多夾砂層玻璃鋼夾砂管彎曲性能及破壞模式

劉淑艷 ，崔洪軍 ，張朝陽(yáng) ，肖成志 ，王清洲

(1.河北工業(yè)大學(xué)土木與交通學(xué)院,天津 300401； 2.天津市交通科學(xué)研究院,天津 300074)

玻璃纖維增強(qiáng)塑料夾砂管(簡(jiǎn)稱為玻璃鋼夾砂管)是以不飽和聚酯樹(shù)脂為基體,玻璃纖維為增強(qiáng)體,石英砂作為填充材料按照一定的加工工藝逐層纏繞制作而成的新型柔性管道。相較于傳統(tǒng)的鋼筋混凝土管道,它具有自重輕、耐腐蝕、施工迅速、服役期間免維護(hù)以及允許變形等優(yōu)勢(shì),廣泛應(yīng)用于市政給水排水工程、公路排水工程等領(lǐng)域,已經(jīng)成為傳統(tǒng)剛性管道的替代品[1–4]。作為柔性管道,公路排水工程用玻璃鋼夾砂管受地基軟弱或工后沉降等因素影響,以及在管頂土壓力等載荷作用下,服役期內(nèi)管道將會(huì)產(chǎn)生一定程度的變形[5–7]。變形導(dǎo)致管道截面由圓形逐漸橢圓化并產(chǎn)生較大內(nèi)應(yīng)力,即類似等效于管材承受凹向或凸向加載方式下產(chǎn)生變形和內(nèi)應(yīng)力,是管道服役期主要的承荷方式[8–10]。結(jié)合實(shí)際工程中管道服役期內(nèi)的受力狀態(tài),開(kāi)展載荷作用下玻璃鋼夾砂管材的彎曲性能和破壞模式的試驗(yàn)研究,將為其力學(xué)參數(shù)控制以及管壁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化提供依據(jù)。

關(guān)于玻璃鋼夾砂管材的力學(xué)性能和破壞模式,國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)展了較深入的研究,并取得豐富的研究成果。管材的壓縮強(qiáng)度和拉伸強(qiáng)度是主要的力學(xué)性能指標(biāo)之一,通常采用試樣法試驗(yàn)獲得,并研究試樣的破壞模式。王清洲等[11]通過(guò)在定長(zhǎng)纏繞生產(chǎn)的玻璃鋼夾砂管上裁取試樣,開(kāi)展包括壓縮性能、拉伸性能以及平行板外載性能在內(nèi)的一系列力學(xué)性能試驗(yàn),確定了壓縮試驗(yàn)條件下試樣的破壞載荷以及破壞模式,為玻璃鋼夾砂管材原材料優(yōu)化和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等提供了重要依據(jù)。張濟(jì)源[12]對(duì)壁厚50 mm、直徑1 500 mm公路玻璃鋼夾砂管的壓縮強(qiáng)度、壓縮彈性模量以及環(huán)剛度等力學(xué)性能指標(biāo)研究發(fā)現(xiàn),玻璃鋼夾砂管材的試驗(yàn)值遠(yuǎn)高于設(shè)計(jì)值,材料性能具有良好的安全儲(chǔ)備。靜載和動(dòng)載試驗(yàn)是確定玻璃鋼夾砂管最大破壞載荷和破壞模式的方法。任妍妍[13]依托施工現(xiàn)場(chǎng)對(duì)直徑1 500 mm、壁厚38 mm的公路玻璃鋼夾砂管涵開(kāi)展靜載和動(dòng)載試驗(yàn),結(jié)果表明,玻璃鋼夾砂管的徑向變形量以及作用在管道頂部的載荷與覆土厚度有著極大關(guān)系,變形量的控制對(duì)管涵服役性能至關(guān)重要。陳兆南等[14–15]采用室內(nèi)試驗(yàn)研究50 mm×50 mm×150 mm試樣的環(huán)向與軸向壓縮破壞過(guò)程,并且對(duì)壁厚50 mm、寬度300 mm、直徑1 500 mm的玻璃鋼夾砂管進(jìn)行無(wú)約束靜載試驗(yàn),結(jié)果表明,裂縫和層間分離是靜載荷作用下管材的主要破壞模式。除此之外,石華旺等[16]通過(guò)靜載試驗(yàn)和疲勞試驗(yàn)的方式研究玻璃鋼夾砂管的疲勞受力狀態(tài),研究結(jié)果表明,玻璃鋼夾砂管材在加載幅值4.17 kN、加載頻率2 Hz下,連續(xù)經(jīng)過(guò)250萬(wàn)次的疲勞作用,其力學(xué)性能未發(fā)生破壞,符合公路涵洞的使用標(biāo)準(zhǔn)。彎曲性能是更加符合管涵受力狀態(tài)的力學(xué)性能指標(biāo)。C. Affolter等[17]通過(guò)對(duì)單層夾砂層玻璃鋼夾砂管進(jìn)行一系列的室內(nèi)彎曲性能試驗(yàn)和管環(huán)靜載破壞試驗(yàn),確定了玻璃鋼夾砂管的基本力學(xué)性能和破壞載荷,探究了服役玻璃鋼夾砂管的破壞過(guò)程和破壞原因。

