GFRP约束微珠泡沫柱准静态受压性能

李 帅，姚盛杰，何文涛，王 俊

(南京工业大学 土木工程学院，江苏 南京 211816)

1 前 言

纤维增强复合材料(FRP)具有轻质、高强、抗疲劳和耐腐蚀等特点，已广泛应用于新建工程结构和已有结构的修复与加固领域。为了充分发挥材料特性，可将FRP与混凝土、钢材、泡沫等材料进行组合，形成FRP-钢，FRP-混凝土，FRP-泡沫(或轻木)等组合柱结构[1-4]，这些组合结构不仅具有较好的耐久性，还可以通过FRP对芯材的约束作用来提高构件的承载力和延性，具有很好的应用前景。

本课题组前期对比了玻璃纤维复合材料(GFRP)约束混凝土柱和GFRP空管柱的抗冲击性能[5-6]，结果表明在GFRP管相同的情况，GFRP填充混凝土柱的冲击力峰值比GFRP空管柱大得多，而冲击吸能效果基本相同。在实际抗撞防护结构设计中，既要保护被撞结构，又要减小对车船等撞击物的冲击力，因此需要开发一种既能满足冲击承载力要求，又有较高吸能作用的新型防撞组合柱。

微珠泡沫具备轻质高强的特点，同时还拥有较长的压缩行程，是一种较好的缓冲吸能材料。Wouterson等[7]对不同微珠体积含量的复合泡沫材料进行拉压弯试验研究，发现随着微珠体积含量的增大，复合泡沫的拉伸弯曲模量以及抗压强度均随之增大，而断裂韧度呈现先增大后减小的现象，在体积含量为30%时最佳。Ferreira等[8]研究了微珠含量对环氧树脂基复合材料力学性能的影响，结果表明复合材料的压缩刚度和抗冲击吸能效果均随微珠含量的增加而增加。余为等[9]采用有限元仿真研究玻璃微珠壁厚比和体积含量对复合泡沫弹性模量以及内部应力分布的影响，结果表明：复合泡沫的弹性模量随着微珠壁厚比的增加而增加，微珠体积含量越高，弹性模量增加越明显。卢子兴等[10]在聚氨酯复合泡沫准静态轴压试验中得到相反的结论，即随着微珠体积含量的增加，材料的弹性模量、屈服强度等力学性能参数均随之减小；原因在于微珠的加入对材料本身带来了接触界面上的缺陷，微珠与基体粘结不完全。

上述研究表明，将FRP与微珠泡沫以合适的方式组合，可充分发挥两种材料的优良性能，形成轻质、承载、吸能一体化结构。本课题以微珠泡沫为芯材，开展微珠泡沫复合材料组合柱准静态轴压试验，探讨GFRP层数、横向纤维与纵向纤维比例、泡沫密度等参数对组合柱极限承载力和吸能效应的影响，并与静态轴压试验[11]进行对比，分析加载速率对其性能的影响。此外，还建立三维仿真模型，对试验构件进行数值分析，为该类型组合柱的工程应用提供设计参考。

2 试验内容

2.1 试件设计

本试验设计了7根构件，其中有两根组合柱不包裹GFRP，其余构件均包裹2层、4层、6层不同层数的GFRP。主要变化参数包括微珠泡沫密度、GFRP层数、横向纤维与纵向纤维比例等。所采用的微珠泡沫密度为450和480 g/cm3，构件外部包裹的GFRP横向纤维与纵向纤维比例设计为1∶1和1∶4两种。试件高度均为230 mm，芯材直径为75 mm。试件具体参数见表1，组合柱的截面如图1所示。

