基于排煙內(nèi)筒牛腿梁的玻璃鋼制件剪切性能模型實(shí)驗(yàn)法*

周磊，黎大勝，侯銳鋼

基于排煙內(nèi)筒牛腿梁的玻璃鋼制件剪切性能模型實(shí)驗(yàn)法*

周磊1，黎大勝2，侯銳鋼1

（1.華東理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200237； 2.華東電力設(shè)計(jì)院，上海 200237）

牛腿梁作為玻璃鋼排煙筒中承受壓剪作用的關(guān)鍵細(xì)部結(jié)構(gòu)，由于其形狀和受力形式的特點(diǎn)，很難用現(xiàn)有的剪切強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)合牛腿梁結(jié)構(gòu)的形狀特點(diǎn)和受力特點(diǎn)，探索性地采用模型試驗(yàn)法模擬排煙筒工程中的牛腿梁結(jié)構(gòu)并進(jìn)行剪切性能的實(shí)驗(yàn)研究。主要考察了在壓縮作用力下，牛腿梁結(jié)構(gòu)的形狀以及鋪層結(jié)構(gòu)變化與剪切性能的關(guān)系。通過模型實(shí)驗(yàn)法發(fā)現(xiàn)，牛腿梁的厚度和鋪層結(jié)構(gòu)變化對其剪切性能有重要影響。

玻璃鋼排煙內(nèi)筒；牛腿梁；模型實(shí)驗(yàn)法；鋪層方式

玻璃鋼又稱玻璃纖維增強(qiáng)塑料，是由高強(qiáng)度的玻璃纖維和樹脂復(fù)合而成的兼具結(jié)構(gòu)性和功能性的新型復(fù)合材料。玻璃鋼的破壞大多是由于層間分離引起的，層間剪應(yīng)力的存在能夠使玻璃鋼在較小的面內(nèi)載荷作用下出現(xiàn)脫層和失效，因而玻璃鋼層合板層間剪切強(qiáng)度一直是復(fù)合材料研究的一個(gè)重要內(nèi)容，但是目前還沒有完全正確的層間剪應(yīng)力失效準(zhǔn)則［1-2］。為了使分層的危險(xiǎn)減到最小，建立一個(gè)層間剪應(yīng)力模型，計(jì)算不同鋪層方式、不同鋪層厚度等因素對玻璃鋼層合板層間強(qiáng)度的影響，對于指導(dǎo)玻璃鋼復(fù)合材料的鋪層和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有很大的指導(dǎo)意義。

隨著社會(huì)對發(fā)展清潔能源的要求和濕法脫硫技術(shù)的普及，玻璃鋼排煙內(nèi)筒逐漸成為國內(nèi)未來火力發(fā)電廠煙囪的重要形式，應(yīng)運(yùn)而生的大唐淮北虎山發(fā)電廠玻璃鋼排煙內(nèi)筒便是業(yè)內(nèi)標(biāo)志性建筑之一。筆者通過建立模型實(shí)驗(yàn)對玻璃鋼排煙筒牛腿梁的壓剪性能進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)研究［3］。通過模型試驗(yàn)法研究牛腿梁的剪切強(qiáng)度與牛腿梁厚度變化以及鋪層結(jié)構(gòu)變化之間的關(guān)系，并且對牛腿梁失效形式進(jìn)行相應(yīng)的考察，通過分析得到優(yōu)化的牛腿梁結(jié)構(gòu)。

1　玻璃鋼牛腿梁結(jié)構(gòu)分析

玻璃鋼牛腿梁（又稱支撐環(huán)梁）如圖1所示。其在排煙筒中起到承上啟下的作用，整體的玻璃鋼排煙筒是由多節(jié)筒體對接，并通過牛腿梁裝置支撐的結(jié)構(gòu)，牛腿梁承受著來自于牛腿梁上端多節(jié)筒體重力帶來的作用，同時(shí)也承受著其它載荷而導(dǎo)致的組合力作用。因此牛腿梁的承載力是玻璃鋼排煙筒工程中一個(gè)重要參數(shù)，盡管在實(shí)際工程中存在復(fù)雜的組合力作用于牛腿梁，但歸根結(jié)底都是對牛腿梁抗壓剪性能的一種考驗(yàn)。筆者采用模型實(shí)驗(yàn)法，將工程中復(fù)雜的組合力簡化，探究牛腿梁在壓縮應(yīng)力下的剪切強(qiáng)度。

