木芯復(fù)材拉擠成型柱軸壓性能及其工程應(yīng)用

，，

(南京工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，江蘇 南京 211816)

木芯復(fù)材拉擠成型柱軸壓性能及其工程應(yīng)用

張冰，齊玉軍，熊偉

(南京工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，江蘇南京211816)

基于拉擠成型工藝與FRP夾芯構(gòu)件設(shè)計(jì)理念，提出一種新型木芯復(fù)材拉擠成型柱(Pultruded FRP-wood Column, PFWC)，其截面形式為外圍的玻璃纖維(GFRP)和內(nèi)部的南方松木芯(Wood-core)。PFWC生產(chǎn)工藝具備連續(xù)化、工業(yè)化、可控化及質(zhì)量穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，且已成功運(yùn)用于南京玉竹樓。PFWC的軸壓試驗(yàn)研究表明：中柱和長(zhǎng)柱的破壞模式分別為面板壓潰破壞且縱向纖維撕裂及兩側(cè)面板局部屈曲，臨界屈曲承載力隨著構(gòu)件長(zhǎng)細(xì)比的增加逐漸減小。當(dāng)PFWC長(zhǎng)細(xì)比小于60時(shí)，歐拉臨界屈曲承載力計(jì)算值大于試驗(yàn)值，但當(dāng)長(zhǎng)細(xì)比大于60時(shí)，歐拉臨界屈曲承載力與試驗(yàn)值吻合較好。且隨著長(zhǎng)細(xì)比的增大，理論值與試驗(yàn)值之間的誤差減小。

木芯； 玉竹樓； 軸壓試驗(yàn)； 破壞模式； 臨界屈曲承載力

1 前 言

拉擠成型工藝是目前復(fù)合材料(Fiber Reinforced Polymer/Plastic，F(xiàn)RP)制品最主要的成型工藝之一，具備工業(yè)化、連續(xù)化、及參數(shù)可控等特點(diǎn)。拉擠制品具有表觀質(zhì)量?jī)?yōu)異、截面形式多樣化及質(zhì)量穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)[1]。但以單一FRP作為原生產(chǎn)材料，主要缺點(diǎn)在于：較為單一的彈脆性力學(xué)性能、各向異性及縱向纖維起主要受力作用，拉壓性能差異大，導(dǎo)致其易發(fā)生劈裂破壞及局部失穩(wěn)，F(xiàn)RP強(qiáng)度不能得到充分發(fā)揮；該種復(fù)合材料成本昂貴，并不適用于大中型工程。

針對(duì)上述問(wèn)題，一種FRP夾芯構(gòu)件被提出。此構(gòu)件包括作為有效支撐的內(nèi)部芯材(蜂窩、泡沫及輕木)和作為主要受力骨架的外殼FRP，具有輕質(zhì)高強(qiáng)、比剛度大、耐候性良好及隔熱保溫等顯著優(yōu)點(diǎn)[2-4]，目前已廣泛應(yīng)用于航天航空、船舶、交通及能源等領(lǐng)域。近幾年，其在土木工程中的應(yīng)用亦逐漸增多，且涉及到梁[5]、板[6-8]及柱[9]等工程常用的結(jié)構(gòu)，比如：試驗(yàn)和理論研究均表明以花旗松膠合木作為芯材和玻纖作為上下面層的夾芯橋面板可滿足橋梁結(jié)構(gòu)對(duì)橋面板抗彎性能的要求[6]；FRP管材作為外殼可使內(nèi)部聚氨酯硬質(zhì)泡沫軸壓承載力提高30%左右[10]。但目前FRP夾芯構(gòu)件在土木工程中的應(yīng)用大多以手工生產(chǎn)為主，效益較低、加工精度差及質(zhì)量離散度大等缺點(diǎn)使其在工程中的應(yīng)用受到一定程度的限制[1]。

