多夾砂層玻璃鋼夾砂管涵的剪切性能及破壞模式

王清洲，梁瑛碩，張朝陽(yáng)，張志銀，肖成志

(河北工業(yè)大學(xué)土木與交通學(xué)院，天津 300401)

玻璃纖維增強(qiáng)塑料夾砂管(夾砂管)作為柔性復(fù)合材料管材，是在柔性玻璃鋼管的結(jié)構(gòu)層中引入多層較大厚度的樹(shù)脂砂層，多相多層的層疊結(jié)構(gòu)賦予其良好的剛度并減少了柔性管的塑性，保證了管涵具有抵抗荷載和減小工后沉降變形的埋地特性。受靜土壓力和交通荷載共同作用，夾砂管允許在較大變形條件下服役，其變形率可達(dá)3%～5%[1–2]。較大變形條件下服役期的管涵結(jié)構(gòu)內(nèi)部將產(chǎn)生高應(yīng)力，容易導(dǎo)致層間界面分層進(jìn)而發(fā)生夾砂層剪切破壞，這是管涵達(dá)不到設(shè)計(jì)服役壽命、過(guò)早發(fā)生破壞的關(guān)鍵原因[3–5]。因此，夾砂管材料的剪切性能是關(guān)系管涵服役耐久性的關(guān)鍵參數(shù)之一。針對(duì)柔性玻璃鋼夾砂管涵變形條件下的受力特性，采用管涵試樣的短梁剪切試驗(yàn)，研究荷載作用下夾砂管的層間剪切性能和破壞模式，探究多層結(jié)構(gòu)在變形荷載作用下的力學(xué)響應(yīng)機(jī)制，將為實(shí)際工程應(yīng)用中的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化和力學(xué)指標(biāo)控制提供參考。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在玻璃鋼夾砂管的力學(xué)性能和破壞模式方面開(kāi)展了較為深入的研究，取得了豐富的研究成果。王清洲等[6]通過(guò)對(duì)玻璃鋼夾砂管材試樣開(kāi)展包括抗壓試驗(yàn)、抗拉試驗(yàn)以及平載板性能試驗(yàn)在內(nèi)的一系列力學(xué)性能試驗(yàn)，探究了不同試樣類型和荷載作用下玻璃鋼夾砂管材的破壞模式和破壞機(jī)理。Affolter 等[7]等針對(duì)單層夾砂層玻璃鋼夾砂管涵開(kāi)展室內(nèi)力學(xué)性能試驗(yàn)，得到力學(xué)性能參數(shù)以及破壞模式，分析了管涵服役期內(nèi)產(chǎn)生故障的原因。陳兆南等[8]通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)研究了玻璃鋼夾砂管的受力特性和層間破壞情況，試驗(yàn)表明管壁內(nèi)外側(cè)相應(yīng)部位處于拉壓相反狀態(tài)。張濟(jì)源[9]試驗(yàn)研究壁厚50 mm、直徑1 500 mm 公路玻璃鋼夾管的壓縮強(qiáng)度、壓縮彈性模量以及環(huán)剛度等力學(xué)性能，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，具有良好的安全儲(chǔ)備。劉淑艷等[10]研究了拱形玻璃鋼夾砂試樣在凹凸兩種不同加載方式下的彎曲性能。研究結(jié)果表明，荷載作用下的凹向試樣破壞模式為脆性破壞，而凸向試樣破壞模式為漸進(jìn)失效破壞。Roham[11]采用有限元數(shù)值模型的方式探究了荷載作用下玻璃鋼夾砂管涵的損傷進(jìn)程和破壞機(jī)理，并通過(guò)模型程序改變模型參數(shù)，研究玻璃鋼夾砂管涵參數(shù)與其破壞模式和力學(xué)性能之間的關(guān)系。上述研究成果為明晰玻璃鋼夾砂管的破壞機(jī)理提供了幫助。復(fù)合材料的層間剪切強(qiáng)度是表征其力學(xué)性能的一項(xiàng)重要指標(biāo)，反應(yīng)了層合板在層間剪切應(yīng)力下的極限應(yīng)力?，F(xiàn)行的層間剪切強(qiáng)度的測(cè)試方法主要有短梁剪切法、雙切口剪切強(qiáng)度試驗(yàn)法、四點(diǎn)彎曲法以及非對(duì)稱四點(diǎn)彎曲法，應(yīng)根據(jù)材料屬性選取合適的試驗(yàn)方法。張璽等[12]采用短梁剪切法測(cè)試玻璃鋼/鎂合金復(fù)合板的層間剪切性能，研究表明界面粘接破壞是其層間剪切失效的主要破壞模式。周磊等[13]采用雙切口剪切強(qiáng)度試驗(yàn)法探究了鋪層結(jié)構(gòu)對(duì)樹(shù)脂基復(fù)合材料的影響，分析了層間剪切力失效模式。鄒愛(ài)玲等[14]針對(duì)聚乳酸(PLA)/芳綸纖維復(fù)合材料的工藝參數(shù)開(kāi)展層間剪切強(qiáng)度試驗(yàn)，確定了不同纖維取向、打印厚度和層數(shù)以及打印間距等參數(shù)對(duì)于復(fù)合材料層間剪切強(qiáng)度的影響。

