玻璃纖維增強(qiáng)聚氨酯基復(fù)合材料圓管彎曲性能試驗(yàn)研究

劉洪波,董雅喬,高紅帥,*,李長平,李春瑋,王 策

(1.黑龍江大學(xué) 建筑工程學(xué)院，哈爾濱 150080; 2.中國鐵塔股份有限公司 黑龍江省分公司，哈爾濱 150040;3.東北林業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，哈爾濱 150040; 4.北京明嘉匯科科技有限公司，北京 100143)

0 引 言

玻璃纖維增強(qiáng)聚氨酯基復(fù)合材料(glass fiber reinforced polyurethane composite，簡稱GFRP)管材是由連續(xù)玻璃纖維與聚氨酯基體按照一定的比例經(jīng)過纏繞或者擠壓工藝形成的新型復(fù)合材料[1]。GFRP管材與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)材料(鋼材和混凝土)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)：①輕質(zhì)高強(qiáng)，比強(qiáng)度很高，能夠有效減少結(jié)構(gòu)自重；②耐久性能好，在惡劣使用環(huán)境中(例如工業(yè)廢水、酸雨、海洋、凍融循環(huán)和高溫高濕環(huán)境等)保持較好的使用性能，有利于延長結(jié)構(gòu)使用壽命，降低后期維護(hù)成本；③恢復(fù)能力較強(qiáng)，材料的應(yīng)力—應(yīng)變曲線近似線性，發(fā)生較大變形后仍可以恢復(fù)原狀；④成型方便，可設(shè)計(jì)性強(qiáng)，可根據(jù)不同需求靈活設(shè)計(jì)GFRP材料的形狀[2]。

GFRP桿件目前已經(jīng)應(yīng)用到各個領(lǐng)域，在房屋建筑中可采用GRFP桿件替代部分鋼構(gòu)件;在橋梁領(lǐng)域中GFRP可作為拉索和纜索結(jié)構(gòu)，或者直接作為主梁;在電力領(lǐng)域中可替代傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)的輸電桿塔;在通訊領(lǐng)域中可替代傳統(tǒng)鐵塔。

目前國內(nèi)外學(xué)者對FRP桿件進(jìn)行了研究。Sami A等[3-5]對FRP塔進(jìn)行了試驗(yàn)研究和有限元分析，將81 m的FRP塔和鋼塔進(jìn)行了對比，結(jié)果證實(shí)FRP塔更經(jīng)濟(jì)。Ahmed G等[6]測試了不同截面形式的FRP桿件的力學(xué)性能，對輸電門式FRP剛架的設(shè)計(jì)方案和經(jīng)濟(jì)成本進(jìn)行估算，探討了采用FRP桿件取代傳統(tǒng)的輸電線路材料(鋼、木和混凝土)的可行性。Martins D等[7-8]對GFRP框架結(jié)構(gòu)及其梁柱節(jié)點(diǎn)的循環(huán)和滯回性能進(jìn)行試驗(yàn)和有限元分析，改進(jìn)梁柱節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)。詹瑒等[9-10]對FRP型材的基本力學(xué)性能進(jìn)行試驗(yàn)研究，設(shè)計(jì)了新型全FRP節(jié)點(diǎn)，并對FRP格構(gòu)柱進(jìn)行系統(tǒng)的研究。陳思鵬[11]對GFRP桁架橋的結(jié)構(gòu)體系及連接方式進(jìn)行有限元分析和試驗(yàn)，對GFRP桁架橋的結(jié)構(gòu)特征和受力性能進(jìn)行系統(tǒng)研究。張文靜[12]、馬輝等[13]、林士凱等[14]、屈成忠等[15]研究了復(fù)合材料桿塔結(jié)構(gòu)在輸電塔的應(yīng)用，系統(tǒng)分析其力學(xué)性能和應(yīng)用效果。

雖然對FRP桿件的研究較多，但一般將FRP作為結(jié)構(gòu)的某一個桿件，并沒有對其作為一個整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。GFRP圓管可單獨(dú)作為一個結(jié)構(gòu)承受外界荷載，例如圓管輸電塔、圓管通訊塔、路燈桿等，主要承受水平荷載，表現(xiàn)為彎剪受力模式。