將FRP夾芯工藝與拉擠成型工藝相結(jié)合產(chǎn)生一種FRP拉擠夾芯型材工藝(Pultruded FRP Composites Sandwich Profile, PFCSP)可彌補(bǔ)傳統(tǒng)以單一FRP作為拉擠材料和普通FRP夾芯構(gòu)件的缺點(diǎn)，并兼?zhèn)涠叩膬?yōu)點(diǎn)。(Pultruded FRP-wood Column, PFWC)作為拉擠夾芯型材工藝的一種，其生產(chǎn)流程為：準(zhǔn)備好干燥的木芯，通過(guò)動(dòng)力系統(tǒng)牽引，在起始端連續(xù)不斷地填充纖維和南方松芯材，依次經(jīng)過(guò)導(dǎo)向模具、樹(shù)脂槽和加熱模具，并在模具中固化成型后，通過(guò)動(dòng)力裝置牽引出模，最后切割成所需長(zhǎng)度(如圖1(a)～圖1(f))。

圖1 PFWC生產(chǎn)流程
(a) 芯材準(zhǔn)備； (b) 纖維準(zhǔn)備；

(c) 纖維浸泡樹(shù)脂； (d) 纖維/芯材入模； (e) 組合柱脫模；(f) 批量生產(chǎn)
Fig.1 Production Processes of PFWC

本文先對(duì)國(guó)內(nèi)的PFWC具體工程應(yīng)用案例進(jìn)行介紹，再對(duì)不同長(zhǎng)細(xì)比的PFWC在軸壓作用下的力學(xué)性能展開(kāi)了試驗(yàn)研究，獲得其失效過(guò)程和破壞模式，得到了長(zhǎng)細(xì)比對(duì)承載力的影響特性；最后，提出PFWC構(gòu)件臨界屈曲承載力計(jì)算模型，為PFWC構(gòu)件的工程應(yīng)用進(jìn)一步提供了指導(dǎo)依據(jù)。

2 工程概況-玉竹樓

位于南京佛手湖畔17號(hào)塊地的國(guó)內(nèi)首個(gè)玻璃鋼建筑玉竹樓是由新型復(fù)材夾芯構(gòu)件作為主要受力構(gòu)件建造的FRP建筑。該建筑共3棟3層，局部2層，底層架空，層高3米，跨度4.1米，其建筑功能為度假別墅及多功能會(huì)所。該工程案例如圖2所示。

圖2 玉竹樓工程案例(a) 玉竹樓效果圖； (b) 玉竹樓施工圖； (c) PFWC截面形式Fig.2 Yuzhu building projects

玉竹樓結(jié)構(gòu)體系概況：樓與樓之間錯(cuò)層布置，前一棟的二樓通過(guò)“天橋”通往下一棟的屋面，且樓與樓之間設(shè)有平臺(tái)。主要承重構(gòu)件為拉擠成型玻璃鋼方柱和拉擠成型復(fù)合材料樓板?？箓?cè)力體系為：長(zhǎng)方向上斜拉索，短方向剪力墻。豎向承重體系為：復(fù)合樓板通過(guò)角鋼鋼梁將豎向荷載傳遞到玻璃鋼復(fù)合立柱，最后傳到基礎(chǔ)。其中樓板與樓板之間的搭接區(qū)域采用結(jié)構(gòu)膠連接，樓板與鋼梁之間及玻璃鋼立柱與角鋼鋼梁之間均通過(guò)螺栓連接，玻璃鋼立柱與底部條形基礎(chǔ)之間通過(guò)H型鋼和螺栓連接，從而形成整個(gè)結(jié)構(gòu)體系。

結(jié)構(gòu)中所有子柱均為FRP 拉擠夾芯柱，其中GFRP彈性模量為19GPa，南方松芯材彈性模量為8GPa，木材順紋方向與立柱長(zhǎng)度方向一致，樹(shù)脂為鄰苯型不飽和聚酯樹(shù)脂。

3 試驗(yàn)方案

3.1 構(gòu)件參數(shù)

本文所用拉擠成型木芯組合柱的截面形式如圖2(c)所示，其中GFRP位于柱外側(cè)形成連續(xù)外殼，南方松作為芯材。FRP面層材性[11]及木芯材性[12-13]試驗(yàn)參數(shù)分別見(jiàn)表1和表2。試驗(yàn)構(gòu)件參數(shù)詳見(jiàn)表3。表中a、b分別為試件橫截面長(zhǎng)度與寬度，h為試件高度。