然而，上述研究多關(guān)注于玻璃鋼夾砂管涵的拉伸強(qiáng)度、彎曲彈性模量、彎曲性能等力學(xué)性能指標(biāo)和破壞模式展開(kāi)，針對(duì)大變形條件下經(jīng)常出現(xiàn)的夾砂管剪切破壞模式和力學(xué)特性方面還缺乏系統(tǒng)深入的研究。層間剪切強(qiáng)度是管涵變形條件下受力的重要參數(shù)，以往的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中卻常常忽略。因此，開(kāi)展荷載作用下多夾砂層玻璃鋼夾砂管涵剪切性能的測(cè)試與評(píng)價(jià)，對(duì)于管壁結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)、確保結(jié)構(gòu)耐久性和安全性提供重要依據(jù)。

1 試驗(yàn)部分

1．1 主要原料

玻璃鋼夾砂管：DN1500，壁厚50 mm，由纏繞層(內(nèi)外各2 層)和夾砂層(3 層)交替疊加復(fù)合，并于管道最內(nèi)側(cè)設(shè)置內(nèi)襯層(1 層)，采用定長(zhǎng)纏繞工藝生產(chǎn)而成的多層復(fù)合材料管道，管道各層材料構(gòu)成及詳細(xì)參數(shù)見(jiàn)表1[15]，承德金豐建材有限責(zé)任公司。

表1 拱結(jié)構(gòu)各層材料構(gòu)成及參數(shù)要求

1．2 主要設(shè)備與儀器

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；

臺(tái)式云切機(jī)：DLX-9141 型，杭州德力西集團(tuán)有限公司；

游標(biāo)卡尺：TM004 型，南通錦諾工量刃具有限公司。

1．3 試樣制備

剪切性能試樣采用臺(tái)式云切機(jī)切取自玻璃鋼夾砂圓管，壁厚h=50 mm、寬度b=100 mm、長(zhǎng)度L=300 mm，切取有效試樣5 個(gè)，剪切性能試樣如圖1 所示。試樣的取位區(qū)應(yīng)避開(kāi)氣泡、分層、樹(shù)脂淤積褶皺以及翹曲等缺陷位置，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、外保護(hù)層等外觀無(wú)缺損破壞。試驗(yàn)前采用游標(biāo)卡尺(精度0.02 mm)量測(cè)并記錄每個(gè)試件長(zhǎng)、寬和壁厚的實(shí)際尺寸，每個(gè)方向量測(cè)3 個(gè)不同位置并取其平均值作為最終尺寸值，并控制試樣各邊的尺寸誤差在5 mm 內(nèi)。

圖1 玻璃鋼夾砂拱結(jié)構(gòu)剪切性能試樣

1．4 性能測(cè)試與表征

(1)力學(xué)性能測(cè)試。

玻璃鋼夾砂結(jié)構(gòu)試樣的層間剪切強(qiáng)度按照ASTM D 2344–2016 中短梁剪切試驗(yàn)方法測(cè)試[16]，加載速度為1 mm/min，跨距200 mm，加載過(guò)程中利用SUNS Test Soft 軟件系統(tǒng)自動(dòng)采集生成荷載-位移曲線，并利用相機(jī)持續(xù)拍攝、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。管材試樣的加載方式如圖2 所示。

圖2 剪切性能試驗(yàn)

(2)層間剪切強(qiáng)度計(jì)算方法。

管材試樣的層間剪切強(qiáng)度計(jì)算公式為：

式中：Fsbs——管材的層間剪切強(qiáng)度，MPa；

Pm——管材試樣的最大破壞荷載，N；

b——管材試樣的截面寬度，mm；

h——管材試樣的截面厚度，mm。

(3)離散系數(shù)計(jì)算方法。

測(cè)試管材試樣層間剪切強(qiáng)度時(shí)，其離散計(jì)算公式如下：

2 結(jié)果與討論

2．1 層間剪切強(qiáng)度的結(jié)果與分析

利用試驗(yàn)過(guò)程中自動(dòng)記錄得到的荷載-撓度曲線提取各試樣的最大破壞荷載值Pm以及量測(cè)得到的試樣尺寸，代入公式(1)中計(jì)算得到玻璃鋼夾砂管材試樣的層間剪切強(qiáng)度，試驗(yàn)數(shù)據(jù)和計(jì)算結(jié)果列于表2。由試驗(yàn)結(jié)果可知，管材試樣的層間剪切強(qiáng)度平均值為6.11 MPa，最大破壞荷載的平均值為42.92 kN，破壞時(shí)的最大位移平均值為5.59 mm。

