高溫下復(fù)合材料橋梁防撞裝置節(jié)段沖擊及殘余性能試驗(yàn)

(南京工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，江蘇南京，211816)

復(fù)合材料具有比強(qiáng)度高、比剛度大和耐腐蝕等優(yōu)良性能，在建筑、土木和交通等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用[1-4]。復(fù)合材料夾芯結(jié)構(gòu)是復(fù)合材料結(jié)構(gòu)體系的重要分支，一般由2層高強(qiáng)度薄面板與中間的輕質(zhì)夾芯通過膠接而成。其受力原理與工字鋼類似，上面板和下面板承受由彎矩引起的面內(nèi)拉壓荷載，而中間芯材與工字鋼的腹板相似，主要承受剪力荷載[5]。在中間的輕質(zhì)芯材和上下2 層高強(qiáng)面板的配合下，復(fù)合材料夾芯結(jié)構(gòu)在保證整體輕質(zhì)的同時(shí)，還能保證整體的較高強(qiáng)度和彈性模量。

復(fù)合材料防撞緩沖裝置具有質(zhì)量輕和易于安裝等優(yōu)點(diǎn)，逐漸廣泛用于車、船撞擊橋梁等的防護(hù)技術(shù)開發(fā)。經(jīng)過多年的研究和發(fā)展，雖然世界上已投入使用的橋墩防撞裝置種類豐富并各具特點(diǎn)，但積累的沖擊試驗(yàn)數(shù)據(jù)還比較少，尤其是環(huán)境溫度對(duì)沖擊性能的影響更少。因此，相關(guān)技術(shù)的可靠性還沒有得到充分的驗(yàn)證。FARLEY[6]進(jìn)行了大量的撞擊試驗(yàn)和理論分析，發(fā)現(xiàn)混雜復(fù)合材料的能量吸收能力比單個(gè)類型纖維復(fù)合材料的稍好；AKIL 等[7]研究了低密度泡沫芯材夾層結(jié)構(gòu)在落錘沖擊荷載下的損傷，并指出夾層結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)取決于泡沫芯材的彈性性能，并且建立了一種基于彈性方法的能量平衡模型，預(yù)測(cè)夾層結(jié)構(gòu)在低速?zèng)_擊下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)；劉偉慶等[8-10]研發(fā)了格構(gòu)增強(qiáng)復(fù)合材料橋梁防撞裝置，研究表明復(fù)合材料橋梁防撞裝置具有良好的緩沖吸能作用，并將其應(yīng)用到實(shí)際的橋梁防撞工程項(xiàng)目中，橋墩受到的最大船撞力減小了1/3左右。復(fù)合材料板殼結(jié)構(gòu)的損傷破壞機(jī)理與管狀結(jié)構(gòu)有較大的差別，在沖擊載荷作用下復(fù)合材料板殼結(jié)構(gòu)會(huì)將一部分沖擊能量轉(zhuǎn)化為彈性形變能，另一部分的能量則轉(zhuǎn)變?yōu)椴豢苫謴?fù)的損傷破壞變形。

與室溫環(huán)境下復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)沖擊損傷的研究工作相比，高溫和低溫環(huán)境下夾層結(jié)構(gòu)沖擊損傷的研究起步較晚，研究成果較少。SALEHEKHOJIN 等[11-12]開展了蜂窩夾芯板在-50～120 ℃溫度區(qū)間內(nèi)的低速?zèng)_擊試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在相同的沖擊能量下，夾層結(jié)構(gòu)在70 ℃時(shí)的能量吸收能力比在20 ℃時(shí)的能量吸收能力下降了24%，且試件的沖擊后殘余彎曲剛度隨著溫度的升高而降低；AKTAS等[13-14]研究了GFRP層合板在高溫下的沖擊性能，發(fā)現(xiàn)溫度變化對(duì)最大接觸力的影響較小，但纖維斷裂層數(shù)和貫穿閥值隨著溫度升高而升高。試件的能量吸收能力及殘余強(qiáng)度隨著溫度升高而顯著下降。