表1 面層壓縮試驗(yàn)結(jié)果

表2 木材順紋基本力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果

表3 試件參數(shù)

3.2 試驗(yàn)方案與測(cè)量裝置

軸壓試驗(yàn)裝置如圖3所示，試驗(yàn)加載采用2000kN液壓千斤頂，支撐系統(tǒng)由兩塊固定在地面上的反力架提供。試驗(yàn)時(shí)，加載構(gòu)件被放置在反力架之間，柱的兩端與刀鉸相連，且其中一端與力傳感器連接，以便試驗(yàn)中采集荷載。

圖3 PFWC加載裝置Fig.3 Instrumentations and set-up of PFWC

測(cè)點(diǎn)及測(cè)量?jī)x器布置如圖4所示。加載前，先進(jìn)行幾何對(duì)中，再以0.1Nu(Nu為預(yù)計(jì)極限承載力)反復(fù)加載3次，檢查應(yīng)變片及位移計(jì)工作狀況并且調(diào)整試件進(jìn)行物理對(duì)中。試驗(yàn)采用分級(jí)加載，每級(jí)荷載為預(yù)估極限荷載的1/20，當(dāng)荷載每達(dá)到一個(gè)級(jí)別后持續(xù)約1分鐘以便試件充分變形和數(shù)據(jù)采集，試驗(yàn)荷載由力傳感器測(cè)量，位移和應(yīng)變均采用應(yīng)變箱自動(dòng)采集。當(dāng)試件的最大荷載至少下降20%時(shí)，試驗(yàn)停止。

圖4 試驗(yàn)裝置及測(cè)點(diǎn)布置(a) 位移計(jì)布置； (b) 應(yīng)變片布置Fig.4 Test setup and measurement

4.1 失效過(guò)程與破壞模式

對(duì)于H=1200mm的組合柱，在達(dá)到峰值荷載之前，柱身無(wú)明顯可見(jiàn)的外觀變化，當(dāng)荷載達(dá)到峰值荷載即P=730kN時(shí)，柱身開(kāi)始發(fā)生顯著的彎曲，隨后，柱身橫向位移逐漸增大，發(fā)出巨大的纖維撕裂聲，在腹板與面板交接處發(fā)生縱向劈裂破壞，面板外鼓，發(fā)生局部屈曲，腹板在其裂縫兩側(cè)明顯褶皺，并且在腹板中部出現(xiàn)兩條大約40cm長(zhǎng)的平行裂紋(圖5(b))，從圖5(d)中，可明顯發(fā)現(xiàn)，面層與芯材發(fā)生了顯著滑移。第二根試件的破壞模式與第一根類似，其極限承載力為720kN。

圖5 PC-1200破壞模式(a) PC-1200-1； (b) PC-1200-1； (c) PC-1200-2； (d) PC-1200-2Fig.5 Failure modes of PC-1200

圖6所示為H=2000mm組合柱的破壞過(guò)程及破壞模式，當(dāng)荷載P=310kN時(shí)，柱身開(kāi)始發(fā)生明顯的彎曲(圖6(a))，隨后，跨中撓度隨荷載迅速增大，當(dāng)荷載增加至398kN時(shí)，柱身發(fā)出巨大的爆裂聲，沿腹板中間位置纖維撕裂，出現(xiàn)一條較寬的水平裂縫，內(nèi)部芯材清晰可見(jiàn)，并且在腹板與面板交界處發(fā)生縱向劈裂破壞，隨后荷載突然下降，卸載后，柱身幾乎恢復(fù)成直線狀。第二根試驗(yàn)柱的破壞過(guò)程與之類似，其極限承載力為378kN。

圖6 PC-2000破壞模式(a)PC-2000-1；(b)PC-2000-1；(c)PC-2000-2；(d)PC-2000-2Fig.6 Failure modes of PC-2000

