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格构网玻璃钢夹层板梁的抗弯性能平面和侧面加固
Youjun Qi a, Hai Fang a,uArr;, Huiyuan Shi b, Weiqing Liu c, Yujun Qi a, Yu Bai d
a College of Civil Engineering, Nanjing Tech University, Nanjing 211816, China
b School of Civil Engineering, Southeast University, Nanjing 210096, China
c Advanced Engineering Composites Research Center, Nanjing Tech University, Nanjing 211816, China
d Department of Civil Engineering, Monash University, Clayton 3800, Australia
H I G H L I G H T S
- 对玻璃钢夹芯梁的受弯性能进行了试验研究。
- 研究发现，拟延性受网架数量的影响。
- 梁在较低的荷载作用下发生了平面弯曲破坏，但产生了较大的挠度。
- 建立了计算抗弯刚度和承载力的解析方程。
A R T I C L E I N F O
文章历史：
收到日期：2017年5月4日
于2017年8月13日收到修订版
接受日期：2017年8月23日
2017年9月11日在线发布
关键词：
玻璃钢夹芯木梁
格构腹板
弯曲性能
平直地
侧向
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本文研究了以泡桐木或南方松木芯材为芯材，玻璃纤维增强聚合物（GFRP）面层为骨架的新型复合材料夹芯梁的受弯性能。采用真空辅助树脂灌注工艺对不同腹板数的夹芯梁进行成型。两个控制木梁和十八个格构网加固夹芯梁接受四点弯曲，以确定其平面和侧面的刚度、承载力和破坏机制。试验结果表明，复合材料夹芯梁在较低的荷载作用下进行的平面弯曲试验失败，但产生的挠度比侧弯试验大。随着网架数量的增加，在平面方向上的伪塑性增加，而在侧面方向上的伪塑性减少。建立了玻璃钢夹层板梁的抗弯刚度、承载力和拟延性的计算公式，并与试验结果吻合较好。
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1。介绍
与传统的建筑材料相比，玻璃纤维增强聚合物（GFRP）复合材料在结构构件中的主要优点是强度高、重量轻、耐腐蚀性好和设计的灵活性[1-3]，所有这些都提供了一种有效的方法来增加弯曲刚度，而无需使用任何材料。重量和维护成本显著增加。由于其诸多优点，玻璃纤维增强塑料已被广泛应用于结构加固，并作为土木、海洋和军事工程项目的结构部件[4-7]。如今，人们逐渐强调了难以满足传统钢、混凝土和其他结构材料的重要多功能要求，特别是在航空航天[8,9]、汽车工业和桥梁工程[10-18]中。显然，在目前的情况下，研究高性能玻璃钢构件[19-23]和相应的结构体系是非常必要的。
通过将两层薄而硬的外壳连接到一个轻而厚的芯上而制成的复合夹层结构是一种有趣的结构[24]。由于其高抗弯刚度、高强度重量比和高耐腐蚀性，这种结构形式越来越多地被用作民用基础设施中传统结构构件的一种非常有前途的替代方案。Stuffes和弗莱克[25.26]对夹芯墙梁在三点弯曲中的倒塌机理进行了实验、数值和分析研究，其中夹芯试件由玻璃纤维增强塑料面皮和PVC泡沫芯制成。此外，还特别关注了塑性外表面和弹塑性芯的压痕模型的开发。里佐夫等。〔27〕采用压缩和弯曲试验来评价泡沫夹芯复合板对压痕的响应。夹层构件的主要缺点之一是由于压痕损伤而导致的承载力损失。鲁索等。〔28〕设计了一种夹层结构，该结构由玻璃纤维层压板与PVC泡沫或聚酯垫芯组成，由于低剪切刚度和皮肤和芯材弹性常数的不匹配，而经历了早期的皮芯分层。泡沫芯在低变形值下的承载能力差，开始出现塌陷，微弯由于表面与芯部之间的粘附性差而发生。此外，其他研究[29，30]还发现，由泡沫芯制成的夹心构件是软的，在高压缩载荷下会被压碎。
