积损失非常小，所以初始缺陷对试件极限承载力影响小。

表3 试验结果Tab.3 Text results

注：P0代表有初始缺陷的试件的极限承载力；P代表没有初始缺陷的试件的极限承载力；σ0代表有初始缺陷的试件的极限应力值；σ代表没有初始缺陷的试件的极限应力值。

(a) 初始缺陷位置不同

(b) 初始缺陷裂缝长度相同

图5 初始缺陷与极限承载力关系曲线
Fig.5 Effect of initial imperfection on ultimate capacity

2.2.2 荷载—位移曲线

图6为试件的荷载—位移曲线，由于试件存在初始缺陷，在荷载作用初期，轴向位移不断增加，图中位移曲线在试件达到极限承载力之前均基本保持线性，且对试件初始刚度有明显影响。而有初始缺陷的试件初始刚度均大于无初始缺陷的试件，由图6(a)可看出竖向裂缝在角部的试件初始刚度随裂缝长度的增加先减小后增大，而图6(b)中竖向裂缝在管端中间的试件初始刚度随裂缝长度的增加而减小；图6(c)和图6(d)中可看出当裂缝长度为5 mm和10 mm时，裂缝在角部的初始刚度与在中间的初始刚度基本相同。当裂缝长度为15 mm时，裂缝在角部的初始刚度比在中间的初始刚度大。此现象说明随着裂缝长度增加，试件的角部和中部的结构受到裂缝的影响增加。当试件屈曲时，曲线出现一个明显的拐点，此后轴向位移增长缓慢，轴向荷载迅速降低，直至试件破坏。

荷载作用初期，初始缺陷对试件的初始刚度有影响且对初始轴向位移有明显影响，而后期力学性能变化缓慢，说明初始缺陷对试件的力学性能的影响主要作用在前期。

(a) 初始缺陷在试件管端角部

(b) 初始缺陷在试件管端中间

(c) 初始缺陷裂缝长度为5 mm

(d) 初始缺陷裂缝长度为10 mm

(e) 初始缺陷裂缝长度为15 mm

2.2.3 应力—应变曲线

为了更好的研究初始缺陷对拉挤型GFRP管的轴向性能影响，图7给出了试件的应力—应变曲线，其中以受拉为正，受压为负。

由图7可知：荷载作用初期，应力与应变呈线性关系，试件处于弹性阶段。随着应力增大，试件的横向应变和纵向应变均增大，此时荷载与应变呈非线性关系。根据图7(a)、图7(c)和图7(b)、图7(d)比较可知：试件的纵向应变增长速率始终大于横向应变增长速率，说明试件的破坏主要是由试件轴向受压引起的。

根据图7(b)和图7(d)可知:初始缺陷在管端中间时试件的#1、#2、#3和#4测点比初始缺陷在管端角部更早出现拐点，说明初始缺陷在管端中间的试件比初始缺陷在管端角部的试件更容易出现应力集中。由图7(e)和图7(f)可知：初始缺陷长度为15 mm时，测点处更早出现拐点，且横向应变速率及纵向应变速率均最大，故随着初始缺陷裂缝长度增加，试件越容易出现应力集中。通过没有初始缺陷的试件与其他试件进行比较，得知在未达到拐点之前，有初始缺陷的试件应变速率均大于没有初始缺陷的试件的应变速率。故有初始缺陷的试件更容易产生应力集中。

(a) 试件同一测点#1

(b) 试件同一测点#2

(c) 试件同一测点#5

(d) 试件同一测点#6

(e) 缺陷处纵向应力应变

(f) 缺陷处横向应力应变

图7 应力—应变曲线
Fig.7 Curves of stress versus strain

3 结论

①管端竖向裂缝型初始缺陷对拉挤型GFRP管的破坏现象和破坏模式无明显影响，具体表现在破坏模式均为脆性破坏且角部撕裂，而初始缺陷处无明显破坏。

②初始缺陷对拉挤型GFRP管的极限承载力影响较小。但初始缺陷长度相同时，裂缝在管中间对试件的极限承载力的影响更大。初始缺陷位置相同时，初始缺陷长度为15 mm时对极限承载力的影响大。

③初始缺陷对拉挤型GFRP管性能的影响主要表现在前期且对试件初始刚度影响较小。

④初始缺陷的位置和长度对拉挤型GFRP管的应变有影响。初始缺陷在试件管端中间的横向应变和纵向应变大于初始缺陷在试件角部的横向应变和纵向应变。随着初始缺陷的长度增加，试件的横向应变和纵向应变减小。

⑤初始缺陷使试件更容易产生应力集中，且初始缺陷的位置和长度均对试件产生应力集中有影响。具体表现为初始缺陷在试件管端中间且随着初始缺陷裂缝长度增加，试件越容易产生应力集中。