FRP-重组竹复合梁的胶层应力研究_张永超.pdf

2023 年试验研究10FRP-重组竹复合梁的胶层应力研究张永超1，伍希志1,2，刘 曼1，李玉彤1（1.中南林业科技大学材料与工程学院，湖南 长沙 410082；2.广达意隆包装机械股份有限公司，广东 广州 510530）摘 要 胶层是影响FRP-重组竹复合梁力学性能的重要因素。以FRP-重组竹复合梁为研究对象，开展了2组复合梁的四点弯曲试验，通过测量FRP表面应变得到了胶层界面平均切应力。研究结果表明，胶层界面切应力可分成弯剪段、过渡段和纯弯曲段3个区域，在弯剪段，当FRP的厚度增加时，胶层界面应力也近似成倍增加，而纯弯曲段的胶层界面应力均保持在0值附近。关键词 重组竹；胶层；FRP；界面应力 0 引言随着人们对绿色建筑和环保材料的关注日益密切，竹子作为伐后可再生，生长周期短，废弃后可降解的天然生物质复合材料而备受关注1-2。以竹束或纤维化竹单板为构成单元，压制而成的新型竹基复合材料克服了天然竹子的缺陷，已被广泛应用于多个领域3。然而，重组竹梁作为受弯构件，难以满足大跨度结构的要求4。FRP材料由于具有强度高、重量轻、耐腐蚀性好等优点，已被广泛用于重组竹梁的加固材料5。对于含有胶层的复合梁来说，胶层界面应力分布，对于复合梁的失效模式及破坏的位置有重要的影响。许多学者对复合梁的胶层界面进行了研究。Li等6采用非线性有限元法研究了FRP与混凝土界面的力学性能，对FRP的种类和宽度、载荷、弹性模量、胶层厚度等参数对胶层界面应力的影响进行了研究。Du等7建立了FRP与混凝土梁端部未对齐FRP加固混凝土梁有限元模型，验证了提出的四参数模型的正确性。Wu等8基于内聚力模型（CZM）建立了碳纤维增强聚合物-增强钢板的有限元模型，并通过试验进行验证，揭示了胶层的剥离机理。总的来说，大多数理论模型都是通过建立端部未对齐的复合梁或单搭接接头有限元模型进行验证，被加固梁大多针对混凝土梁或钢板，尚未见到端部对齐的FRP-重组竹复合梁胶层界面应力的研究。因此，本文对FRP-重组竹复合梁胶层界面切应力进行研究，开展2组复合梁的四点弯曲试验，通过在FRP表面贴应变片得到胶层界面平均切应力，并分析FRP厚度对胶层界面切应力的影响。1 试验1.1 试件制备重组竹由无锡博大竹木业有限公司制造。重组竹梁由工厂订制，根据 结构试验方法标准 GB/T 5032920129,确定试件尺寸长宽高为1900mm70mm100mm，复合梁的实际尺寸见表1。表1 各试验梁实际参数 单位：mm试件编号实际尺寸FRP类型胶层厚度 BC1-a1932106.6871.03CFRP0.34BC1-b1932107.3071.23CFRP0.38BC3-a1932107.6571.23CFRP0.36BC3-b1932107.6470.18CFRP0.36注：试件编号第1个字母代表重组竹梁，第2个代表FRP种类，第3个数字代表FRP数量，最后1个字母表示组别。FRP-重组竹复合梁的制作过程如下：首先在施胶前，打磨重组竹梁的黏贴表面，用酒精清洁处理，去除杂质和灰尘；其次，在重组竹梁表面均匀涂抹环氧树脂胶黏剂，将裁剪好的FRP布从一侧开始铺，用橡胶板施加适当压力，挤出气泡和多余的胶黏剂，保证胶层的均匀；接下来，在FRP上铺放保鲜膜，防止胶黏剂与上基金项目：湖南省自然科学基金项目（2020JJ5986）；中国博士后科学基金资助（2021M690768）；广达意隆包装机械股份有限公司博士后科研工作站项目（263805）。作者简介：张永超（1999），男，硕士在读，主要研究方向为重组竹。通讯作者：伍希志（1985），男，博士后，副教授，研究方向为胶合竹木梁力学性能、机器视觉。第1 期（总第261 期）试验研究11面物体黏合，将一块大于梁表面积的光滑板置于保鲜膜上，在板子上均匀放置50kg砝码，等待12h；最后，待胶层未完全固化时，将砝码取下，均匀压上1t左右的重物，在常温下静压710d。