格构增强木芯复材板的弯曲性能试验及其理论分析

王蕴天，方 海，吴中元，刘伟庆

(南京工业大学 土木工程学院，江苏 南京 211816)

1 前 言

复合材料夹芯结构以其高抗弯刚度和强度[1]而广受关注，因其电磁屏蔽、耐候性优等优点，常用来满足特殊建筑材料的功能需求。

目前复合材料夹芯构件作为结构板材已应用于墙板和桥面板等构件[2-3]，常用的泡沫芯材质地软，局部压力较大时易发生凹陷破坏[4-5]。蜂窝或桁架夹芯构件能承受较大的压力[6-7]，但由于其结构为空腔，芯材与面层之间的界面性能较弱。因此，设想采用泡桐木和南方松作为复材夹芯板的芯材，以期获得优异的抗剪、抗压力学性能。

在夹层板研究方面，何涛等[8]通过遗传算法对格构增强复材夹芯板的受力性能进行了优化设计，并对建筑成本进行了优化计算。AYRILMIS等[9]通过在复材板的芯层中加入芳纶纤维，极大地改善了复材板的拉伸和弯曲性能。本研究团队前期已开展了轻木夹芯复材梁、板的相关研究工作：邹芳等[10]的研究结果表明格构腹板可以提高芯材和面板的极限承载力，戚友俊[11]研究了不同格构数目夹芯梁的刚度、承载力和延性。

文中提出的格构增强复材夹芯板，由数个包裹纤维布的木芯组拼[12]，真空导入树脂使木芯在模具内一次成型。通过弯曲试验和理论分析，在不改变试件截面尺寸的前提下，探求格构腹板数量和木芯种类对夹芯复材板弯曲性能的影响规律。

2 试验方案

2.1 试件设计

试件由FRP面层、格构腹板与木芯三部分构成，先用2层800 g/m2的双轴向玻璃纤维布包裹木芯，再将它们组拼后整体外包3层玻纤布，每层玻纤布与树脂固化后的计算厚度取为0.8 mm，如图1所示。对照组木板宽度、高度分别为110 mm、70 mm，其他试件宽度、高度均设定为120 mm、80 mm，所有试件长度均为1400 mm。南方松和泡桐木芯材的试件尺寸一样，各成形一组，所有试件截面如表1所示。

图1 试件结构

表1 试件截面图

2.2 试件制备

将木芯切割成所需的规格并刨光,顺纹开槽，由于纤维增强复合材料是各向异性材料，单一纤维布某一方向受力性能较差，因此多层不同方向的纤维布有助于结构整体受力更加均匀。本试验采用2层-45°/45°的玻纤布包裹单片芯材(如图2(a)所示)，组拼后在试件外围沿长度方向整体包裹3层0/90°玻纤布(如图2(b)所示)，玻纤布尽量贴合平整。之后布置脱模布、导流网和真空袋，真空辅助灌注树脂，固化成型，(图2(c))，最后经切割制成试件。

图2 试件制备(a) 包裹单片芯材；(b)包裹多片芯材；(c) 真空辅助树脂传递模塑；(d) 切割成形

2.3 试验装置

按照文献[13]的试验方法，对板进行四点弯曲静态加载，将分配梁布置在两个加载点处，应变片贴在板的跨中侧面、上部、底部以及加载点处，采用DH3816N静态应变测试系统进行位移和应变采集。试验装置如图3。

图3 抗弯试验加载装置

2.4 抗弯试验

2.4.1泡桐木夹芯复材板试验 对于纯泡桐木PAW试件，由于其外部缺少FRP包裹，导致板的刚度较小，随着荷载的增大，挠度也跟着迅速增加。当加荷至9.30 kN时，泡桐木开裂，跨中位移为22.0 mm，试件裂纹如图4所示，属于脆性破坏。