圖7所示為H=2800mm柱的破壞過(guò)程及破壞模式，開(kāi)始加載一段時(shí)間，柱身無(wú)明顯肉眼可見(jiàn)變化；當(dāng)荷載達(dá)到136kN時(shí)，柱身開(kāi)始逐漸彎曲，隨著荷載的不斷增加，跨中撓度越來(lái)越大；當(dāng)達(dá)到峰值荷載時(shí)，開(kāi)始發(fā)出連續(xù)的撕裂聲，面板局部范圍不斷皺起且開(kāi)始泛白，腹板開(kāi)始出現(xiàn)橫向裂縫(圖7(b))，在其上下邊緣分別出現(xiàn)兩條平行裂縫，并且沿縱向不斷延伸；隨后，荷載開(kāi)始下降，最終因撓度過(guò)大而停止試驗(yàn)，卸載后，柱身基本恢復(fù)直線狀。第二根柱破壞過(guò)程與之類似，其極限承載力為170kN。

圖7 PC-2800破壞模式(a) PC-2800-1； (b) PC-2800-2Fig.7 Failure modes of PC-2800

4.2 荷載-位移曲線

所有復(fù)合材料組合柱的荷載-軸向位移曲線如圖8所示。從圖中可看出，荷載-位移曲線有兩種類型，一種類型類似于理想彈性破壞材料(PC-1200)：曲線在達(dá)到最大荷載之前是線性的，峰值荷載之后，曲線突然下降，表現(xiàn)出明顯的脆性；另一種類型是彈塑性材料(PC-2000，PC-2800)，曲線在破壞之前曲線由線性段和水平段組成。

圖8 荷載位移曲線Fig.8 Load-Displacement curves

3種不同長(zhǎng)細(xì)比的復(fù)合材料組合柱試驗(yàn)結(jié)果如表4所示，對(duì)于長(zhǎng)細(xì)比為100.7的PC-2800而言，其破壞模式與其他組合柱有顯著不同，主要表現(xiàn)為GFRP面板的壓潰破壞，其余破壞模式如表中所示。臨界荷載Pcr的定義如下：荷載-位移曲線直線段和水平段的交點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的荷載值。隨著長(zhǎng)細(xì)比的不斷增大，臨界荷載逐漸降低。

表4 不同長(zhǎng)細(xì)比試件的試驗(yàn)結(jié)果

表4中，(1)代表受壓GFRP面板壓潰破壞，沿拉擠方向出現(xiàn)縱向裂縫；(2)代表兩側(cè)GFRP面板局部屈曲，纖維沿腹板與面板交界處撕裂。

4.3 荷載-應(yīng)變曲線

復(fù)合材料組合柱跨中截面GFRP面板的縱向應(yīng)變與荷載曲線如圖9所示，對(duì)于構(gòu)件PC-1200，位于C面的GFRP面板應(yīng)變接近線性增加，當(dāng)壓縮應(yīng)變達(dá)到-0.003時(shí)開(kāi)始下降，而位于A面的GFRP面板應(yīng)變持續(xù)增加，這表明構(gòu)件開(kāi)始發(fā)生橫向變形(如圖5)。對(duì)于構(gòu)件PC-2000和PC-2800亦發(fā)生類似的現(xiàn)象，并且它們的橫向變形明顯大于PC-1200，所以位于A面的GFRP面板的應(yīng)變遠(yuǎn)大于零。

5 臨界承載力計(jì)算

對(duì)于拉擠成型復(fù)合材料組合柱的臨界承載力，可采用歐拉公式[11]對(duì)其進(jìn)行理論預(yù)測(cè)，可按下式計(jì)算：

(1)

式中，(EI)eq為等效抗彎剛度，根據(jù)復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)理論，等效抗彎剛度(EI)eq可表示為：

圖9 荷載-應(yīng)變曲線(a) PC-1200； (b) PC-2000； (c) PC-2800Fig.9 Load-compressive strain curve

(2)