上述研究重點(diǎn)關(guān)注了玻璃鋼夾砂管材或試樣的壓縮和拉伸強(qiáng)度、疲勞性能、靜壓破壞模式等方面,針對(duì)弧形多夾砂層玻璃鋼夾砂管以及凹向和凸向加載方式下的彎曲性能和破壞模式研究鮮有報(bào)道。玻璃鋼夾砂管管材的彎曲性能是管壁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要指標(biāo),它表征圓形多層復(fù)合材料制品疊層復(fù)合后抵抗載荷的能力。由于載荷作用下多層復(fù)合結(jié)構(gòu)容易發(fā)生分層破壞,嚴(yán)重降低結(jié)構(gòu)的剛度和強(qiáng)度,確保管材的彎曲性能滿足要求是涵洞獲得良好服役性能的前提。因此,開(kāi)展凹向和凸向加載方式下多夾砂層玻璃鋼夾砂管彎曲性能測(cè)試與評(píng)價(jià),將為玻璃鋼夾砂管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和提升使用安全性提供重要依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要原料

玻璃鋼夾砂管：DN1500,壁厚50 mm,由不飽和聚酯樹(shù)脂、玻璃纖維、石英砂等原材料按照纏繞層(4層)和夾砂層(3層)交替設(shè)置,采用定長(zhǎng)纏繞工藝生產(chǎn)而成的多層復(fù)合材料管道,承德金豐建材有限責(zé)任公司。

1.2 主要儀器與設(shè)備

微機(jī)控制電液伺服萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)：WAW–1000型,配有三點(diǎn)彎曲夾具,上海三思縱橫機(jī)械制造有限公司；

游標(biāo)卡尺：TM004型,精度0.02 mm,南通市錦諾工量刃具有限公司。

1.3 試樣制備

玻璃鋼夾砂管管材彎曲性能測(cè)試試樣如圖1所示?；⌒卧嚇硬捎迷魄袡C(jī)切取自玻璃鋼夾砂管,尺寸為壁厚50 mm、寬度80 mm、長(zhǎng)度1 000 mm,試樣共制備四組,每組五個(gè)試樣。加工后的試樣管壁厚度均勻、截取斷面順直無(wú)缺陷,內(nèi)襯層與外纏繞層無(wú)缺損破壞。試驗(yàn)前采用游標(biāo)卡尺測(cè)量并記錄每個(gè)試樣的長(zhǎng)、寬和厚的實(shí)際尺寸,每個(gè)方向尺寸測(cè)量三個(gè)不同位置并取其平均值,控制誤差在±5 mm范圍內(nèi)。