为优化夹层结构的整体力学性能，满足具体要求，采用轻质木材作为夹层结构的核心材料。新的分析模型和有限元模型精确地预测了与评估由刚性芯材和中间玻璃钢层压板组成的复杂芯材组件的玻璃钢-轻合金夹芯梁轴向和剪切应力的实验相匹配的结果[31]。木材具有较高的抗压强度、可再生性和相对较好的机械性能，在可持续建筑结构中作为替代核心材料发挥了重要作用[32,33]。为了表征木材的整体力学性能，几项研究对木芯夹层复合材料结构进行了研究。研究发现，玻璃钢与木材之间的粘结效果良好[34–37]。Osei Antwi等人[38]分析了由高密度和低密度的BALSA层组成的复杂BALSA芯的FRP夹芯梁的断裂，这些BALSA层由一个FRP拱或一个圆形粘合界面隔开。如果粘合良好，裂纹就不能通过粘合层扩展。因此，对玻璃纤维增强塑料木材夹层系统的研究使得这种结构在桥面环境中具有吸引力[39,40]。
为了防止面层与芯层之间的分层，提高夹层结构的抗弯刚度，进行了一些研究。例如，为了提高抗剪承载能力和提高皮芯脱粘阻力，根据有效可靠设计的需要，Mostafa等人〔41〕建议使用目前可用的技术，在脸部皮肤和泡沫芯之间插入半圆形剪切关键元件。Guilleminot等人[42]研究了带纤维插入的三维夹层结构的力学性能，以最大限度地提高贯穿厚度刚度、芯强度和面芯粘附力。Cartie等人设计的另一种方法。〔43〕将钛和碳纤维针脚插入聚甲基丙烯酸甲酯泡沫夹芯板（含碳纤维蒙皮）中，以提高穿透厚度强度特性。此外，Yanet等人（44）设想了一种带有泡沫铝填充波纹芯的夹芯板，作为提高负载能力的可行方法，并且由Haldar等人制造了由聚合物泡沫内的拉挤碳棒构成的夹层结构的生物启发芯。〔45〕。这些技术需要时间、资金和人力资源，有些甚至需要特殊的支持设备。因此，在形成可能并不总是可用的大部件时可能会遇到一些困难。
具有高强度芯材和纤维嵌件的轻质夹层结构的发展为结构梁应用提供了将木质芯材作为夹层材料的可能性。本文介绍了一种新型的复合材料夹芯梁，该夹芯梁用于承重构件，采用真空辅助树脂灌注工艺对其进行整体成型，该工艺涉及复合材料面板、腹板和芯材，如图1所示。其概念是将高强度核心材料捆绑在两个腹板内。夹层梁是通过使用格构网和面层将木芯材料紧密包裹在一起来构造的，这些格构网和面层可以充分发挥夹层梁的弯曲和剪切能力。当复合材料夹芯梁的表层受力时，木芯有助于提高局部承载力，为夹芯梁提供弹性支撑，避免局部屈曲和脱胶。芯材可以改善截面应力的分布，有效降低表面层与格构网结合处的应力集中，显著延缓劈裂破坏。同时，玻璃钢格构网可以有效地提高水平或侧向的承载和剥离能力，“水平”或“侧向”表示格构网配筋方向与水平格构网或垂直格构网的配置。水平格构网意味着格构网的方向与施加的荷载垂直。垂直格构网意味着格构网的方向与施加的荷载平行。
使格构网的使用与众不同的是，格构网不仅提供了极高的强度和稳定性，而且还允许具有复合梁的材料充分发挥各自的性能。本文报道并讨论了玻璃纤维布-木质夹芯梁在平面和侧面四点静弯下的极限破坏机理、初始弯曲刚度、荷载-变形行为和应力-应变行为。对复合材料夹芯梁的刚度和强度进行了理论分析，并与试验结果进行了比较。
2。实验方案
2.1。材料性能
本研究所测试之结构夹芯梁系以玻璃纤维布皮及由双轴[0/90]玻璃纤维层合板（800 g/m 2）与HS-2101-G100不饱和聚酯树脂组成之网纹网包裹之木芯，分别以高等级泡桐或南方松木为材料，重量分别为279.76 kg/m 3及420.14 kg/m 3。核心材料。如表3所示，复合材料夹芯梁的总密度范围为581.35–811.51 kg/m 3（泡桐复合梁）和699.90–917.66 kg/m 3（南方松木复合梁）远小于混凝土或钢材。
根据ASTM D3410[46]、ASTM D3039[47]和ASTM D7078[48]标准分别对压缩、拉伸和剪切试验下的机械性能进行了表征。由于芯材料的各向异性，平行于晶粒和垂直于晶粒的方向在发现上存在相当大的差异。在材料性能的总体理论分析中，主要考虑了平行于晶粒的方向。对每种芯材泡桐和南方松木的5个50毫米高的立方体样品进行了测试。试验分别按照ASTM C297[49]、ASTM C365[50]和ASTM C273[51]标准在拉伸、压缩和剪切下进行。表1总结了玻璃纤维增强塑料面层、格构网和芯材的极限强度和杨氏模量。
2.2。试样