表1 试件编号及设计参数Table 1 Parameters of specimens

图1 GFRP约束微珠泡沫柱截面图Fig.1 Cross section of GFRP confined syntactic foam columns

2.2 试件材料与制备

试件采用美国Engineered Syntactic Systems公司生产的空心玻璃微珠复合材料泡沫作为芯材，微珠泡沫有Macrofoam-28(450 kg/m3)和Macrofoam-30(480 kg/m3)两种不同密度型号。所采用的GFRP包裹层均由玻璃纤维布与RF-1001TLSE规格型号的乙烯基树脂固化形成，其中玻纤布为单位面积质量600 g/m2的E-glass双向编织布。微珠泡沫以及GFRP的材性试验数据参考文献[11]。

本试件的制作工艺可分为钻芯取样、包裹GFRP纤维布、切割构件等几步。首先用钻孔取芯机在已有的微珠泡沫板中钻取直径为75 mm、长度大于230 mm的微珠泡沫柱芯材；将泡沫柱的表面打磨光滑后，用调配好的乙烯基树脂均匀涂抹于柱的外壁，再将裁剪好的纤维布按照设计铺层包裹于外侧；待乙烯基树脂与纤维布固化成型后，用切割机将构件切割成230 mm高的组合柱并将其表面打磨光洁。

2.3 试验方法

Othman等[12]对准静态试验进行了规范，定义准静态试验的恒载速率为1.5～20 mm/min，静态试验的加载速度小于1.5 mm/min。因此本文准静态轴压试验恒载速率选用10 mm/min，作为对比的静态轴压试验的加载速度为0.36 mm/min[11]。本试验参照ASTM: D6264-12进行。用万能试验机对试件进行匀速加载，纵向布置4个位移计测量试件的纵向变形，位移计布置以及实际加载装置如图2所示。

图2 加载装置布置图Fig.2 Arrangement of loading device

无包裹层的微珠泡沫柱F0-I在准静态压缩下的破坏特征如图3(a)所示。加载初期组合柱没有明显变化，当加载达到约60%的极限荷载时，微珠泡沫表面开始出现横向的微小裂缝，随着荷载的继续增加，横向裂缝逐渐沿环向扩展，同时表面开始出现竖向裂缝，竖向裂缝的数量以及宽度均随荷载的增加而扩大。当荷载达到峰值时，横向裂缝沿环向贯穿，表面泡沫块竖向剥落，构件很快失去承载力。而静态试验表明，微珠泡沫柱整体呈现45°剪切破坏[11]，如图3(b)所示。由此可知随着加载速率的增大，微珠泡沫柱的破坏形态从剪切破坏转变为劈裂破坏。

图3 无GFRP包裹微珠泡沫柱在压缩荷载下的破坏形态(F0-I) (a) 准静态；(b) 静态[11]Fig.3 Failure modes of syntactic columns without GFRP jackets(a) quasi-static and (b) static

各试样压缩试验破坏形态如图4所示。

图4 GFRP约束微珠泡沫柱经受压缩荷载下的破坏形态 (a) 准静态；(b) 静态[11]Fig.4 Failure modes of macrofoam columns confined with GFRP under (a) quasi-static and (b) stati

4 微珠泡沫柱受压性能影响因素分析

为了方便比较试件的承载力和吸能效果，定义以下参量：

轴向刚度：

(1)

式中：Pmax和Δμ分别指试样极限承载力及其对应的位移。

总吸能：

(2)

总吸能是指在线弹性变形阶段和平缓塑性变形阶段的能量损失，式中P指压缩力，Δst指线弹性变形阶段和平缓塑性变形阶段的总位移。

比吸能：

(3)

比吸能是指单位质量下构件所吸收的能量，其中m为构件质量。

行程利用率：

(4)

Ste被用来估测柱子的纵向变形，H为柱高。

对准静态轴压试验得到的一系列数据进行整理，将构件在准静态下的极限承载力Pmax、轴向刚度Ke、比吸能Se、行程利用率Ste等参数汇总在表2中，并与文献[11]静压试验结果进行对比分析。

表2 准静态与静态压缩作用下试验结果对比Table 2 Comparison of experimental results of quasi-static and static compression

