木芯復材拉擠成型柱軸壓性能及其工程應用

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(南京工業大學 土木工程學院，江蘇 南京 211816)

木芯復材拉擠成型柱軸壓性能及其工程應用

張冰，齊玉軍，熊偉

(南京工業大學土木工程學院，江蘇南京211816)

基于拉擠成型工藝與FRP夾芯構件設計理念，提出一種新型木芯復材拉擠成型柱(Pultruded FRP-wood Column, PFWC)，其截面形式為外圍的玻璃纖維(GFRP)和內部的南方松木芯(Wood-core)。PFWC生產工藝具備連續化、工業化、可控化及質量穩定等優點，且已成功運用于南京玉竹樓。PFWC的軸壓試驗研究表明：中柱和長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面板局部屈曲，臨界屈曲承載力隨著構件長細比的增加逐漸減小。當PFWC長細比小于60時，歐拉臨界屈曲承載力計算值大于試驗值，但當長細比大于60時，歐拉臨界屈曲承載力與試驗值吻合較好。且隨著長細比的增大，理論值與試驗值之間的誤差減小。

木芯； 玉竹樓； 軸壓試驗； 破壞模式； 臨界屈曲承載力

1 前 言

拉擠成型工藝是目前復合材料(Fiber Reinforced Polymer/Plastic，FRP)制品最主要的成型工藝之一，具備工業化、連續化、及參數可控等特點。拉擠制品具有表觀質量優異、截面形式多樣化及質量穩定等優點[1]。但以單一FRP作為原生產材料，主要缺點在于：較為單一的彈脆性力學性能、各向異性及縱向纖維起主要受力作用，拉壓性能差異大，導致其易發生劈裂破壞及局部失穩，FRP強度不能得到充分發揮；該種復合材料成本昂貴，并不適用于大中型工程。

針對上述問題，一種FRP夾芯構件被提出。此構件包括作為有效支撐的內部芯材(蜂窩、泡沫及輕木)和作為主要受力骨架的外殼FRP，具有輕質高強、比剛度大、耐候性良好及隔熱保溫等顯著優點[2-4]，目前已廣泛應用于航天航空、船舶、交通及能源等領域。近幾年，其在土木工程中的應用亦逐漸增多，且涉及到梁[5]、板[6-8]及柱[9]等工程常用的結構，比如：試驗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構對橋面板抗彎性能的要求[6]；FRP管材作為外殼可使內部聚氨酯硬質泡沫軸壓承載力提高30%左右[10]。但目前FRP夾芯構件在土木工程中的應用大多以手工生產為主，效益較低、加工精度差及質量離散度大等缺點使其在工程中的應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合產生一種FRP拉擠夾芯型材工藝(Pultruded FRP Composites Sandwich Profile, PFCSP)可彌補傳統以單一FRP作為拉擠材料和普通FRP夾芯構件的缺點，并兼備二者的優點。(Pultruded FRP-wood Column, PFWC)作為拉擠夾芯型材工藝的一種，其生產流程為：準備好干燥的木芯，通過動力系統牽引，在起始端連續不斷地填充纖維和南方松芯材，依次經過導向模具、樹脂槽和加熱模具，并在模具中固化成型后，通過動力裝置牽引出模，最后切割成所需長度(如圖1(a)～圖1(f))。

圖1 PFWC生產流程
(a) 芯材準備； (b) 纖維準備；

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

本文先對國內的PFWC具體工程應用案例進行介紹，再對不同長細比的PFWC在軸壓作用下的力學性能展開了試驗研究，獲得其失效過程和破壞模式，得到了長細比對承載力的影響特性；最后，提出PFWC構件臨界屈曲承載力計算模型，為PFWC構件的工程應用進一步提供了指導依據。

2 工程概況-玉竹樓

位于南京佛手湖畔17號塊地的國內首個玻璃鋼建筑玉竹樓是由新型復材夾芯構件作為主要受力構件建造的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

玉竹樓結構體系概況：樓與樓之間錯層布置，前一棟的二樓通過“天橋”通往下一棟的屋面，且樓與樓之間設有平臺。主要承重構件為拉擠成型玻璃鋼方柱和拉擠成型復合材料樓板?？箓攘w系為：長方向上斜拉索，短方向剪力墻。豎向承重體系為：復合樓板通過角鋼鋼梁將豎向荷載傳遞到玻璃鋼復合立柱，最后傳到基礎。其中樓板與樓板之間的搭接區域采用結構膠連接，樓板與鋼梁之間及玻璃鋼立柱與角鋼鋼梁之間均通過螺栓連接，玻璃鋼立柱與底部條形基礎之間通過H型鋼和螺栓連接，從而形成整個結構體系。

結構中所有子柱均為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度方向一致，樹脂為鄰苯型不飽和聚酯樹脂。

3 試驗方案

3.1 構件參數

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位于柱外側形成連續外殼，南方松作為芯材。FRP面層材性[11]及木芯材性[12-13]試驗參數分別見表1和表2。試驗構件參數詳見表3。表中a、b分別為試件橫截面長度與寬度，h為試件高度。

表1 面層壓縮試驗結果

表2 木材順紋基本力學性能試驗結果

表3 試件參數

3.2 試驗方案與測量裝置

軸壓試驗裝置如圖3所示，試驗加載采用2000kN液壓千斤頂，支撐系統由兩塊固定在地面上的反力架提供。試驗時，加載構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，以便試驗中采集荷載。

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

測點及測量儀器布置如圖4所示。加載前，先進行幾何對中，再以0.1Nu(Nu為預計極限承載力)反復加載3次，檢查應變片及位移計工作狀況并且調整試件進行物理對中。試驗采用分級加載，每級荷載為預估極限荷載的1/20，當荷載每達到一個級別后持續約1分鐘以便試件充分變形和數據采集，試驗荷載由力傳感器測量，位移和應變均采用應變箱自動采集。當試件的最大荷載至少下降20%時，試驗停止。

