齿槽泡桐木夹层结构界面性能试验研究.doc

竹-木-GFRP叠层梁的受弯试验及理论研究 陈林，刘伟庆，方海 （南京工业大学土木学院，先进工程复合材料研究中心，江苏 南京 211816） 摘要：采用毛竹材部分代替GFRP面层，并与泡桐木芯材胶合，制备了竹-木-GFRP叠层梁，进行四点弯加载试验，研究竹材与GFRP的加固效果、破坏形式等。利用换算截面方法计算竹-木-GFRP叠层梁的受弯性能，并与有限元软件仿真结果和试验结果对比，比较结果十分吻合。 关键字：竹；GFRP；四点弯曲试验；换算截面法 中图分类号：TB33；TU41A 当地震、洪水等灾害发生时现有道面工程遭到破坏，则需要紧急修补将物资与人员快速运送转移。可事先按一定模数制备复合材料道板，紧急情况发生时，即可在沼泽等恶劣的场地条件下将其快速拼装，形成可供的另外，该复合材料道板也可用于民用工程，如： 图1 复合材料桥梁快速吊装 玻璃纤维增强复合材料(GFRP)，具有较高的比强度、比刚度、良好的抗疲劳性能、耐化学腐蚀性能等特点，目前正引起国内外军事部门与民用部门的高度重视[1]。国外已经广泛将GFRP用于桥面板的建设，如美国的EZspan系统、Superdeck系统、DuraSpan系统及Strongwell系统等[2]。它们都为纯GFRP拉挤型材桥面板，造价高，自重大，难以在国内桥梁建设中推广。 竹材具有优良的物理力学性能，材料的来源广泛，可与高密度的阔叶材相媲美。静曲强度、 弹性模量是一般木材的2倍左右，可迅速再生。而且竹材具有较高的比强度，可达钢材的3~6倍，远胜于混凝土等材料，竹材变形能力强，同时又具有很好的弹性与韧性，在经历较大荷载后的恢复能力强，残余变形小。因此，竹材具有非常好的应用前景[3]。 采用毛竹碳化平压竹板部分替代GFRP，与泡桐木芯材胶合制成竹-木-GFRP夹芯叠层桥面板，能发挥GFRP的高强度和高模量；加入的竹材能降低桥面板的成本；使用轻质泡桐木芯材可以降低桥面板的重量，在灾害时发挥其高机动性。 因为单向桥面板受力是按照简支梁受弯来计算的，考虑到节约成本，设计和制备4个梁试件，进行了四点弯静载试验，旨在研究：1，芯材纤维方向对梁弯曲性能的影响。2，竹、GFRP对梁芯材的增强效果。最后提出了换算截面法作为叠层梁设计的简化方法，并与试验数据以及有限元模拟结果对比，验证了该方法的正确性。 1 试件制备及试验结果 1.1 试件设计及试验方法 设计试件如表1。其中，PH-Z、PS-Z、PS-F为夹层梁，PS-Z-F为竹-木-GFRP叠层梁。试件长度均为1100mm，宽度均为150mm。厚度及材料说明如表1： 表1试件尺寸 试件 材料说明 PH-Z 60 48mm横纹泡桐木+上下6mm竹面层 PS-Z 60 48mm竖纹泡桐木+上下6mm竹面层 PS-F 54 48mm竖纹泡桐木+上下3mmGFRP面层 PS-Z-F 66 48mm竖纹泡桐木+上下6mm竹层 +上下3mmGFRP面层 试件采用真空导入设计制备，竹材与泡桐木芯材采取加压胶合的工艺完成。GFRP面板由4层玻璃纤维布与乙烯基树脂复合而成，铺层设计为0o/90o，每层纤维布和树脂固化之后计算厚度取为0.8mm 试验根据《木结构试验方法标准》GB/T 50329-2002要求，采取如图2的试验装置。试验在反力架上进行，采用200kN量程的千斤顶逐级加载，在加载点处铺设橡胶垫以防止局部破坏。每级荷载为1kN。在梁跨中设置位移计测试挠度，利用梁跨中GFRP层和竹层的应变片测试面层应力情况。实际加载设施如图3。 图2 加载示意图 图3 实际加载设施图 1.2 试验结果分析 1.2.1 PH-Z试件 试件梁加载到14kN时有轻微响声，19kN时发出较大撕裂声，加载到28kN时试件突然破坏，破坏挠度31.72mm。 1.2.2 PS-Z试件 加载初始阶段，挠度随荷载增加均匀增大，加载到12kN时木材纤维发出响声，随后挠度急剧增大，破坏荷载26kN，破坏挠度64.4mm。 1.2.3 PS-F试件 加载初期无明显现象，在21kN时发出嗞嗞响声，表明局部纤维发生损伤断裂，加载到24kN时，伴随着巨大响声，试件破坏，GFRP上面层接近加载点处出现局部破坏，与泡桐木芯材剥离，此时挠度为32.7mm。 1.2.4 PS-Z-F试件 竹-木-GFRP叠层梁表现出极强的稳定性，加载到42kN时发出嗞嗞玻璃纤维撕裂声，破坏荷载46kN，破坏挠度24.62mm。破坏时芯材剪切破坏，发出巨大响声，导致梁失去承载力，如图4。 图4 PS-Z-F梁破坏现象 对比以上试件的破坏荷载、破坏挠度、弹性阶段变形和破坏形态，总结如表2。 表2 试验结果 试件 破坏挠度 (mm) 10kN挠度(mm) 破坏形式 PH-Z 28