為了模擬GFRP圓管的彎剪受力模式，本文進(jìn)行了單點(diǎn)直接彎曲試驗(yàn)。對玻璃纖維增強(qiáng)聚氨酯基復(fù)合材料的組成材料、制備工藝和材料配比進(jìn)行介紹，設(shè)計(jì)了直接彎曲試驗(yàn)，詳細(xì)描述了試驗(yàn)加載過程和測點(diǎn)布置，對試驗(yàn)梁的受力破壞過程、荷載—位移曲線和荷載—應(yīng)變曲線進(jìn)行分析，最后根據(jù)相關(guān)規(guī)范對GFRP圓管局部屈服抗彎承載力進(jìn)行計(jì)算。

1 玻璃纖維增強(qiáng)聚氨酯基復(fù)合材料

1.1 玻璃纖維

玻璃纖維是應(yīng)用最早的一種增強(qiáng)材料，直徑一般為5～20 μm，具有高強(qiáng)度、高延伸率等優(yōu)點(diǎn)，可編織成型。玻璃纖維的彈性模量較低，與金屬鋁相近，基本性能見表1。玻璃纖維由美國Owens Corning生產(chǎn)，型號為PulStrand?4100 Type 30?，具有快速潤濕、易于加工、承載力高、層壓性能良好和抗腐蝕能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，是專門為拉擠而設(shè)計(jì)的單端粗紗，可與多種樹脂協(xié)同工作。

表1 玻璃纖維的基本性能

1.2 聚氨酯

本試驗(yàn)中的聚氨酯為雙組份，采用多元醇組合料(型號為CR4555/100C-A，俗稱白料)和異氰酸酯組合料(型號為CR4555/100C-B，俗稱黑料)混合形成，由巴斯夫聚氨酯有限公司生產(chǎn)。

1.3 制備過程

玻璃纖維增強(qiáng)聚氨酯基復(fù)合材料采用纏繞成型工藝進(jìn)行制作，把玻璃纖維浸漬聚氨酯膠液后，在一定張力的作用下按照設(shè)計(jì)的纏繞方式纏繞到芯模上，然后在常溫下固化，可以制作玻璃纖維增強(qiáng)聚氨酯基復(fù)合材料圓管，固化時間約為30 min。

1.4 各組成材料配比

GFRP圓管中玻璃纖維和聚氨酯的配比為(0.60～0.65)∶(0.40～0.35),聚氨酯中兩種組份CR4555/100C-A和CR4555/100C-B的配比為0.52∶0.48。

2 彎曲性能試驗(yàn)

2.1 試件制備

圓管試驗(yàn)梁的長度為104 cm，計(jì)算跨徑為90 cm，壁厚為10 mm。直徑由23.5 cm線性增加到25 cm，徑厚比D/Tw為23.5～25。圓管試驗(yàn)梁具體尺寸見圖1。

2.2 試驗(yàn)加載

為模擬直接彎曲的受力模式，圓管試驗(yàn)梁采用簡支結(jié)構(gòu)，加載方式采用跨中單點(diǎn)加載。為避免加載點(diǎn)以及支座處局部承壓，在加載點(diǎn)處墊有板式橡膠支座以保證受力均勻。在支點(diǎn)處墊有鋼板，鋼板上墊有橡膠支座，同時采用薄橡膠墊調(diào)整試驗(yàn)梁的高度以保證試驗(yàn)梁水平，見圖2。

圖2 局部承壓防護(hù)墊板

為防止圓管試驗(yàn)梁在水平面滾動，圓管兩側(cè)加載點(diǎn)附近設(shè)有相應(yīng)限位裝置。加載裝置見圖3。加載設(shè)備采用機(jī)械式千斤頂，由千斤頂及反力支架施加壓力，壓力傳感器測定荷載值，兩支座中心間距為 90 cm，千斤頂中心位于試驗(yàn)梁中心。