4.1 GFRP层数

通过分析构件F6-II、F4-II、F2-II、F0-II的试验结果，可以看出当GFRP包裹层数从0分别变为2、4、6层时，其准静态压缩作用下的极限承载力分别上升了约47%、63%、92%；轴向刚度分别提高了53%、63%、79%。当GFRP包裹层数从2分别变为4、6层时，总吸能分别上升了约12%、30%，比吸能分别提高了7%、19%，行程利用率变化不明显。由于无GFRP包裹的微珠泡沫柱缺少平缓塑性变形阶段过程，因而也就不具备线弹性变形阶段到平缓塑性变形阶段的吸能。而对于GFRP包裹的微珠泡沫柱，随着GFRP层数的增加，组合柱的吸能效应有所提高。

4.2 纤维横向与纵向比例

将F4-II和F4S-II构件对比表明：当纤维横向与纵向比例从1∶1变化为1∶4时，准静态压缩作用下的极限承载力提高了31%，轴向刚度提高了23%，而总吸能、比吸能和行程利用率变化不大。

4.3 微珠泡沫密度

由表2可知，将F4S-II与F4S-I构件相对比，当泡沫密度从450变为480 kg/m3时，其准静态压缩作用下的极限承载力提高了44%，轴向刚度提高了53%，比吸能提高了22%，总吸能提高了32%，说明泡沫密度的提高能显著增强组合柱的承载力和吸能特性。但行程利用率却降低了18%，这是因为密度大的泡沫中微珠的间距较小，所以荷载相同时泡沫变形较小。

4.4 加载速率

通过对比表2中准静态与静态压缩作用下的试验结果可以看出，当加载速度从静态的0.36 mm/min增加到准静态的10 mm/min时，组合柱的极限承载力、轴向刚度、总吸能和比吸能都有明显提高。随着加载速率的提高，泡沫芯材破坏时产生更多的裂纹扩展路径(环向和纵向)，且GFRP外壳损伤区域从中部扩展到加强端，因此组合柱在更高的加载速率作用下会消耗更多的能量，这也是组合柱极限承载力提高的主要原因。

准静态压缩作用下破坏面处的微珠都被压成粉末，而静态作用下组合柱压溃过程有一定数量的碎片产生，这使得材料的利用并不充分，影响了总的吸能效果，再次证明了加载速率更高的准静态压缩作用有利于增强构件的吸能效果。同时，准静态压缩作用下泡沫组合柱的行程利用率要低于静压作用下的构件，这是因为随着加载速率的提高，相同时间内准静态压缩构件发生的位移要大于静压下的构件，从而使构件较早地进入压缩密实阶段，因而纵向形变较小，行程利用率降低。

5 有限元分析

利用ANASYS14.5有限元软件对GFRP约束微珠泡沫组合柱的准静态轴压试验进行模拟，并与试验结果对比，以验证模型的准确性，再通过模拟长细比参数分析其对组合柱力学性能的影响。

5.1 有限元建模

5.1.1几何模型 压缩构件为GFRP-微珠泡沫组合柱，故有限元模型共设置GFRP包裹层、微珠泡沫柱、压缩钢板三个部分。其中，压缩钢板选用的是Rigid，尺寸为100 mm×100 mm×30 mm，GFRP包裹层有2层、3层、4层、5层、6层，厚度分别为1.2、1.8、2.4、3.0和3.6mm。

5.1.2材料属性 GFRP包裹层采用线弹性材料模型，单元类型为Shell163；微珠泡沫采用非线性可压缩泡沫模型，单元类型为Solid164；压缩钢板采用刚体模型，单元类型为Solid164。各材料参数见表3。

表3 材料参数Table 3 Material Parameters

5.1.3网格划分、定义接触面、边界条件及加载方式 组合柱及压缩板网格的划分均按照份数进行划分，网格选取六面体单元，柱沿着高度方向划分46份，沿着环向划分47份，压缩板沿长宽方向均划分20份，沿高度方向划分6份。GFRP与微珠泡沫柱之间、压缩钢板与组合柱顶面之间的接触均采用面面接触，其中压缩板为从面，组合柱的顶面为主面，动静摩擦因数均设置为0.1。柱子的底端设置为固定，对组合柱底部的全部节点方向进行约束，限制所有的自由度以及转角。采用位移加载的加载方式，在PARAMETERS中对加载板定义时间和位移曲线。