圖1 玻璃鋼夾砂管管材彎曲性能測(cè)試試樣

1.4 性能測(cè)試與表征

玻璃鋼夾砂管管材試樣的彎曲性能按GB／T 1449–2005測(cè)試,彎曲強(qiáng)度加載速度為10 mm／min,彎曲彈性模量加載速度為2 mm／min,跨距800 mm,并利用SUNS Test Soft軟件系統(tǒng)自動(dòng)采集生成載荷–位移曲線。

試驗(yàn)加載過(guò)程中用相機(jī)持續(xù)拍攝并觀測(cè)試樣裂縫分布和發(fā)展趨勢(shì)以及記錄試樣的破壞過(guò)程。

試樣的凹向和凸向兩種加載方式如圖2所示。

圖2 彎曲性能試驗(yàn)

(1)彎曲強(qiáng)度計(jì)算。

彎曲強(qiáng)度計(jì)算公式為：

式中：σf——彎曲強(qiáng)度,MPa；

Pmax——最大載荷,N；

l——試樣跨距,mm；

h——試樣厚度,mm；

b——試樣寬度,mm。

利用萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)自帶的數(shù)據(jù)自動(dòng)采集功能,記錄試樣彎曲彈性模量測(cè)試過(guò)程中的載荷–位移曲線,根據(jù)式(2)計(jì)算得到已知應(yīng)變分別為0.002 5,0.000 5所對(duì)應(yīng)的試樣跨距中點(diǎn)處的位移,再根據(jù)載荷–位移曲線確定兩種位移下分別對(duì)應(yīng)的載荷值,計(jì)算得到相應(yīng)的彎曲應(yīng)力。試樣的彎曲彈性模量按式(3)計(jì)算：

式中：ε——應(yīng)變,%；

S——試樣跨距中點(diǎn)處的位移,mm。

式中：Ef——彎曲彈性模量,MPa；

σ?——應(yīng)變?chǔ)?=0.002 5時(shí)測(cè)得的彎曲應(yīng)力,MPa；

σ′——應(yīng)變?chǔ)拧?0.000 5時(shí)測(cè)得的彎曲應(yīng)力,MPa。

2 結(jié)果與討論

2.1 彎曲強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果與分析

表1和表2為凹向與凸向加載方式下試樣彎曲強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果。

表1 凹向加載方式下試樣彎曲強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果

表2 凸向加載方式下試樣彎曲強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果

由表1和表2可以看出,試樣凹向加載方式下的彎曲強(qiáng)度平均值為160.81 MPa,凸向加載時(shí)的彎曲強(qiáng)度平均值為116.41 MPa,凹向加載方式下的彎曲強(qiáng)度較凸向加載時(shí)提高了38.1%。凹向與凸向加載方式下,試樣破壞時(shí)的最大位移平均值分別為7.27 mm和7.31 mm,非常接近；凹向加載破壞時(shí)的最大載荷為28.97 kN,凸向加載破壞時(shí)的最大載荷為20.83 kN,存在較大差異,使得計(jì)算得到的兩種加載方式下的彎曲強(qiáng)度差異較大。不同加載方式下試樣產(chǎn)生的破壞方式差異是導(dǎo)致兩類彎曲強(qiáng)度大小不同的主要原因,凸向加載對(duì)管材受力更為不利。為保證管材設(shè)計(jì)的安全性,應(yīng)將凸向加載方式下試樣的彎曲強(qiáng)度作為管壁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的力學(xué)指標(biāo)。

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試驗(yàn)結(jié)果表明,由于受試樣尺寸、材料自身變異特性等因素的影響,5個(gè)試樣的彎曲強(qiáng)度值的測(cè)試結(jié)果之間存在一定差異,尤其是凸向加載方式下試樣的彎曲強(qiáng)度離散性更大,但各參數(shù)值仍然在合理范圍內(nèi),試驗(yàn)結(jié)果可以接受。后續(xù)將改善試樣加工工藝等因素,提升試驗(yàn)數(shù)據(jù)的精度和減少離散性。