圖3 試驗(yàn)加載裝置

在試驗(yàn)前，施加約0.5 kN的預(yù)加力，然后分別加載和釋放3次，盡量消除試驗(yàn)裝置內(nèi)部存在的縫隙，以確保在支點(diǎn)和加載點(diǎn)處保持緊密接觸。在預(yù)加載過程中先調(diào)試安裝的測試儀器，確保所有測試儀器在正式加載過程中正常工作。

2.3 測點(diǎn)布置

2.3.1 位移測點(diǎn)

位移計(jì)采用LVDT，布置在試驗(yàn)梁跨中底面和兩側(cè)支點(diǎn)的頂面，共設(shè)置3個，布置位置見圖4。

圖4 位移計(jì)布置圖(cm)

2.3.2 應(yīng)變測點(diǎn)

采用寬度為3 mm，標(biāo)距長度為100 mm的電阻應(yīng)變片，型號為BX120-100A。粘貼應(yīng)變片前應(yīng)對GFRP圓管的表面進(jìn)行處理，先對粘貼應(yīng)變片的位置進(jìn)行輕輕打磨，然后用酒精擦除浮沉，干燥后粘貼應(yīng)變片。

1)跨中位置應(yīng)變測點(diǎn)。在圓管跨中環(huán)向水平布置7個應(yīng)變片，測點(diǎn)編號分別M1、M2(M2′)～M4(M4′)，見圖5。M1測點(diǎn)位于跨中底面，M2(M2′)～M4(M4′)6個測點(diǎn)沿高度方向?qū)ΨQ布置。

圖5 跨中應(yīng)變測點(diǎn)布置(cm)

2)加載點(diǎn)附近應(yīng)變測點(diǎn)。由于GFRP圓管是典型的薄壁結(jié)構(gòu)，加載點(diǎn)附近存在集中力的作用，可能出現(xiàn)受壓局部屈曲失穩(wěn)的現(xiàn)象。在加載點(diǎn)兩側(cè)的截面布置環(huán)向的應(yīng)變測點(diǎn)，每個截面布置4個測點(diǎn)，共布置8個測點(diǎn)。L1、L2(L2′)、L3布置在左側(cè)截面A上，R1、R2(R2′)、R3布置在右側(cè)截面B上，見圖6。

圖6 加載點(diǎn)附近應(yīng)變測點(diǎn)布置(cm)

3)受壓區(qū)應(yīng)變測點(diǎn)。GFRP圓管上方是試驗(yàn)梁的受壓區(qū)。沿試驗(yàn)梁長度方向依次布置4個應(yīng)變測點(diǎn)，關(guān)于跨中截面對稱，兩側(cè)編號分別為TL1、TL2和TR1、TR2。TL和TR測點(diǎn)關(guān)于跨中截面對稱布置，與試驗(yàn)梁長度方向垂直，見圖7。

圖7 受壓區(qū)應(yīng)變測點(diǎn)布置(cm)

4)斜截面應(yīng)變測點(diǎn)。加載點(diǎn)和支點(diǎn)之間的梁段是剪跨區(qū)域，兩者之間連線附近主應(yīng)力較大。應(yīng)變片布置在與連線垂直的位置上，左側(cè)測點(diǎn)編號為SL1(SL1′)、SL2(SL2′)，右側(cè)測點(diǎn)編號為SR1(SR1′)、SR2(SR2′)，見圖8。

圖8 斜截面應(yīng)變測點(diǎn)布置(cm)

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 試驗(yàn)現(xiàn)象分析

圓管試驗(yàn)梁的加載過程可分為3個階段(圖9)。

第1個階段：試驗(yàn)梁整體變形階段。試驗(yàn)荷載從0逐漸增加到45 kN的過程，試驗(yàn)梁基本保持整體下?lián)希惺芗辛Φ目缰泻椭c(diǎn)位置的截面基本保持圓形，見圖9(a)。