5.2 模拟结果分析

以F2-II构件为例，模拟准静态轴压试验，模拟破坏结果如图5所示，图6为有限元与试验对比的荷载位移曲线。表4为试验构件的承载力和吸能测试值与有限元仿真的对比。

图5 有限元模拟压缩构件的网络划分Fig.5 Destroy of FEM of speciment with different slenderness ratios

图6 静态压缩下的力-位移曲线对比Fig.6 Static comparison of compression force-displacement curves

表4 试件准静态下的试验值与有限元值的对比分析Table 4 Comparison of the results between quasi-static test and FEM

从以上图表对比分析，有限元模拟下纤维包裹层从开始的环向凸出到破坏都与实际试验的破坏状态吻合，并且随着荷载增加从中部的破坏处向端部延伸，准静态压缩下的破坏集中在加强端附近。此外，有限元模拟的荷载位移曲线以及对极限承载力、总吸能等参数的模拟值与试验结果基本吻合。可见，所建有限元可有效模拟构件的承载力和破坏形态，所以可以用该有限元模型对未考虑的参数进行模拟，对组合柱进行全因素分析。

5.3 参数化分析

以F4S-II构件为分析对象，模拟不同长细比对组合柱性能的影响。在构件其他参数不变的情况下，分别取5∶1和10∶1的长细比，直径均设为75 mm，高度分别为370 mm和750 mm，并与长细比为3∶1的F4S-II构件试验值进行对比，力-位移曲线以及试验破坏形态如图7、图8所示。可以看出，长细比的改变对组合柱的破坏形态有较大影响，当长细比从3∶1增加到5∶1时，有限元模拟长细比5∶1的荷载位移曲线和试验构件(长细比为3∶1)的形态较为接近，仍保持着典型的三阶段破坏模式。但当长细比增加到10∶1时，荷载达到峰值后骤然下降，加载一段时间后将不再有位移产生，组合柱发生了失稳破坏，说明构件的长细比不宜过大。

图7 F4S-II试件在不同长细比条件下的有限元模拟对比Fig.7 Comparison of simulation between different slenderness ratios of speciment F4S-II

图8 F4S-II有限元模拟破坏Fig.8 Destroy of FEM of speciment F4S-II with different slenderness ratios

6 结 论

通过GFRP约束微珠泡沫组合柱的准静态轴压试验，分析了GFRP层数、横向纤维与纵向纤维比例、泡沫密度等参数对组合柱受压性能的影响，并与静态试验结果进行对比，探讨了不同加载速率下组合柱极限承载力和吸能效应的变化规律；再运用有限元软件对组合柱的长细比参数进行分析，得出以下结论：

1．准静态压缩作用下，构件的极限承载力和吸能特性均随着GFRP层数和泡沫密度的增加而提高，而横向纤维与纵向纤维比例的增加能提高组合柱的极限承载力和刚度，但对吸能效果影响较小。

2．对于无GFRP包裹的微珠泡沫组合柱，准静态轴压下的破坏以竖向裂缝为主，静压下的破坏以45°斜裂缝破坏为主。有GFRP包裹的组合柱在准静态压缩下，其破坏面位于加强层附近，静压试验组合柱的破坏区域均集中在中部，说明组合柱在准静态作用下的压缩破坏范围更大。

3．随着加载速率的提高，GFRP外壳和泡沫芯材的裂纹扩展范围均增大，泡沫的破坏更加充分，因此组合柱的极限承载力和吸能效果均随加载速率的提高而增大。

4．有限元模拟结果表明，长细比从5∶1增加到10∶1会改变组合柱原有的破坏模式，长细比过大的组合柱易发生失稳破坏。