綜上所述，雖然層合結(jié)構(gòu)高溫下沖擊性能已有研究，但考慮環(huán)境溫度影響的復(fù)合材料夾芯構(gòu)件沖擊性能研究尚不充分。因此，本文以格構(gòu)增強(qiáng)復(fù)合材料防撞裝置節(jié)段為研究對(duì)象，開展了考慮環(huán)境溫度影響的沖擊性能試驗(yàn)研究。

1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

1.1 試件制作

本試驗(yàn)中GFRP-泡沫夾芯板所用組分材料為玻璃纖維、不飽和聚酯樹脂以及聚氨酯泡沫。試驗(yàn)所用的是面密度為800 g/m2的雙軸向E型無堿玻璃纖維布；泡沫為密度分別為100，150和200 kg/m3的3種硬質(zhì)聚氨酯泡沫板材，樹脂為HS-2100型間苯二甲酸不飽和聚酯樹脂。試件采用真空導(dǎo)入一體成型工藝[15]。試件長(zhǎng)×寬×高為200 mm×200 mm×60 mm，其中面板厚度為5 mm，泡沫芯材的厚度為50 mm。面板纖維布鋪設(shè)6層。本次試件在南京工業(yè)大學(xué)先進(jìn)工程復(fù)合材料研究中心的試驗(yàn)室內(nèi)加工成型，截取了防撞裝置的節(jié)段即方形夾層板(圖1)進(jìn)行試驗(yàn)研究，也可根據(jù)不同需求定制模具來滿足工程所需的復(fù)合材料防撞裝置系統(tǒng)。

1.2 試驗(yàn)方案

圖1 復(fù)合材料橋梁防撞裝置Fig.1 Composite ship-bridge anti-collision system

圖2 試驗(yàn)加載設(shè)備Fig.2 Test set-up

本次落錘沖擊試驗(yàn)在DTM2235-II 型落錘試驗(yàn)機(jī)上完成。落錘試驗(yàn)機(jī)的最大沖擊能量為230 kJ，該系統(tǒng)包括豎直的鋼架結(jié)構(gòu)、提升系統(tǒng)、落錘錘體、緩沖設(shè)施、控制系統(tǒng)、量測(cè)設(shè)備及其他附件。質(zhì)量鋼塊可根據(jù)需求自由加載和卸載，如圖2所示。DTM2235-II 落錘沖擊試驗(yàn)機(jī)錘頭直徑為300 mm 的圓形，單個(gè)錘體質(zhì)量為200 kg，錘頭固有質(zhì)量為50 kg，可自由加減錘體質(zhì)量塊。底座為5塊3 cm厚的鋼板，以確保沖擊面平整和沖擊過程中無相對(duì)滑移。沖擊力使用壓電傳感器測(cè)得。

此次試驗(yàn)的控制變量為泡沫芯材密度、沖擊能量和環(huán)境溫度。試件命名規(guī)則為：D100，D150和D200 分別代表密度為100，150 和200 kg/m3的泡沫芯材；E1、E2和E3分別代表沖擊能量為1，2和3 kJ；T30、T50、T70和T90分別代表環(huán)境溫度為30，50，70 和90 ℃。試件部分工況如表1所示。

準(zhǔn)靜態(tài)壓縮試驗(yàn)加載速率為2 mm/min，每個(gè)試件加載壓縮到50%高度時(shí)停止，并記錄荷載-位移曲線。加載裝置如圖2(c)所示。沖擊試驗(yàn)施加溫度裝置為高溫烘箱[16]，加溫區(qū)間為10～200 ℃，具有定時(shí)和保溫的功能。除了對(duì)箱內(nèi)溫度的監(jiān)控外，還在試件內(nèi)埋入WZPT-10型熱電偶進(jìn)行溫度控制。

2 材料性能試驗(yàn)

采用差式掃描量熱儀對(duì)復(fù)合材料和泡沫進(jìn)行玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變溫度的測(cè)量。試件以5 ℃/min的速率進(jìn)行升溫，氮?dú)饬髁繛?00 mL/min。試驗(yàn)結(jié)果表明，復(fù)合材料和泡沫的玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變溫度分別為79.3 ℃和72.1 ℃。將聚氨酯泡沫切割成長(zhǎng)×寬×高為75 mm×75 mm×50 mm 的試件進(jìn)行高溫下材性試驗(yàn)[17]。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