根据先前经验，FRP-重组竹的固化压力为0.1MPa左右时，胶黏性能较好。1.2 试验装置试验加载装置如图1所示。两支座沿长度和宽度方向的中轴线对称水平放置，梁的实际受压区域距离为1700mm。液压千斤顶载荷由压力传感器通过分配梁平均施加到2个加载点上。液压千斤顶的最大轴向承载能力100kN，压力传感器量程100kN。在跨中正下方布置1个激光位移传感器测量挠度，激光位移传感器采用松下HG-C1030，量程160mm，精度0.2mm。图1 试验装置加载图（单位：mm）应变片布置位置如图2所示，分布在CFRP板下表面轴线上，均位于复合梁对称中心的左半部分。应变片采用中航电测仪器股份有限公司生产的BE120-3AA；应变计敏感栅长3mm，标称电阻120；数据采集仪器生产单位为江苏东华测试技术股份有限公司。图2 应变片分布图（单位：mm）1.3 试验过程试验采用手动液压油缸加载，先对试件进行预加载，加载速率保持平稳匀速，加载至5kN，保持3min后卸载。如此重复2次，用以消除加载装置和试件之间的间隙。正式加载时，连续缓慢加载手动油缸，当载荷20kN时，每隔2kN加载一级，稳定1min后，记录位移、载荷、应变等数据；当载荷20kN时，每隔1kN加载一级，稳定70s后，记录应变，直到试件破坏。试验过程随时观察试件破坏情况，并进行拍照和摄像，最后记录试件的极限荷载及破坏形态。BC1-a试验过程及破坏状态如图3所示。图3 试验梁现场加载图2 胶层界面应力2.1 胶层界面应力理论分析胶层界面微观受力如图4所示，FRP板的宽为b1，高为z2，正应力2，界面切应力为，正应力为，E2为FRP的弹性模量。图4 胶层界面受力示意图沿x方向建立平衡方程：b1z2（2+d2）=b1z22+b1dx （1）由式（1）化简后可得：d2=z2E2 （2）dxFRP的本构方程，应力与应变之间关系为：2=2E2 （3）将式（3）代入式（2）中得到胶层界面应力的微分方程：d2=z2E2 （4）dx将应变片测得的各点FRP板的应变2，i代入式（4）中，可求得各测点胶层界面切应力为：2，i+1-2，ii=z2E2 （5）i，i+1式中：i，i+1为第i个和第i+1个应变片的间距，i初始值为1，最大值为n，间距如图2所示。图5为BC1-b底面应变分布情况。由图5可知，在同一载荷水平下，在试件弯剪段，FRP的应变沿纵向方向呈近似线性增加；在试件纯弯曲段，FRP的应变基本呈水平波动分布，其原因是应变片实际位置、应变片方2023 年试验研究12向有误差。试件BC1-b的纯弯曲段在加载到极限载荷附近时有个别测点应变值急剧减小，其原因是试件局部产生破坏，导致局部重组竹应变减小。图5 BC1-b梁底部应变分布示意图2.2 试验结果分析利用式（5）将FRP的测量应变转化为胶层界面切应力，胶层界面切应力分布如图6所示（图中正负只代表方向，与大小无关）。由图6可知，试件的胶层界面切应力的分布趋势基本一致，大致分成3个阶段，弯剪段、过渡段和纯弯曲段。在不同条件下，各测点在弯剪段（50520mm）的胶层界面切应力，均呈水平波动，不存在端部应力集（a）BC1-a（b）BC1-b（c）BC3-a（d）BC3-b图6 胶层界面应力分布示意图中的现象，并在500mm附近出现应力峰值；在过渡段（520620mm）胶层界面切应力，呈缓慢下降趋势，下降阶段的距离长；各测点在纯弯曲阶段（620850mm）的胶层界面切应力在0值附近上下波动，这是由于试验测量误差所导致。当所有试件承受最大载荷时，试件的最大胶层界面切应力基本均位于加载点附近。当FRP为1层或3层时，以BC1-b和BC3-b在48kN的受力情况分析，2组试件的胶层界面切应力的整体分布趋势一致。在弯剪段，胶层界面切应力为0.24MPa和0.53MPa，可以看到胶层界面切应力随着FRP板的厚度增加而增大，当FRP厚度增大3倍时，切应力平均增加2.21倍，界面切应力与FRP厚度呈近似线性关系。在纯弯曲段，2种FRP厚度的界面切应力均保持在0值附近。