圖1　玻璃鋼筒體牛腿梁圖

圖2示出牛腿梁受力示意圖，筒體自身受到向下的重力，而在筒體外圈纏繞成型的承重牛腿梁受到來自鋼架支撐帶來的向上的支撐力，因此在牛腿梁和筒壁之間往往會(huì)產(chǎn)生交界處的層間剪切作用力。牛腿梁與玻璃鋼筒體之間層間性能的好壞是考量牛腿梁實(shí)際性能的重要標(biāo)準(zhǔn)［4-7］。

圖2　牛腿梁示意圖

2　模型實(shí)驗(yàn)法

由于用基本的層間剪切強(qiáng)度測試方法如短梁剪切法、雙切口拉剪法等不能夠充分表現(xiàn)出牛腿梁的真實(shí)受力狀態(tài)，因此模型試驗(yàn)法是通過模擬玻璃鋼牛腿梁和筒體兩者的形狀，重點(diǎn)考察在同樣的受力形式下，牛腿梁和玻璃鋼筒體之間會(huì)發(fā)生怎樣的剪切破壞形式，實(shí)驗(yàn)將玻璃鋼筒體和牛腿梁簡化成易于后期進(jìn)行測試的矩形模型。

由于實(shí)際牛腿梁形狀不具備測試所要求的試樣條件，因此試驗(yàn)通過整體形狀的簡易變形，使其能夠與現(xiàn)有的測試方法相結(jié)合。在試驗(yàn)中利用簡易的工具，采用標(biāo)準(zhǔn)壓縮測試的方法進(jìn)行牛腿梁層間剪切強(qiáng)度的測試。牛腿梁尺寸示意圖見圖3，H1表示樣條總長度，H2表示牛腿梁與筒體接觸長度；H3為牛腿梁最厚部分的長度；a為牛腿梁的纏繞厚度；b為樣條的寬度。根據(jù)公式（1）進(jìn)行層間剪切強(qiáng)度值的計(jì)算［8-11］：

式中：σ——剪切強(qiáng)度；

PU——最大失效載荷。

圖3　牛腿梁尺寸圖

3　實(shí)驗(yàn)部分

3.1原材料

乙烯基酯樹脂：工業(yè)級，亞仕蘭（中國）投資有限公司；

異辛酸鈷：工業(yè)級，上海淘源鈷業(yè)有限公司；

過氧化甲乙酮：工業(yè)級，阿克蘇諾貝爾（中國）投資有限公司；

乙酰丙酮：分析純，上海寶山羅涇化學(xué)廠；

單向布：纖維面密度430 g/m2，重慶國際復(fù)合材料有限公司；

短切氈：纖維面密度300 g/m2，重慶國際復(fù)合材料有限公司；

纏繞紗：TEX2400，纖維面密度651 g/m2，重慶國際復(fù)合材料有限公司。

3.2主要儀器

萬能試驗(yàn)機(jī)：300 kN，深圳三思縱橫科技股份有限公司；

雕刻機(jī)：AJ-L10F型，上海奧劍激光有限公司；

切割機(jī)：Unicut型，昆山邁格試驗(yàn)儀器有限公司。

3.3牛腿梁的設(shè)計(jì)鋪層方案

（1）全纏繞紗模型。

厚度通過改變纏繞紗的循環(huán)次數(shù)來控制，最終考察牛腿梁厚度變化對層間剪切強(qiáng)度的影響。全纏繞紗型試樣具體設(shè)計(jì)方案見表1，其中每層纏繞紗的厚度為0.56 mm