2.2 彎曲彈性模量測(cè)試結(jié)果與分析

根據(jù)試驗(yàn)過(guò)程中系統(tǒng)自動(dòng)記錄的載荷–位移曲線,按照式(2)和式(3)計(jì)算得到凹向與凸向加載方式下試樣的彎曲彈性模量,結(jié)果見(jiàn)表3和表4。

由表3和表4可以看出,凹向加載方式下試樣的彎曲彈性模量平均值為7 932 MPa,凸向加載方式下彎曲彈性模量平均值為6 508 MPa,凹向加載方式下彎曲彈性模量較凸向加載時(shí)高出21.9%。此外,凹向加載方式下試樣的最大載荷平均值為28.38 kN,而凸向加載方式下試樣的最大載荷平均值為20.95 kN；凹向和凸向加載方式下試樣的最大位移平均值分別為7.31 mm和8.36 mm,凸向加載方式下試樣的最大位移平均值大于凹向加載方式,凹向加載方式下試樣的承荷能力明顯優(yōu)于凸向加載方式。在管涵實(shí)際服役中,載荷作用下管頂和管底位置是凸向加載方式,而管側(cè)位置是凹向加載方式,管頂和管底最先被破壞,是管涵最不利受力位置,這與先前的研究結(jié)論相吻合[11,14]。

表3 凹向加載方式下試樣彎曲彈性模量測(cè)試結(jié)果

表4 凸向加載方式下試樣彎曲彈性模量測(cè)試結(jié)果

2.3 彎曲破壞模式分析

(1)試樣載荷–位移曲線分析。

在凹向與凸向加載方式下,試樣的三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)得到的載荷–位移曲線如圖3所示。

由圖3a可以看出,凹向加載方式下的試樣在彎曲破壞之前無(wú)明顯屈服點(diǎn),為典型的脆性破壞特征。試樣從開(kāi)始加載至破壞的整個(gè)加載過(guò)程,位移隨著載荷不斷增加逐漸增大,載荷–位移曲線接近于線性增加的變化趨勢(shì),這表明弧形試樣在整個(gè)破壞過(guò)程中基本處于彈性變形階段,試樣表面并未發(fā)生明顯的裂縫和層間分離跡象；當(dāng)達(dá)到極限載荷之后,試樣瞬間斷裂并伴有清脆的響聲,載荷迅速下降至10 kN左右后趨于穩(wěn)定。

圖3 試樣荷載–位移曲線

由圖3b可以看出,凸向加載方式下試樣的載荷–位移曲線與凹向加載方式下明顯不同。在凸向加載方式下,試樣的載荷–位移曲線大致可分為彈性變形、裂縫發(fā)展和層間分離、屈服破壞三個(gè)階段,表現(xiàn)為多夾砂層剪切破壞后的試樣屈服破壞模式。第一階段為彈性變形階段,開(kāi)始加載至產(chǎn)生較小位移(≤2 mm)時(shí),載荷–位移曲線呈現(xiàn)出線性增長(zhǎng),該階段未出現(xiàn)肉眼能觀測(cè)到的裂縫。第二階段為裂縫發(fā)展和層間分離階段,試樣出現(xiàn)了較大的位移(2～4 mm),可以觀察到裂縫隨著載荷增加逐漸變寬、變長(zhǎng)的發(fā)展過(guò)程,并且能夠明顯觀察到纏繞層與夾砂層之間發(fā)生分層現(xiàn)象。由于裂縫發(fā)展和層間分離,導(dǎo)致管壁結(jié)構(gòu)應(yīng)力重新分布,載荷–位移曲線有明顯的波動(dòng)點(diǎn)存在,之后曲線基本保持線性增長(zhǎng)趨勢(shì),直至達(dá)到最大載荷值。由圖3b還可以看出,在試樣破壞過(guò)程中,第二階段波動(dòng)點(diǎn)出現(xiàn)的越遲,即試樣裂縫出現(xiàn)越晚,試樣的破壞載荷就越大。第三階段為屈服階段,當(dāng)達(dá)到最大載荷后,多個(gè)夾砂層發(fā)生剪切破壞,有明顯的貫通于各結(jié)構(gòu)層的裂縫出現(xiàn),這時(shí)載荷無(wú)法增加并且位移迅速增大,導(dǎo)致載荷逐漸下降,試樣呈現(xiàn)出塑性斷裂破壞特征。