圖4 試驗裝置及測點布置(a) 位移計布置； (b) 應變片布置Fig.4 Test setup and measurement

4.1 失效過程與破壞模式

對于H=1200mm的組合柱，在達到峰值荷載之前，柱身無明顯可見的外觀變化，當荷載達到峰值荷載即P=730kN時，柱身開始發生顯著的彎曲，隨后，柱身橫向位移逐漸增大，發出巨大的纖維撕裂聲，在腹板與面板交接處發生縱向劈裂破壞，面板外鼓，發生局部屈曲，腹板在其裂縫兩側明顯褶皺，并且在腹板中部出現兩條大約40cm長的平行裂紋(圖5(b))，從圖5(d)中，可明顯發現，面層與芯材發生了顯著滑移。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組合柱的破壞過程及破壞模式，當荷載P=310kN時，柱身開始發生明顯的彎曲(圖6(a))，隨后，跨中撓度隨荷載迅速增大，當荷載增加至398kN時，柱身發出巨大的爆裂聲，沿腹板中間位置纖維撕裂，出現一條較寬的水平裂縫，內部芯材清晰可見，并且在腹板與面板交界處發生縱向劈裂破壞，隨后荷載突然下降，卸載后，柱身幾乎恢復成直線狀。第二根試驗柱的破壞過程與之類似，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柱的破壞過程及破壞模式，開始加載一段時間，柱身無明顯肉眼可見變化；當荷載達到136kN時，柱身開始逐漸彎曲，隨著荷載的不斷增加，跨中撓度越來越大；當達到峰值荷載時，開始發出連續的撕裂聲，面板局部范圍不斷皺起且開始泛白，腹板開始出現橫向裂縫(圖7(b))，在其上下邊緣分別出現兩條平行裂縫，并且沿縱向不斷延伸；隨后，荷載開始下降，最終因撓度過大而停止試驗，卸載后，柱身基本恢復直線狀。第二根柱破壞過程與之類似，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種不同長細比的復合材料組合柱試驗結果如表4所示，對于長細比為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所對應的荷載值。隨著長細比的不斷增大，臨界荷載逐漸降低。

表4 不同長細比試件的試驗結果

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

4.3 荷載-應變曲線

復合材料組合柱跨中截面GFRP面板的縱向應變與荷載曲線如圖9所示，對于構件PC-1200，位于C面的GFRP面板應變接近線性增加，當壓縮應變達到-0.003時開始下降，而位于A面的GFRP面板應變持續增加，這表明構件開始發生橫向變形(如圖5)。對于構件PC-2000和PC-2800亦發生類似的現象，并且它們的橫向變形明顯大于PC-1200，所以位于A面的GFRP面板的應變遠大于零。

5 臨界承載力計算

對于拉擠成型復合材料組合柱的臨界承載力，可采用歐拉公式[11]對其進行理論預測，可按下式計算：

(1)

式中，(EI)eq為等效抗彎剛度，根據復合材料夾層結構理論，等效抗彎剛度(EI)eq可表示為：

圖9 荷載-應變曲線(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。

計算結果如圖10所示，當長細比大于50.68時，對應的界限承載力為787.11kN，此時歐拉公式才具有適用性，即構件發生屈曲破壞；當長細比小于50.68時，構件發生強度破壞。對于長細比小于60的復合材料組合柱，預測值與試驗值誤差較大。歐拉理論計算值大于試驗值，并且隨著長細比的不斷增大，預測值越來越接近試驗值。因此，如果長細比足夠大，歐拉屈曲荷載即為組合柱的臨界荷載，所以對工程中經常使用的中長PFWC，可采用歐拉模型計算其臨界屈曲承載力。

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

歐拉公式預測存在誤差，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系：Zahn[12]提出拉擠成型復合材料柱需考慮局部屈曲與歐拉屈曲的相互作用關系，且引用控制參數c來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于復合材料拉擠成型柱的設計方程[13]，且此種方法應用較為廣泛。②歐拉公式未涉及材料質量系數：Puente[14]提出材料質量系數m來修正復合材料拉擠成型柱的設計方程，為不同拉擠材料及不同成型方法構件的設計方程提供了指導依據?？傊?，PFWC構件軸壓作用下的設計模型還需進一步完善。

6 結 論

本文先介紹了PFWC的成型工藝，并結合國內首個玻璃鋼建筑案例玉竹樓論述了木芯復合材料拉擠成型柱在工程中的施工方法與設計原則；基于不同長細比PFWC在軸壓作用下的試驗研究，觀察其力學行為、失效過程及破壞模式，并對試驗結果進行了探討和分析；最后，分析了傳統歐拉理論對于求解PFWC軸壓承載力的適用性。得出以下結論：

1.拉擠成型工藝具有工業化、連續化、參數可控等特點，可改善傳統拉擠型材性能單一及普通夾芯結構生產效益差等缺陷，且其板柱結構可構成新型結構中的主要承重體系。

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

3.當長細比小于60時，傳統歐拉屈曲理論計算結果與試驗值偏差較大。但當長細比大于60時，歐拉臨界屈曲承載力與試驗值之間的誤差較小。長細比越大，預測值越接近試驗值。

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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

國家自然科學基金資助項目(51308287)

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

齊玉軍(1982-)，男，博士，講師，主要研究方向為新型材料及新型結構研究。E-mail：qiyujun11@163.com。

1673-2812(2017)06-0982-06

TB332

A

10.14136/j.cnki.issn1673-2812.2017.06.023