（2）纏繞紗/短切氈復(fù)合型。

該部分主要考察通過纏繞紗和短切氈混合鋪層的牛腿梁在剪切性能上的變化，具體鋪層方式見表2。其中纏繞紗（3）代表纏繞紗循環(huán)纏繞3次，下同。

表1　全纏繞紗型試樣規(guī)格

表2　紗/短切氈復(fù)合型試樣規(guī)格

（3）纏繞紗/單向布復(fù)合型。

該部分主要考察通過纏繞紗和單向布復(fù)合鋪層的牛腿梁在剪切性能上的變化，具體鋪層方式見表3。

表3　紗/單向布復(fù)合型試樣規(guī)格

（4）纏繞紗/短切氈/單向布復(fù)合型。

該部分綜合考察纏繞紗、單向布、短切氈復(fù)合鋪層的牛腿梁在剪切性能上的變化，具體鋪層方式見表4。

表4　紗/短切氈/單向布復(fù)合型試樣規(guī)格

3.4牛腿梁試樣制作

牛腿梁試樣的形狀與一般拉壓彎測試樣條有區(qū)別，如圖4a所示，為一對待膠接的牛腿梁測試試樣，在膠接牛腿梁試樣前，需要在一個(gè)平整的實(shí)驗(yàn)平臺上，尋找兩個(gè)高度完全相等的支撐點(diǎn)，這樣做的目的是保證牛腿梁在制作完成后能夠保持它的兩個(gè)支撐面在同一平面上，有利于后續(xù)測試的準(zhǔn)確性，待牛腿梁試樣膠接固化后，需要將整體試樣的頂部受力面進(jìn)行打磨處理，同樣保證兩個(gè)受力面在同一個(gè)平面上，圖4c所示為一個(gè)完整的牛腿梁測試試樣。在測試方面，采用簡易的工具，即圖4b中所示的兩個(gè)高度完全相同的鋼板作為支撐平臺，試驗(yàn)是按纖維增強(qiáng)材料標(biāo)準(zhǔn)壓縮性能試驗(yàn)法進(jìn)行測試，如圖4d所示。試驗(yàn)機(jī)從上往下進(jìn)行壓縮。直至試樣發(fā)生牛腿梁與筒體分層破壞或者基板被完全壓縮破壞為止。測試速度為2 mm/min，H1=50 mm，H2=30 mm，b=30 mm。

圖4　牛腿梁模型試樣以及測試方法

4　結(jié)果與討論

4.1厚度對剪切性能的影響

圖5所示為全纏繞紗型牛腿梁試樣剪切強(qiáng)度測試數(shù)據(jù)隨厚度變化的散點(diǎn)圖。

圖5　全纏繞紗型牛腿梁試樣剪切強(qiáng)度散點(diǎn)圖

從圖5可以看出，每組剪切強(qiáng)度測試數(shù)據(jù)都有一些較低的值，導(dǎo)致這種現(xiàn)象的原因是在測試過程中，受力時(shí)試樣在基板上端部產(chǎn)生應(yīng)力集中，導(dǎo)致試樣發(fā)生如圖6所示的上端部提前發(fā)生橫向斷裂破壞，而此時(shí)牛腿梁部分并未發(fā)生破壞。這種現(xiàn)象在牛腿梁厚度較小時(shí)易發(fā)生。而在測試數(shù)據(jù)較穩(wěn)定的區(qū)域，如圖5中兩條虛線之間，牛腿梁的剪切強(qiáng)度隨著厚度的增加能夠基本呈現(xiàn)出下降的趨勢。

圖6 牛腿梁試樣失效破壞形式

圖7為牛腿梁在壓縮載荷作用下的受力分析示意圖。從圖7可以看出，當(dāng)垂直向下的壓縮力P作用于基板時(shí)，引起的直接效果是支撐平臺會(huì)對牛腿梁產(chǎn)生一個(gè)均勻向上的作用力F′，在力F′的作用下，牛腿梁內(nèi)部需要變形協(xié)調(diào)，從而會(huì)產(chǎn)生層與層之間的應(yīng)力，即層間應(yīng)力。層間應(yīng)力的特點(diǎn)就是在自由邊（即試樣邊緣）產(chǎn)生應(yīng)力集中的現(xiàn)象，最終導(dǎo)致裂紋和分層破壞的效果［12-14］。

圖7　牛腿梁受力分析示意圖

由于牛腿梁的形狀特點(diǎn)，隨著厚度的增加，牛腿梁橫向的高度在不斷降低，當(dāng)層間應(yīng)力同時(shí)由支撐面向牛腿梁上邊界傳遞時(shí)，首先會(huì)在牛腿梁高度最低的面產(chǎn)生應(yīng)力集中，當(dāng)層間應(yīng)力增大到超過這個(gè)面的剪切強(qiáng)度時(shí)，便會(huì)在這個(gè)面發(fā)生分層破壞的現(xiàn)象。因此，隨著牛腿梁厚度的增加，剪切強(qiáng)度值呈下降趨勢。

圖8示出牛腿梁試樣典型的失效破壞形式。破壞部位通常在牛腿梁的外側(cè)，說明較厚的牛腿梁試樣沿厚度延伸的部分是容易發(fā)生分層失效的部分，影響了整個(gè)牛腿梁的剪切性能。

