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温度-荷载耦合作用下玻璃纤维增强复合材料-泡沫夹层结构

Ⅰ-Ⅱ混合型界面断裂试验

孙国庆;马亚利;霍瑞丽;刘伟庆;王璐

【摘要】复合材料夹层结构在长期的使用过程中发现界面剥离是夹层结构失效的

常见模式之一,因此十分有必要研究不同温度条件下,玻璃纤维增强复合材料

(GFRP)-聚氨酯泡沫夹层结构的Ⅰ-Ⅱ混合型界面断裂韧性.本项研究采用单臂弯曲

试验(SLB)的方法测量GFRP-聚氨酯泡沫夹层结构的荷载-挠度曲线和裂纹扩展长

度.试验结果表明:随着温度的升高,裂纹沿着界面扩展,芯材无破坏现象,极限承载力

呈下降趋势.通过计算应变能释放率发现,随着温度的升高应变能释放率峰值呈上升

趋势.运用界面裂纹扩展准则判定裂纹扩展符合理论要求.

【期刊名称】《南京工业大学学报（自然科学版）》

【年(卷),期】2019(041)002

【总页数】8页(P179-186)

【关键词】复合材料;夹层结构;单臂弯曲试验(SLB);应变能释放率;裂纹扩展准则

【作者】孙国庆;马亚利;霍瑞丽;刘伟庆;王璐

【作者单位】南京工业大学土木工程学院,江苏南京211800;南京工业大学土木工

程学院,江苏南京211800;南京工业大学土木工程学院,江苏南京211800;南京工业

大学土木工程学院,江苏南京211800;南京工业大学土木工程学院,江苏南京

211800

【正文语种】中文

【中图分类】TB332

复合材料一般是指由两种或者两种以上的单一材料,通过物理方法或者化学方法复

合而成的一种新型材料。复合材料最早运用于航空航天工程,并且因其比强度高、

质量轻、耐高温、耐腐蚀、耐疲劳、可设计性强等优异的性能被推广应用于工程领

域。在过去的20年中,复合材料夹层结构作为受力构件已广泛地应用于土木工程领

域[1-4]。复合材料夹层结构至少由3层材料构成,即由强度高且弹性模量大的上下

面板材料以及轻质高强且厚度较大的芯层材料组成。一般情况下,复合材料夹层结

构与钢筋混凝土梁的受力方式类似,夹层结构上面板作用类似于钢筋混凝土梁的上

部受压钢筋以承受压力作用为主,在计算夹层结构承载力时可简化为上面板全截面

受压;夹层结构下面板作用类似于钢筋混凝土梁的下部受拉钢筋以承受拉力作用为

主,在计算夹层结构承载力时可简化为下面板全截面受拉;夹层结构芯材作用类似于

钢筋混凝土梁中和轴附近的斜截面受剪区以承受剪力作用为主,在计算夹层结构承

载力时可简化为斜截面受剪。尽管复合材料夹层结构性能优异,但复合材料夹层结

构本身的缺陷阻碍了其进一步的推广应用。国内外对复合材料夹层结构的研究[5-6]

显示复合材料夹层结构在制造和使用过程中存在的缺陷主要有:①复合材料面板缺

陷,②面板与芯材界面之间的黏结缺陷,③芯材缺陷。其中由于面板与芯材界面之间

存在的黏结缺陷容易引发夹层结构界面连接问题[7]。在土木工程领域的实际应用

中发现:复合材料夹层结构在制造和使用过程中不仅要承受力学荷载,而且由于构件

长期处于温度变化的环境中(包括极端环境),还要承受温度对构件带来的影响。由于

面板与芯材的热膨胀系数相差很大,所以环境温差会使面板与芯材的界面黏结强度

降低,致使构件原生的气孔、孔隙、微细裂缝等发生扩展,致使界面剥离,加速复合材

料夹层结构的失效[8]。因此，研究温度-荷载耦合作用下复合材料夹层结构的界面

断裂具有重大的实际工程意义。

夹层结构界面剥离也被称作脱层,是指不同材料的界面黏结层处发生断裂,从而导致

夹层结构的强度和刚度降低,引起局部应力集中,同时剥离边缘产生奇异应力场,致使

界面剥离进一步扩展,最终导致结构破坏[9]。夹层结构的界面问题决定了其本身的

性能,因此复合材料夹层结构界面剥离问题作为复合材料领域研究的焦点,国内外科

研机构开展了大量的研究工作并且获得了丰富的研究成果。Avilés等[10]对不同的

复合材料夹层结构进行了测压试验,试验中的复合材料夹层结构试件均以玻璃纤维

增强复合材料(GFRP)为面板的原材料、而芯材则分别选用新型合成材料聚氨酯硬

质泡沫和生长于美洲热带森林的巴尔沙木这两种不同的轻质材料为芯材的原材料。

试验研究表明:大多数构件在界面剥离区域发生局部屈曲,同时裂缝长度随着荷载的

增加而快速增长,并且沿着垂直于所施加荷载的方向向面板边缘扩展。通过对剥离

界面的分析发现,界面剥离区域随着芯材密度的增加而减小,并且试件压缩强度随着

界面剥离区域的扩大和芯材密度的增加呈加速下降趋势。邵晟阳等[11]和Liu等

[12]分别以GFRP层合板和垂直桁架