式中，Ef和Ec分別為面板和芯材的彈性模量，b為該組合柱的寬度，t為面板厚度，c為芯材厚度，h為組合柱的高度。

計(jì)算結(jié)果如圖10所示，當(dāng)長(zhǎng)細(xì)比大于50.68時(shí)，對(duì)應(yīng)的界限承載力為787.11kN，此時(shí)歐拉公式才具有適用性，即構(gòu)件發(fā)生屈曲破壞；當(dāng)長(zhǎng)細(xì)比小于50.68時(shí)，構(gòu)件發(fā)生強(qiáng)度破壞。對(duì)于長(zhǎng)細(xì)比小于60的復(fù)合材料組合柱，預(yù)測(cè)值與試驗(yàn)值誤差較大。歐拉理論計(jì)算值大于試驗(yàn)值，并且隨著長(zhǎng)細(xì)比的不斷增大，預(yù)測(cè)值越來(lái)越接近試驗(yàn)值。因此，如果長(zhǎng)細(xì)比足夠大，歐拉屈曲荷載即為組合柱的臨界荷載，所以對(duì)工程中經(jīng)常使用的中長(zhǎng)PFWC，可采用歐拉模型計(jì)算其臨界屈曲承載力。

圖10 組合柱承載力理論值與試驗(yàn)值的比較Fig.10 Theory and experiment results of columns

歐拉公式預(yù)測(cè)存在誤差，主要原因在于：①未考慮整體屈曲與局部屈曲的相互作用關(guān)系：Zahn[12]提出拉擠成型復(fù)合材料柱需考慮局部屈曲與歐拉屈曲的相互作用關(guān)系，且引用控制參數(shù)c來(lái)表征局部屈曲與整體屈曲的相互作用程度，Barbero和Tomblin基于此相繼提出了關(guān)于復(fù)合材料拉擠成型柱的設(shè)計(jì)方程[13]，且此種方法應(yīng)用較為廣泛。②歐拉公式未涉及材料質(zhì)量系數(shù)：Puente[14]提出材料質(zhì)量系數(shù)m來(lái)修正復(fù)合材料拉擠成型柱的設(shè)計(jì)方程，為不同拉擠材料及不同成型方法構(gòu)件的設(shè)計(jì)方程提供了指導(dǎo)依據(jù)。總之，PFWC構(gòu)件軸壓作用下的設(shè)計(jì)模型還需進(jìn)一步完善。

6 結(jié) 論

本文先介紹了PFWC的成型工藝，并結(jié)合國(guó)內(nèi)首個(gè)玻璃鋼建筑案例玉竹樓論述了木芯復(fù)合材料拉擠成型柱在工程中的施工方法與設(shè)計(jì)原則；基于不同長(zhǎng)細(xì)比PFWC在軸壓作用下的試驗(yàn)研究，觀察其力學(xué)行為、失效過(guò)程及破壞模式，并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了探討和分析；最后，分析了傳統(tǒng)歐拉理論對(duì)于求解PFWC軸壓承載力的適用性。得出以下結(jié)論：

1.拉擠成型工藝具有工業(yè)化、連續(xù)化、參數(shù)可控等特點(diǎn)，可改善傳統(tǒng)拉擠型材性能單一及普通夾芯結(jié)構(gòu)生產(chǎn)效益差等缺陷，且其板柱結(jié)構(gòu)可構(gòu)成新型結(jié)構(gòu)中的主要承重體系。

2.PFWC中柱破壞模式為受壓面板壓潰破壞，沿拉擠方向出現(xiàn)縱向裂縫。長(zhǎng)柱為兩側(cè)GFRP面板局部屈曲，纖維沿腹板與面板交界處撕裂。隨著長(zhǎng)細(xì)比的增加，構(gòu)件臨界屈曲承載力逐漸減小。

3.當(dāng)長(zhǎng)細(xì)比小于60時(shí)，傳統(tǒng)歐拉屈曲理論計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)值偏差較大。但當(dāng)長(zhǎng)細(xì)比大于60時(shí)，歐拉臨界屈曲承載力與試驗(yàn)值之間的誤差較小。長(zhǎng)細(xì)比越大，預(yù)測(cè)值越接近試驗(yàn)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

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51308287)

張冰(1985-)，男，博士，助理教授，主要從事新型材料及新型結(jié)構(gòu)研究。E-mail：Zhangb@njtech.edu.cn。

齊玉軍(1982-)，男，博士，講師，主要研究方向?yàn)樾滦筒牧霞靶滦徒Y(jié)構(gòu)研究。E-mail：qiyujun11@163.com。

1673-2812(2017)06-0982-06

TB332

A

10.14136/j.cnki.issn1673-2812.2017.06.023