GFRP 壓縮試驗(yàn)的試件長(zhǎng)×寬×厚為10 mm×10 mm×30 mm[18]。拉伸試驗(yàn)的試件長(zhǎng)×寬×厚為250 mm×25 mm×5 mm[19]，并在試件兩端50 mm 處采用2 mm 厚的鋁片夾持增強(qiáng)，使用結(jié)構(gòu)膠黏結(jié)，以防止試件兩端先發(fā)生局部破壞而影響試驗(yàn)結(jié)果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

3 沖擊試驗(yàn)

3.1 沖擊破壞模式

圖3所示為30 ℃時(shí)不同沖擊能量下的沖擊。由圖3可見，試件E1T30D150 的泡沫芯材出現(xiàn)了較淺裂紋，上面板與芯材出現(xiàn)了總長(zhǎng)約為120 mm的界面脫黏，一處格構(gòu)腹板有斷裂破壞，并且沿著此處泡沫開裂長(zhǎng)度約為60 mm，下面板未見明顯損傷；試件E2T30D150 上面板與芯材發(fā)生完全脫黏，并導(dǎo)致一側(cè)面板翹曲，四面總脫黏長(zhǎng)度約為360 mm，翹曲面的2 處格構(gòu)腹板均發(fā)生斷裂，并且靠近面板翹曲處腹板上部斷裂，遠(yuǎn)離的腹板下部發(fā)生破壞，另一面有泡沫壓潰溢出；試件E3T30D150 泡沫芯材大量壓潰溢出，所有格構(gòu)腹板均有損壞斷裂，與試件E2T30D150 類似，也有一側(cè)面板翹曲，五面都有約束的芯材壓潰發(fā)生在上半部分，四面有約束的芯材在中部少量壓潰溢出。

表1 30 ℃時(shí)部分試件工況Table 1 Impact test of specimens at 30 ℃

表2 泡沫壓縮試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Material properties of foam MPa

3.2 沖擊試驗(yàn)結(jié)果分析

試驗(yàn)可見，隨著泡沫密度增大，沖擊損傷減小。芯材損傷沿著格構(gòu)損傷點(diǎn)延伸的裂紋，面板與芯材脫黏，五面受約束的泡沫芯材靠近上面板處出現(xiàn)橫向裂紋并壓潰溢出，四面受約束的泡沫芯材比五面受約束的泡沫芯材損傷更嚴(yán)重。沖擊能量越大時(shí)，沖擊損傷越大，格構(gòu)腹板損傷數(shù)量明顯增加。在低能量沖擊時(shí)，格構(gòu)腹板出現(xiàn)較少裂紋，損傷點(diǎn)基本分布在靠近上面板處；在高能量沖擊時(shí)，格構(gòu)腹板全部損傷斷裂，損傷破壞點(diǎn)大部分分布在靠近上面板處，少量開裂出現(xiàn)在中部及下部。當(dāng)溫度越高時(shí)，沖擊損傷越大。高溫對(duì)復(fù)合材料面板的影響較大。溫度越高，更易發(fā)生上面板與格構(gòu)腹板的脫黏，由于高溫作用，泡沫彈性模量變小，受到擠壓后泡沫出現(xiàn)壓潰。

圖4所示為試件的沖擊力時(shí)程曲線。試件E1T30D100，E1T30D150 和E1T30D200 的沖擊力峰值分別為224，260 和330 kN，可見隨著芯材密度增大，沖擊力也隨之增大。

圖5(a)所示為沖擊能量為2 kJ 時(shí)泡沫芯材密度對(duì)最大峰值力的影響。由圖5(a)可見：芯材密度為100 kg/m3時(shí)，30 ℃時(shí)的峰值力為280 kN，50，70和90 ℃時(shí)，對(duì)應(yīng)的峰值力依次下降16.1%，28.2%和44.6%；芯材密度為150 kg/m3時(shí)，30 ℃時(shí)的峰值力為314 kN，50，70和90 ℃時(shí)的峰值力依次下降20.0%，21.0%和41.7%；芯材密度為200 kg/m3時(shí)，30℃時(shí)的峰值力為361 kN，50，70和90 ℃時(shí)的峰值力依次下降18.3%，21.1%和38.0%。因此，泡沫芯材密度越小，溫度越高，沖擊峰值力下降越顯著。