20个尺寸几乎相同的夹层梁（1400 mmtimes;120mmtimes;120 mm）由南京理工大学先进的复合材料结构研究所制造：两个木梁、两个不带格构网的复合夹芯梁和六个带格构网的青少年夹芯梁。如图2所示，制造过程可以简单地分三个阶段进行描述：（a）初步阶段包括用[ 45/？包裹每个小平板。45]纤维方向与水平轴夹角为两层；（b）第二阶段，在安装剥离网、树脂管和真空袋后，整个树脂填充过程迅速完成，没有中断；（c）最后一阶段，树脂固化后，根据名义尺寸将试样切割成尺寸。
面部皮肤由三层缝合的双轴玻璃纤维织物组成，每层厚度为1 mm，总厚度约为3 mm。网格网有两层玻璃纤维，每层厚度为2毫米，总厚度为4毫米。水平和垂直格构网和表面蒙皮如图3a和b所示。每个试样的详细信息汇总在表2中。
图1。格构网增强复合材料夹芯梁：（a）平面 和（b）侧面。
表1
玻璃钢皮和芯材的力学性能。
图2。夹芯梁的制备和制造工艺：（a）所有木芯均采用玻璃纤维布包裹；（b）树脂真空浸渍；（c）夹芯梁切割。
图3。新型复合材料夹芯梁的横截面图：（a）平面方向，（b）侧面方向。
3。实验装置和仪器
根据ASTM C393标准[52]，在通用试验机上对试样进行静态四点弯曲加载。试验中使用的加载装置是一个简单的支架，两个滚筒支架之间的净跨距为1200 mm。用一个容量为300千牛的液压千斤顶设置垂直单调荷载，通过钢转换梁将其等分为两个集中荷载，并以2 mm/min的速度施加，如图4所示。转换梁的重量可以忽略不计，因为它比施加的荷载轻。在每次试验之前，实施了一个多阶段程序，包括施加预紧力以消除压路机和试样之间的间隙，卸载至约5%的失效载荷，并将仪器数据调整为零。
在试验过程中，采用DH3816静态应变测试系统进行应变采集。垂直位移由布置在中跨底部和支架顶部的线性可变挠度传感器（LVDT）测量。为了观察荷载与面板应变的关系，在中跨上下面板上分别安装了两个纵向应变计。所有的数据都是用数据记录器记录和获取的，以确定失效模式和评估夹层梁的性能。
4。实验结果与讨论
4.1。失效模式
木梁和复合材料夹芯梁在弯曲状态下的不同宏观破坏机制，通常包括芯部剪切破坏、表皮拉伸/延性/压缩破坏以及局部起皱/分层/压碎/压痕破坏，都是比较熟悉的。从图5所示的示例中判断，
表二
手法的标本
注：标本命名中，con代表对照标本；pa、sp分别代表泡桐木芯和南方松木芯；0、1、2、3、4代表格构网数；f、s分别代表平向和侧向。“平面”或“侧面”表示具有水平格构网或垂直格构网的格构网加固方向的配置。水平格构网意味着格构网的方向与施加的荷载垂直。垂直格构网意味着格构网的方向与施加的荷载平行。
表3
理论和试验结果的抗弯刚度比较。
注：S/W=有效弯曲刚度与重量比。
图4。梁弯曲性能试验装置：（a）弯曲试验装置；（b）示意图；（c）应变计布置。线性可变偏转传感器。
论文在三明治梁的失效机制在横向方向可以很平和categorized三主要类型为：（1）核心剪切破坏，主要加工标本PA -CON和SP-CON的控制；（2）面部皮肤标本中出现故障后，主要的PA - 1 / 2 / 3 / 4。SP- 1 / f和F 2／3／4；（3）压缩失效，主要加工标本PA-0，SP-0，PA-1 / 2 / 3 / 4-S，和SP - 1 / 2 / 3 / 4-S.
控制标本PA- CON 和SP-CON和失败的脆性的方式。我们观察到在第一拉伸裂纹的加载点上。最大剪切应变的应变超过其木材粉碎，然后迅速向上扩展和裂缝进行即刻失效引起的增加的负载，如显示在图5a。同时，大挠度和响亮的噪音发生。
图5。玻璃钢夹芯梁的失效模式：(a) SP-CON-F/S, (b) SP-0-F/S, (c) PA-3-F, (d) PA-3-S, (e) SP-4-F 和(f) SP-4-S.
对于复合材料夹层试件PA-0和SP-0，没有格构网，由于受拉面板桥接了开裂的芯部，因此没有发生脆性破坏，防止了脆性破坏，在加载开始时，木材纤维的微裂纹和轻微弯曲裂纹的声音在加载区附近开始出现，而在加载区附近则出现了微裂纹和轻微弯曲裂纹的声音。在外表面上没有观察到其他明显的现象，表明存在应力集中效应。随着载荷的不断增加，芯部的拉伸裂纹迅速发展和扩展。当外表面的最大压缩应变超过其压缩应变时，在侧面蒙皮上的压缩裂纹向下扩展时，出现顶部局部凹陷，随后出现侧面蒙皮的压缩破坏，如图5b所示。这种现象可能是由于侧面的压缩破坏所致。
具有1、2、3和4个腹板的复合夹层试样由于多层玻璃纤维网格网的存在而出现延性
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