(2)試樣破壞模式分析。

圖4和圖5分別為凹向和凸向加載方式下試樣的破壞過(guò)程。

圖4 凹向加載方式下試樣破壞過(guò)程

圖5 凸向加載方式下試樣破壞過(guò)程

在兩種加載方式下,試樣的彎曲破壞模式顯著不同。由圖4可以看出,在凹向加載方式下,夾砂層剪切破壞以及與纏繞層層間界面脫粘導(dǎo)致的試樣脆性破壞是其主要破壞模式。加載初期,試樣表面無(wú)明顯變化,未發(fā)現(xiàn)裂縫和層間分離現(xiàn)象；當(dāng)達(dá)到極限強(qiáng)度時(shí),凹向加載方式下試樣的全部夾砂層沿45°方向瞬間發(fā)生剪切破壞,同時(shí)夾砂層與纏繞層之間出現(xiàn)分離現(xiàn)象,形成貫通的斷面,但外側(cè)纏繞層未發(fā)生明顯的纖維與樹(shù)脂基體的拉伸斷裂破壞,這并非是全部層合板都失效的終層失效理論所認(rèn)為的破壞狀態(tài)。值得注意的是,夾砂層剪切破壞的位置并不是在加載壓頭的正下方,而是出現(xiàn)在距離加載壓頭中心點(diǎn)兩側(cè)約l／8附近。因此,提高各結(jié)構(gòu)層粘接強(qiáng)度和整體性,增加夾砂層的彎曲強(qiáng)度、拉伸強(qiáng)度拉和厚度對(duì)于提高玻璃鋼夾砂管的承載能力有著積極的作用。

由圖5可以看出,在凸向加載方式下,試樣經(jīng)歷裂縫發(fā)展、層間分離和屈服的漸進(jìn)失效歷程,破壞位置始終位于加載點(diǎn)正下方。施加載荷初期,加載壓頭正下方位置處試樣的纏繞層與夾砂層之間出現(xiàn)細(xì)小裂縫,隨著載荷的增加,裂縫增大并向兩側(cè)迅速發(fā)展,層間開(kāi)始分離,應(yīng)力出現(xiàn)重分布,此時(shí)載荷為7～14 kN。層間分離后,隨著載荷的持續(xù)增加,各結(jié)構(gòu)層獨(dú)自抵抗載荷,以剪切應(yīng)力為主。當(dāng)載荷超過(guò)夾砂層所能承受的極限剪應(yīng)力后,試樣發(fā)生沿45°方向的多夾砂層跨層剪切破壞,試樣進(jìn)入屈服階段。兩種加載方式下試樣彎曲性能試驗(yàn)所得到的破壞模式與圓形玻璃鋼夾砂管在靜載條件下的破壞模式相吻合[11]。

3 結(jié)論

(1)通過(guò)弧形玻璃鋼夾砂試樣的彎曲性能試驗(yàn),得到凹向和凸向加載方式下試樣的彎曲強(qiáng)度平均值分別為160.81,116.41 MPa,彎曲彈性模量平均值分別為7 932,6 508 MPa。推薦采用凸向加載方式確定的試樣彎曲強(qiáng)度作為管壁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的力學(xué)性能指標(biāo)。

(2)凹向和凸向加載方式顯著影響試樣的破壞模式。凹向加載方式試樣的破壞模式為脆性剪切破壞特征,破壞位置在距加載點(diǎn)兩側(cè)l／8處,而凸向加載方式試樣則經(jīng)歷裂縫發(fā)展、層間分離和最終屈服的漸進(jìn)失效破壞模式,破壞位置位于加載點(diǎn)處。

(3)凸向加載方式率先導(dǎo)致試樣破壞,與整管受載荷時(shí)管頂和管底位置的加載方式一致,為管涵受力的最不利位置。