4.2鋪層結(jié)構(gòu)對剪切性能的影響

圖8 牛腿梁試樣失效破壞形式

圖9示出在厚度接近的S7（紗/短切氈復(fù)合型牛腿梁），S8（紗/單向布復(fù)合型牛腿梁）以及S9（紗/短切氈/單向布復(fù)合型牛腿梁）試樣中，鋪層結(jié)構(gòu)對剪切強(qiáng)度的影響。從散點(diǎn)圖中的均值線可以看出，纏繞紗/短切氈/單向布復(fù)合型承重牛腿梁試樣所測得的剪切強(qiáng)度值最大；紗/短切氈復(fù)合型牛腿梁和紗/單向布復(fù)合型牛腿梁試樣所測得的剪切強(qiáng)度值相當(dāng)。

圖9　鋪層結(jié)構(gòu)對剪切強(qiáng)度的影響

當(dāng)在纏繞紗中加入短切氈時(shí)（即纏繞紗/短切氈復(fù)合型牛腿梁），因?yàn)槎糖袣謱σ蚁┗渲哂休^好的浸潤性，提高了兩者的界面粘結(jié)能力，因此剪切性能比較纏繞紗型牛腿梁要更好［15］。

當(dāng)在纏繞紗中加入單向布時(shí)（即纏繞紗/單向布復(fù)合型牛腿梁），由于單向布在纖維導(dǎo)向方向上具有很好的力學(xué)性能，因此在受力方向上單向布的加入提高了受力方向的承受載荷能力［16］。

使用纏繞紗、短切氈和單向布交替鋪層的方式制作牛腿梁結(jié)構(gòu)，既利用了提升樹脂浸潤性的短切氈，提高了界面的粘結(jié)性能；單向布和纏繞紗的結(jié)合又保證了無論是在受力方向上還是在垂直于受力方向上的承受載荷的能力，大大提高了牛腿梁的抗壓縮剪切性能。

5　結(jié)論

（1）隨著牛腿梁厚度的增加，在壓縮作用力下容易在沿牛腿梁厚度增加的方向發(fā)生分層破壞，因此，牛腿梁的厚度增加不利于牛腿梁的抗剪切性能。

（2）采用全纏繞紗型、纏繞紗/單向布復(fù)合型和纏繞紗/短切氈復(fù)合型的牛腿梁結(jié)構(gòu)，其剪切性能均不如采用纏繞紗/短切氈/單向布三種纖維材料復(fù)合型牛腿梁結(jié)構(gòu)，纏繞紗/短切氈/單向布復(fù)合型牛腿梁能夠綜合三種纖維制品各自的優(yōu)勢，從界面的粘結(jié)性能和受力方向上的力學(xué)性能全面提高牛腿梁的剪切性能。

（3）牛腿梁模型實(shí)驗(yàn)法作為一種創(chuàng)新型的，并且具有工程針對性的一種剪切性能測試方法，對于檢驗(yàn)和測試玻璃纖維增強(qiáng)塑料工程應(yīng)用中難度較大且形狀不規(guī)則的剪切性能有一定的指導(dǎo)意義。

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Shear Property Research About Underpinning Beam of FRP Exhaust Cylinder Based on Model Experiment

Zhou Lei1， Li Dasheng2， Hou Ruigang1
（1. College of Material Science and Engineering， East China University of Science and Technology， Shanghai 200237， China；2. East China Electric Power Design Institute， Shanghai 200237， China）

Underpinning beam is a key structure of FRP exhaust cylinder for bearing compression and it's hard to study the shear property according to existing shear strength test because of the shape and loading features. The practical application of underpinning beam in the FRP exhaust cylinder was exploratively simulated using the model experiment for studying the compression-shear behavior. The model experiment mainly investigated the relationship between the shape，overlay structure of underpinning beam and the shear strength. The model experiment discovered that the shape and overlay structure had an important effect on shear strength of underpinning beam.

FRP chimney；underpinning beam；model experiment；stacking sequence

TB332

A

1001-3539（2016）06-0089-05

10.3969/j.issn.1001-3539.2016.06.020

*住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部2015年工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范制訂、修訂計(jì)劃（建標(biāo)［2014］189號）

聯(lián)系人：周磊，碩士研究生，主要研究方向?yàn)闃渲鶑?fù)合材料的層間性能

2016-03-15