第2個階段：試驗(yàn)梁局部屈服變形階段。試驗(yàn)荷載從45 kN逐漸增加到50 kN的過程，加載點(diǎn)附近位置的玻璃纖維會出現(xiàn)斷絲現(xiàn)象，加載點(diǎn)下方和支點(diǎn)上方的圓管開始發(fā)生局部屈服失穩(wěn)，圓管開始向內(nèi)凹陷，下側(cè)位移加速增長。隨著荷載的增大，凹陷程度越來越大。當(dāng)荷載達(dá)到63.3 kN后，左側(cè)支點(diǎn)處圓管(直徑小)局部屈曲失穩(wěn)破壞，發(fā)生坍塌，結(jié)束加載，坍塌深度約為6.5 cm，復(fù)合材料出現(xiàn)剪切分層現(xiàn)象，見圖9(b)。試驗(yàn)梁的破壞形式為局部屈服褶皺破壞。

第3個階段：試驗(yàn)梁卸載變形恢復(fù)階段。卸載后，支點(diǎn)處和加載點(diǎn)區(qū)域發(fā)生屈曲失穩(wěn)破壞的地方經(jīng)過10～30 min后，變形基本可以完全恢復(fù)，但會留下壓壞的痕跡，見圖9(c)。

圖9 試驗(yàn)梁加載過程

3.2 位移試驗(yàn)結(jié)果分析

圓管試驗(yàn)梁加載過程的荷載—位移曲線見圖10，荷載—位移曲線可分為3個階段：

圖10 荷載—位移曲線

第1個階段：線性增長階段。試驗(yàn)荷載加載到45 kN之前，隨著荷載的增加，位移保持線性增長?？缰泻妥髠?cè)支點(diǎn)位移相近，右側(cè)支點(diǎn)位移較小，可能是由于右側(cè)支點(diǎn)截面尺寸較大，剛度較大。

第2個階段：局部屈服失穩(wěn)階段。試驗(yàn)荷載達(dá)到45 kN，荷載繼續(xù)增加，位移增長速度加快，持續(xù)到荷載達(dá)到50 kN。在此階段，加載點(diǎn)和支點(diǎn)附近的薄壁圓管開始發(fā)生屈服失穩(wěn)，造成彎曲剛度減小，位移增加?？缰形灰朴?.5 mm增加到13.1 mm，增加了3.6 mm，這是圓管的整體變形，圖9(b)圓管加載點(diǎn)附近的局部變形豎向位移約為4 cm，可見跨中整體位移小于加載點(diǎn)附近的局部變形。

第3個階段：強(qiáng)化階段。當(dāng)試驗(yàn)荷載大于50 kN后，位移隨著荷載的增加，速度減慢，基本保持線性增長，說明局部屈服失穩(wěn)狀態(tài)達(dá)到穩(wěn)定，試驗(yàn)梁的剛度有所恢復(fù)。試驗(yàn)荷載達(dá)到63.3 kN時，左側(cè)支點(diǎn)發(fā)生局部脆性屈曲失穩(wěn)現(xiàn)象，試驗(yàn)梁破壞。

3.3 應(yīng)變試驗(yàn)結(jié)果分析

3.3.1 跨中位置應(yīng)變分析

試驗(yàn)梁跨中截面的荷載—應(yīng)變曲線見圖11。由圖11可見，試驗(yàn)荷載從0達(dá)到45 kN的過程中，各測點(diǎn)應(yīng)變保持線性增長，上部的M2～M4、M2′～M4′應(yīng)變很小，僅達(dá)到360 με，這可能是由于圓管發(fā)生橫向變形導(dǎo)致的。但M1的應(yīng)變增長速度較快，達(dá)到1 360 με。試驗(yàn)荷載大于45 kN后，加載點(diǎn)附近發(fā)生屈服，靠近屈服區(qū)域附近的M4和M4′應(yīng)變數(shù)值變化最大，由拉應(yīng)變改變?yōu)閴簯?yīng)變，最終達(dá)到-2 250 με；M2和M2′、M3和M3′的應(yīng)變的變化速度加快；但M1測點(diǎn)的應(yīng)變增長速度很慢。加載點(diǎn)附近發(fā)生局部屈服前，結(jié)構(gòu)基本保持整體變形，下部的應(yīng)變增長較快，但出現(xiàn)屈服現(xiàn)象后，以局部變形為主，對屈服區(qū)域附近的應(yīng)變影響很大，整體變形也增大，底面的應(yīng)變增長緩慢，說明發(fā)生局部屈服后，試驗(yàn)梁的抗彎承載力快速減小。