图4 试件PAW破坏形态

试件1PAW在加载初期时，无明显异象；荷载达到19.70 kN时，有微小撕裂声传出；荷载达到22.50 kN时，在加载点下方位置有纤维变白且出现裂纹，随着挠度增大裂纹垂直向下延伸，如图5(a)所示；加载到24.70 kN时，达到最大承载力，相应的跨中位移为37.10 mm。之后尽管板的挠度持续增加，但是板的承载力却呈下降趋势，最终在两端加载点处发生剪切破坏，随即停止加载。试件2PAW、3PAW、4PAW的试验现象与1PAW类似，它们的极限荷载及其对应的挠度分别为34.30 kN、46.70 mm；31.65 kN、39.84 mm；29.30 kN、43.79 mm。试验实像分别如图5(b)～5(d)所示。

图5 木芯复材板受弯破坏形态实像 (a)1PAW；(b)2PAW；(c)3PAW；(d)4PAW

2.4.2南方松夹芯复材板试验 南方松夹芯复材板的试验现象与泡桐木夹芯复材板类似。SOP破坏时伴随着响声，发生脆性破坏；1SOP、2SOP、3SOP、4SOP在刚开始加载时无明显异象，随缓慢加载后会传出微小的纤维撕裂声，随着荷载逐渐增大，撕裂声渐变明显，之后突然发出很大声响，加载点下方出现裂纹，然后裂纹向下发展，最终加载点处板的下边缘纤维发生拉裂破坏，随即停止加载。

3 实验结果

3.1 泡桐木复材板(PAW)的抗弯试验结果

由图6、图7可知，与纯木板相比，无格构和有格构木芯复材板的极限承载力均明显提高；无格构木芯复材板的极限承载力比纯木板提高了166.6%；有格构木芯复材板2PAW、3PAW、4PAW的最大承载力比无格构复材板1PAW分别提高了38.9%、28.3%和18.6%，未发现承载力与格构数目有直接关系。纯木板的刚度(每一条荷载-跨中位移曲线的斜率)比无格构和有格构木芯复材板低；无格构木芯复材板刚度比有格构复材板低；在有格构复材板试件中，试件的延性随着格构数目的增加而增大，4PAW试件的延性最好；荷载-应变关系曲线基本呈现线性变化关系，满足平截面假定。

图6 泡桐木(PAW)夹芯板抗弯荷载-跨中位移曲线

图7 泡桐木(PAW)夹芯板抗弯荷载-跨中应变曲线

3.2 南方松复材板(SOP)的抗弯试验结果

由图8、图9可知，试件SOP、1SOP、2SOP、3SOP、4SOP的极限荷载分别为13.43、35.38、37.28、40.54和29.68 kN，与其相对应的跨中位移依次为27.8、35.91、36.72、44.12和32.05 mm。无格构木芯复材板的极限承载力与纯木板相比有极大改善，提高了152.6%；有格构木芯复材板2SOP、3SOP试件的极限承载力与无格构试件相比有一定改善，分别提高5.4%和14.6%；但4SOP的极限承载力比1SOP下降了16.1%。随着格构数目增加延性逐渐提高，木芯复材板的刚度比纯木板有明显增强。

图8 南方松(SOP)夹芯板抗弯荷载-跨中位移曲线

图9 南方松(SOP)夹芯板抗弯荷载-跨中应变曲线

3.3 两种复材板抗弯试验对比

对比图6和图8可知，截面形式相对应的南方松夹芯复材板的极限荷载和挠度均比泡桐木复材板大，其中SOP的极限承载力比PAW增加44.41%；木芯复材板中极限承载力提高幅度最大的是1SOP，其极限承载力比1PAW提高了43.88%；对比图7和图9可知，截面形式相对应的南方松夹芯复材板的刚度更大，无格构木芯复材板1SOP的刚度比1PAW提高54.55%，在有格构木芯复材板中，2SOP的刚度比2PAW提高了45.31%，是提高最为明显的一组。

4 理论分析

4.1 抗弯刚度

根据Allen[14]的夹层理论，夹层板的抗弯刚度D可近似用式(1)表示：

D=(EI)f+(EI)0+(EI)w+(EI)c

(1)

式中：(EI)o为格构腹板抗弯刚度；(EI)f为横向面层抗弯刚度；(EI)w为竖向面层抗弯刚度；EIc为芯材抗弯刚度。

对于芯材数为n的格构增强木芯复材板，其理论抗弯刚度如下：

(2)