3 结论采用四点弯曲试验测量方法对FRP-重组竹复合梁的胶层界面应力分布进行了研究，可以得到如下结论：（1）四点弯曲FRP-重组竹复合梁的胶层界面切应力可分成弯剪段（50520mm）、（下转第23页）第1 期（总第261 期）试验研究23速度的增加，地基承载力特征值呈线性减小，两者的回归关系为对数关系，如式（4）所示：fak=-97.232ln（v）+499.73 （4）式中：v为与各土层标贯击数对应的弹性应力波最大速度；fak为各土层的地基承载力特征值。从图4中可以看出，不同土层的标贯试验锤击最大速度值存在明显的不同，没有显著的相互分离现象，不同土层之间的内摩擦角存在着离散性。随着弹性应力波最大速度的增加，各层土的内摩擦角呈线性减小，两者的回归关系为幂指数关系，如式（5）所示：k=34.124v-2.01 （5）式中：v为与各土层标贯击数对应的弹性应力波振动速度；k为各土层的内摩擦角。4 结语以福建省某迁建项目为例，基于一维阿尔伯特波动理论，求解弹性应力波加速度与速度、位移关系，运用现场实测的手段，采集不同土层的标准贯入锤击条件下的弹性应力波加速度时程曲线，建立与标贯击数对应的加速度指标与土体地基承载力特征值、内摩擦角的相关关系，得到以下几个结论（1）各层土的标准贯入试验存在明显差异，淤泥质粉质黏土和淤泥质粉质黏土，其标贯锤击数最大值均5，分辨率较小；标贯锤击过程中探杆的长度、上覆土厚度等原因极易对标贯锤击数产生扰动，导致标贯锤击数的误差，从而导致判别土体力学性质存在误差。因此，需要更为精细化的参数进行标准贯入锤击数的表征。（2）选取应力波的最大速度作为标准贯入锤击数的表征参数，建立弹性应力波最大速度与地基承载力特征值和内摩擦角的关系。结果表明，弹性应力波最大速度与地基承载力特征值存在显著的对数关系，与内摩擦角则呈现幂指数拟合关系，拟合关系系数均0.80。参考文献1 李玥.波速测试与标贯试验在预估砂土密度中的应用研究J.吉林水利,2021（4）:22-27.2 刘裕华.基于波动理论改进标准贯入试验的研究D.南京:南京大学,2019.3 葛一荀,张洁,郑文棠,等.基于标准贯入试验的土体液化判别准则模型误差分析及土体液化概率预测C/中国地质学会.2019年全国工程地质学术年会论文集.北京:工程地质手册 编辑部,2019:498-505.4 葛一荀,张洁,祝刘文,等.砂土场地国标与美标标准贯入试验能量分析及击数转换关系研究J.工程地质学报,2022,30（2）:507-519.5 李雪,曾毓燕,郁飞,等.基于地面运动强度及标准贯入试验的上海地区砂土地震液化评价J.地质力学学报,2021,27（6）:998-1010.6 张宗联.分析岩土工程勘察中标准贯入试验（SPT）的N值运用及校正J.工程建设与设计,2020（19）:63-66.7 罗珍珍.某工程场地花岗岩残积土抗剪强度与标贯试验校正击数线性相关分析探讨J.西部资源,2020（1）:89-91.8 罗堂,何超亮,危雪梅,等.标准贯入试验和双桥静力触探试验在饱和吹填砂液化判别中的对比分析J.福建建设科技,2018（2）:24-26.9 李中华,周明坡,刘晓强,等.土体标贯N值与力学指标参数相关性分析J.水道港口,2020,41（6）:720-724.10 聂庆科,贾向新,秦禄盛,等.钻杆直径对标准贯入试验N值影响的试验研究J.岩土工程学报,2017,39（增刊）:53-58.过渡段（520620mm）和纯弯曲段（620850mm）3个区域。在弯剪段，胶层界面切应力呈水平分布，达到应力峰值后，经过渡段迅速下降为0，在纯弯曲段，胶层界面应力几乎为0。（2）探究了FRP厚度对于胶层界面应力的影响。在弯剪区域，当复合梁中FRP的厚度增加3倍时，胶层界面应力增加2.21倍。在纯弯曲区域，2种FRP厚度的胶层界面应力均为保持在0值附近。参考文献1 范芷汀,吴金卓,马超.全球供应链环境下的中国竹藤商品出口影响因素分析J.森林工程,2021,37（5