圖11 跨中位置荷載—應(yīng)變曲線

3.3.2 加載點(diǎn)附近應(yīng)變分析

試驗(yàn)梁加載點(diǎn)附近截面的荷載—應(yīng)變曲線見圖12。由圖12可見，達(dá)到屈服荷載后，左側(cè)截面的測點(diǎn)L3首先發(fā)生破壞，然后右側(cè)截面的測點(diǎn)R2′和左側(cè)截面的測點(diǎn)L2發(fā)生破壞，這是由于發(fā)生屈服后，局部變形過大，玻璃纖維出現(xiàn)斷絲現(xiàn)象。加載到45 kN前，各測點(diǎn)應(yīng)變保持線性增加，但荷載繼續(xù)加大，結(jié)構(gòu)開始出現(xiàn)局部屈服，加載點(diǎn)附近區(qū)域失穩(wěn)，應(yīng)變開始發(fā)生較大變化。

圖12 加載點(diǎn)附近截面荷載—應(yīng)變曲線

3.3.3 受壓區(qū)應(yīng)變分析

受壓區(qū)沿試驗(yàn)梁長度方向的荷載—應(yīng)變曲線見圖13。由圖13可見，在加載到45 kN之前，各測點(diǎn)應(yīng)變近似呈線性增加，當(dāng)荷載繼續(xù)加大，結(jié)構(gòu)開始出現(xiàn)屈服，加載點(diǎn)局部區(qū)域變形很大，靠近屈服變形區(qū)域的測點(diǎn)TL2和TR2應(yīng)變急劇增大，遠(yuǎn)離屈服變形區(qū)域的TL1和TR1應(yīng)變增加速度加快，但增加幅度較小。

圖13 受壓區(qū)沿梁方向荷載—應(yīng)變曲線

受壓區(qū)垂直于試驗(yàn)梁長度方向的荷載—應(yīng)變曲線見圖14。由圖14可見，在加載到45 kN之前，左右兩個測點(diǎn)的應(yīng)變近似呈線性增加，左側(cè)表現(xiàn)為受壓，右側(cè)變現(xiàn)為受拉，左側(cè)應(yīng)變的增長速率大于右側(cè)。當(dāng)荷載繼續(xù)增大，結(jié)構(gòu)出現(xiàn)屈服，左右兩個測點(diǎn)應(yīng)變增加速長加快。

圖14 受壓區(qū)垂直梁方向荷載—應(yīng)變曲線

3.3.4 斜截面應(yīng)變分析

斜截面測點(diǎn)布置在試驗(yàn)梁支點(diǎn)向跨中加載點(diǎn)兩側(cè)的橢圓形截面上。由于剪壓區(qū)的存在，可能會出現(xiàn)斜裂縫，應(yīng)變片布置在垂直于加載點(diǎn)和支點(diǎn)的連線上。剪跨區(qū)斜截面的荷載—應(yīng)變曲線見圖15。由圖15可見，在加載到45 kN之前，各測點(diǎn)應(yīng)變近似呈線性增加，當(dāng)荷載繼續(xù)加大，結(jié)構(gòu)開始出現(xiàn)屈服，各測點(diǎn)的應(yīng)變開始快速增加，說明GFRP圓管發(fā)生局部屈服后，抗剪承載力快速下降。

圖15 剪跨區(qū)斜截面荷載—應(yīng)變曲線

4 GRFP圓管局部屈服抗彎極限承載力

4.1 各國規(guī)范對薄壁圓管局部屈服抗彎承載力的規(guī)定

1)美國ANSI/AISC 360-10規(guī)范[16]中根據(jù)受彎情況下發(fā)生局部屈服的特征將圓管截面劃分為3類，見表2。

表2 圓管截面分類

表中λ為徑厚比，λP和λr為厚實(shí)截面和纖細(xì)截面的臨界徑厚比，表達(dá)式為

(1)