此外，通過(guò)公式(3)和公式(4)計(jì)算得到管材試樣的離散系數(shù)可知，管材試樣最大位移的離散系數(shù)明顯較大。這主要是由于試樣的加工過(guò)程中整體材料均勻性較差，管材試樣的纏繞層與夾砂層之間首次破壞時(shí)對(duì)應(yīng)的位移值相差較大，從而導(dǎo)致最終破壞時(shí)的最大位移值的離散性較大。雖然最大位移值的離散性較大，但最大荷載值的離散性相對(duì)較小，由此可知，管材試樣的變形情況對(duì)于其承載能力影響并不明顯。

表2 玻璃鋼夾砂拱結(jié)構(gòu)試樣的層間剪切強(qiáng)度

2．2 荷載-位移曲線的結(jié)果與分析

玻璃鋼夾砂管材試樣層間剪切強(qiáng)度試驗(yàn)過(guò)程中，利用SUNS Test Soft 軟件系統(tǒng)自動(dòng)采集記錄荷載-位移曲線數(shù)據(jù)，如圖3 所示，試樣不同階段的荷載值見(jiàn)圖4。由圖3 可知，管材試樣在較小位移下(≤1.2 mm)，試樣處于第一階段即“彈性階段”，荷載-位移曲線基本呈現(xiàn)線性增長(zhǎng)趨勢(shì)，試樣表面無(wú)明顯破壞。隨著層間剪切試驗(yàn)持續(xù)進(jìn)行，試樣出現(xiàn)明顯的層間裂縫，試樣荷載-位移曲線進(jìn)入第二階段即“層間分離”階段。此時(shí)，分界點(diǎn)對(duì)應(yīng)的位移值基本介于1.5～4 mm 之間，位移值隨荷載增加而變大，荷載-位移曲線中的荷載值至少1～3 次的迭蕩，試樣先后出現(xiàn)破壞，即首次破壞與再次破壞，層間會(huì)有多條裂縫出現(xiàn)，并迅速發(fā)展，試樣表面可以觀察到夾砂層與纏繞層之間出現(xiàn)嚴(yán)重的層間分離現(xiàn)象，直至達(dá)到最大荷載值。期間荷載迅速下降較小的幅度后再次保持線性增長(zhǎng)，原因是試樣多次發(fā)生應(yīng)力重分布現(xiàn)象，直至達(dá)到最大荷載。試驗(yàn)達(dá)到最大荷載后，隨著加載持續(xù)，荷載值無(wú)法繼續(xù)增加，位移迅速增加，個(gè)別試樣的荷載-位移曲線出現(xiàn)震蕩過(guò)程，試樣進(jìn)入“屈服階段”，即最終破壞。此時(shí)，夾砂層開(kāi)始出現(xiàn)跨層剪切破壞現(xiàn)象，層間裂縫快速延伸擴(kuò)大并連通，試樣發(fā)生脆性斷裂破壞。

圖3 層間剪切荷載-位移曲線

圖4 試樣各階段的破壞荷載值

由圖4 可知，試樣彈性階段和層間分離階段的荷載值約是最終破壞荷載值的46.9%，60.6%，對(duì)應(yīng)階段的位移值約是最終破壞位移值的35.7%，47.2%。5 個(gè)試樣中前兩個(gè)階段分界點(diǎn)位置對(duì)應(yīng)的荷載值以及位移值大小較為分散，尤其是試樣在各階段分界點(diǎn)處的位移值差異較大，通常前兩個(gè)階段分界點(diǎn)出現(xiàn)越晚的試樣，最終破壞時(shí)對(duì)應(yīng)的位移值則越大，試樣的柔韌性越好。另外，雖然5 個(gè)試樣加載破壞歷程差別較大，但試樣最終破壞時(shí)對(duì)應(yīng)的荷載值卻非常接近，能夠較統(tǒng)一地代表試樣的剪切破壞強(qiáng)度。