式中，tf为横向面层厚度；tw为竖向面层厚度；bc为单个芯材宽度；tc为单个芯材厚度；tg为单个格构腹材厚度。

以试件3PAW为例，其计算简图如图10。

图10 3PAW试件截面图

试验木材基本性能为：面层FRP弹性模量Ef=20.95 GPa；格构腹板FRP弹性模量Ew=6.41 GPa；芯材弹性模量Ec=4.32 GPa。将这些基本力学性能值和试件尺寸代入式(1)，即可算得泡桐木夹芯复材板3PAW的抗弯刚度。

4.2 挠度

根据铁木辛柯梁理论[15]，将以下假设作为基础条件：界面相对滑移不会发生在面层和芯材之间；满足平截面假定；板的厚度远大于其产生的位移、转动和应变，弯曲变形w1与剪切变形w2是荷载作用下产生的挠度，因此板的跨中挠度计算公式为：

(2)

式中：a为加载点到支座的距离；l为支座之间距离；A为受剪截面面积；G为芯材剪切模量。

由式(2)对每个试件进行挠度计算，并与试验值相比较，结果见表2，可见试验值和理论值比较吻合。

表2 挠度试验值和理论值的对比

4.3 破坏模式和极限承载力

4.3.1木芯复材板的破坏模式和极限承载力 复合材料夹芯结构在受弯载荷作用下，因为其组分材料和尺寸布置的不同，会出现不同的破坏形态[16]。其破坏模式可总结为：①面板受压屈服或受拉断裂；②受压面板屈曲；③芯材剪切；④脱层破坏。由于影响芯材剪切和脱层破坏的因素有很多，如：不同的工艺、界面处理形式及树脂性能等，根据试验观测到的破坏现象，重点研究前两种破坏模式对应的极限承载力。

①面板受拉断裂或受压屈服临界载荷：

(3a)

②受压面板屈曲临界载荷：

(3b)

式中：B3=4;b为试件宽度；c为上下面层中心点距离；t为面层厚度；l为试件跨距；σyf为面板受压断裂强度；νc是芯材泊松比；Ef为面板弹性模量；Ec为夹芯层弹性模量；Gc为夹芯层剪切模量。Ef、Ec、Gc可由文献[17]采用的方法计算得到。

4.3.2极限承载力预测 根据上述公式，可计算出泡桐木和南方松夹芯复材板的极限承载力理论值，并与试验值进行对比，结果见表3。

表3 复材板极限承载力试验值和理论值的对比

从表3可得，各试件极限承载力的试验值与理论值吻合较好，说明上述理论模型预测出的各试件极限破坏载荷较为准确。

5 结 论

以格构增强木芯复材板的弯曲性能为研究对象，选取格构腹板数目和芯材种类作为变化参数，根据四点弯曲试验，观察试验现象与破坏形态，并对其极限强度、刚度和挠度等进行理论分析，得出了以下结论：

1．相同截面的南方松夹芯复材板的强度和刚度均比泡桐木夹芯复材板大，且南方松局部抗压强度大于泡桐木，破坏模式是由于上部纤维被压皱，伴随着芯材被挤压破坏，最后下部纤维被拉断，可见芯材的局部抗压强度对其破坏模式有较大影响。

2．无格构木芯复材板刚度比纯木板有显著提高，1PAW刚度比纯木板提高了115.53%，有格构木芯复材板刚度比纯木板提高更多，3PAW刚度比纯木板提高了153.41%，4PAW刚度比纯木板刚度提高了152.73%，延性也随着格构数目的增加而逐步提高。

3．有格构木芯复材板2PAW、3PAW、4PAW的极限承载力比无格构木芯复材板1PAW分别提高了39.49%、28.71%、19.15%，可见其最佳格构数为1，而有格构木芯复材板2SOP、3SOP、4SOP的极限承载力比无格构木芯板1SOP分别提高了7.43%、14.58%，-16.00%，可见其最佳格构数为2，由此可得出：不同材质芯材的最佳格构数目也不同，具有最多格构数量的木芯复材板并非具有最优弯曲性能。综合试验结果分析，泡桐木试件中刚度最大的是3PAW，能承受最大极限承载力的是2PAW；南方松试件中刚度最大的是2SOP，能承受最大极限承载力的是3SOP，两者都不是该种芯材的最大格构数。

(校对：周邦昌)