式中：D為鋼管外徑;t為圓管厚度；E為彈性模量；Fy為屈服強(qiáng)度。

不同類型截面的名義彎矩Mn的表達(dá)式為

(2)

式中：Fcr為臨界屈服應(yīng)力；Z為塑性截面模量；S為彈性截面模量。

2)澳大利亞AS4100規(guī)范[17]與美國ANSI/AISC 360-10規(guī)范相似，根據(jù)徑厚比λ對截面進(jìn)行分類，λ的表達(dá)式為

(3)

不同類型截面的名義彎矩Mn的表達(dá)式為

Mn=FyZe

(4)

其中Ze為有效截面模量，取值見表3。

表3 有效截面模量取值

4.2 GFRP圓管局部屈服抗彎承載力計(jì)算

將GFRP薄壁圓管的破壞模式與哈爾濱工業(yè)大學(xué)楊詩君對大徑厚比薄壁圓鋼管[18]的破壞模式進(jìn)行對比，可見兩者均在受壓區(qū)發(fā)生內(nèi)陷屈曲破壞。雖然美國AISC和澳大利亞AS4100規(guī)范都是對薄壁圓鋼管進(jìn)行計(jì)算，但可作為參考計(jì)算GFRP圓管的局部屈服抗彎承載力。

GFRP圓管試驗(yàn)梁的徑厚比為23.5～25，屬于厚實(shí)截面， GFRP材料沒有明顯的屈服強(qiáng)度，按其層間剪切強(qiáng)度的30%進(jìn)行取值。玻璃纖維增強(qiáng)聚氨酯基復(fù)合材料的層間剪切強(qiáng)度為92 MPa，屈服強(qiáng)度Fy=92 MPa×30%=27.6 MPa。塑性截面模量為彈性截面模量乘以截面塑性發(fā)展系數(shù)λ，此處λ取值為1，因此Z=λS=399 cm3。

圓管試驗(yàn)梁的計(jì)算屈服抗彎承載力為

Mn=FyZ=11 012 N·m

圓管試驗(yàn)梁的實(shí)測屈服抗彎承載力為：

MT=FL=10 125 N·m

圓管試驗(yàn)梁的實(shí)測局部屈服抗彎承載力與計(jì)算局部屈服抗彎承載力的比值為91.9%，相差不到10%。

5 結(jié) 論

GFRP圓管可以作為整體構(gòu)件替代鋼結(jié)構(gòu)的圓管輸電塔、圓管通訊塔、路燈桿等，主要承受由風(fēng)荷載引起的彎剪作用，通過GFRP圓管的直接彎曲試驗(yàn)研究和局部屈服抗彎極限承載力的分析，可以得到以下結(jié)論：

1)較小荷載作用下GFRP圓管的變形表現(xiàn)為整體變形，荷載達(dá)到屈服荷載后，GFRP圓管的變形以局部屈服變形為主，最終復(fù)合材料出現(xiàn)層間剪切分層現(xiàn)象，發(fā)生局部屈服破壞。

2)發(fā)生局部屈服破壞的GFRP圓管卸載后基本能夠完全恢復(fù)變形，具有很強(qiáng)的恢復(fù)能力。

3)GFRP圓管荷載—位移曲線和荷載—變形曲線在較小荷載時保持線性增長，到達(dá)局部屈服荷載后，曲線增長速度加快，說明局部屈服導(dǎo)致整體剛度減小，局部屈服穩(wěn)定后出現(xiàn)強(qiáng)化現(xiàn)象，曲線增長速度減慢。

4)美國ANSI/AISC 360-10和澳大利亞AS4100規(guī)范計(jì)算GFRP圓管的局部屈服抗彎承載力與試驗(yàn)值相差小于10%，計(jì)算精度可以滿足工程需求。