2．3 試樣的剪切破壞模式

在試樣加載過(guò)程中，利用相機(jī)持續(xù)跟蹤記錄試樣破壞過(guò)程，圖5 為試樣的層間剪切破壞過(guò)程及位置。由圖5a 可知，采用短梁剪切法對(duì)管材試樣連續(xù)加載發(fā)現(xiàn)，試樣的夾砂層與纏繞層之間最先出現(xiàn)層間分離現(xiàn)象。這主要是由于荷載作用下導(dǎo)致試樣內(nèi)部出現(xiàn)較高的內(nèi)應(yīng)力，而層間是不同材料性質(zhì)的連接部位，也是粘接強(qiáng)度最薄弱的環(huán)節(jié)，當(dāng)層間應(yīng)力大于夾砂層與纏繞層之間的粘結(jié)強(qiáng)度時(shí)，層間界面的樹(shù)脂脫粘，并沿層間界面逐漸擴(kuò)展延伸直至發(fā)展成層間裂縫，導(dǎo)致層間分離，這是剪切試樣首次破壞和再次破壞產(chǎn)生的原因。隨著萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)的荷載繼續(xù)增加，層間裂縫持續(xù)擴(kuò)大和延伸，夾砂層出現(xiàn)剪切裂縫并跨過(guò)纏繞層向相鄰?qiáng)A砂層延伸。貫通多個(gè)夾砂層的裂縫，與加載方向成45°角，多分布在加載點(diǎn)的兩側(cè)，成對(duì)稱分布。此時(shí)荷載值呈下降趨勢(shì)，位移值快速上升，剪切試樣最終破壞?？缭蕉鄪A砂層的貫通裂縫出現(xiàn)是剪切破壞的典型破壞模式，此時(shí)荷載值無(wú)法繼續(xù)增加，試樣發(fā)生屈服破壞。玻璃鋼夾砂管涵試樣在荷載作用下發(fā)生剪切破壞的過(guò)程中，試樣纏繞層內(nèi)部并未發(fā)生明顯的層間分離、纖維斷裂等破壞現(xiàn)象，這主要是由于纏繞層的抗彎、抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)高于夾砂層，因此當(dāng)保證試樣剛度和強(qiáng)度的夾砂層發(fā)生剪切破壞時(shí)，對(duì)于纏繞層結(jié)構(gòu)并無(wú)明顯破壞。

圖5 玻璃鋼夾砂試樣剪切破壞

圖5b 則顯示了玻璃鋼夾砂管材試樣的砂層剪切破壞位置與發(fā)展趨勢(shì)。相較于管材彎曲破壞模式下的夾砂層剪切位置不同，層間剪切破壞模式下的砂層剪切位置位于加載壓頭的正下方，裂縫由上至下沿45°方向逐漸發(fā)展，形成貫通多個(gè)夾砂層的剪切破壞模式。由于裂縫總是首先出現(xiàn)在層間界面的薄弱環(huán)節(jié)，因此，各結(jié)構(gòu)層之間的粘結(jié)強(qiáng)度、樹(shù)脂質(zhì)量和浸潤(rùn)程度對(duì)于玻璃鋼夾砂管材抵抗層間剪切破壞至關(guān)重要。

3 結(jié)論

(1)通過(guò)玻璃鋼夾砂管試樣的短梁剪切性能試驗(yàn)，得到荷載作用下試樣的剪切強(qiáng)度均值為6.11 MPa，最大破壞荷載的平均值為42.92 kN，破壞時(shí)試樣的最大位移平均值為5.59 mm。根據(jù)離散系數(shù)可知，剪切試驗(yàn)中試樣的位移值與管材剪切強(qiáng)度無(wú)關(guān)，但在一定程度上影響了試樣的破壞進(jìn)程。

(2)試樣的剪切破壞歷程分為彈性階段、層間分離、屈服三個(gè)階段。在荷載作用下試樣由無(wú)明顯破壞、層間裂縫、跨砂層貫通的剪切裂縫逐漸發(fā)展，直至完全剪切破壞。其中纏繞層與夾砂層的層間界面是夾砂管涵受力最薄弱的位置，最先破壞。

(3)試樣的破壞模式為先層間分離后砂層剪切破壞模式。荷載作用下管涵試樣在層間粘結(jié)位置先后發(fā)生兩次以上的層間分離破壞，在加載壓頭正下方的夾砂層出現(xiàn)沿45°方向貫通的跨層剪切破壞裂縫，然而纏繞層未見(jiàn)明顯破壞。

(4)玻璃鋼夾砂管涵的層間破壞強(qiáng)度相對(duì)較小。在剪切荷載的作用下，層間率先出現(xiàn)分層破壞現(xiàn)象，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)整體應(yīng)力重分布，嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)剛度。因此提升玻璃鋼復(fù)合材料的層間剪切強(qiáng)度對(duì)其至關(guān)重要。