圖5(b)所示為在溫度30 ℃時(shí)沖擊能量對(duì)最大峰值力的影響。由圖5(b)可見：芯材密度為100 kg/m3時(shí)，沖擊能量為1 kJ 時(shí)的最大峰值力為224 kN，沖擊能量為2 kJ 和3 kJ 時(shí)，最大峰值力分別提高25.0%和52.7%；芯材密度為150 kg/m3時(shí)，沖擊能量為1 kJ時(shí)的最大峰值力260 kN，沖擊能量為2 kJ和3 kJ 時(shí)，最大峰值力分別提高20.8%和37.7%；芯材密度為200 kg/m3時(shí)，沖擊能量為1 kJ 時(shí)的最大峰值力330 kN，沖擊能量為2 kJ和3 kJ時(shí)，最大峰值力分別提高9.4%和16.4%。因此，沖擊能量越大時(shí)，芯材密度的對(duì)于峰值力的提高效率減緩。

圖4 試件沖擊力時(shí)程曲線Fig.4 Impact time history curve of specimens

4 沖擊后準(zhǔn)靜態(tài)壓縮試驗(yàn)

4.1 準(zhǔn)靜態(tài)壓縮試驗(yàn)現(xiàn)象

圖6所示為不同泡沫芯材密度的試件荷載-位移曲線。由圖6可見，試件的準(zhǔn)靜態(tài)壓縮試驗(yàn)的壓縮變形過程大致可以分為3 個(gè)階段：彈性變形階段、塑性屈服階段和密實(shí)階段，曲線變化趨勢(shì)接近。彈性變形階段的變形量占整個(gè)加載過程變形量的16.7%～23.3%，這一階段荷載呈線性快速增長(zhǎng)；隨后荷載出現(xiàn)一定下降和波動(dòng)，泡沫也逐漸壓實(shí)，總體維持在近似屈服平臺(tái)的狀態(tài)，但有較小上升趨勢(shì)，塑性屈服階段變形約占整個(gè)過程的2/3，荷載增長(zhǎng)較?。幻軐?shí)階段變形小，但荷載增長(zhǎng)迅速，此時(shí)的格構(gòu)腹板全部斷裂，主要承壓為泡沫芯材，壓縮到一定程度后，邊部泡沫先壓潰溢出，此階段變形量大于整個(gè)過程的13.3%。

圖5 不同影響參數(shù)下最大峰值力比較Fig.5 Peak force with different parameters

圖6 不同泡沫芯材密度試件荷載-位移曲線Fig.6 Load-displacement curve of specimen with different foam densities

為了分析不同沖擊能量下試件的壓縮吸能表現(xiàn)，選取了溫度30 ℃，泡沫芯材密度為150 kg/m3的試件，進(jìn)行了沖擊能量為0(未受沖擊損傷)，1，2 和3 kJ 能量下的壓縮對(duì)比試驗(yàn)，破壞模式如圖7所示。總的來說，試件E3T30D150 損傷最嚴(yán)重，泡沫從中間位置開始斷裂，面板翹曲嚴(yán)重，試件E0T30D150 壓縮的較均勻，未見泡沫明顯溢出。試件E0T30D150 加載到4.6 mm 時(shí)，泡沫芯材未見損傷，斷裂前力達(dá)到最大，此后迅速下降，泡沫芯材明顯壓實(shí)，加載結(jié)束時(shí)，全部格構(gòu)腹板斷裂變形嚴(yán)重；試件E1T30D150 原損傷為上層有輕微脫黏，中線處泡沫有裂痕，格構(gòu)輕微損傷，加載結(jié)束后，原損傷處泡沫有溢出，脫黏處面板翹曲；試件E2T30D150原損傷為泡沫開裂或溢出，3處格構(gòu)腹板有斷裂，加載到10.4 mm時(shí)，原斷裂處繼續(xù)變形，斷裂加深，此后走勢(shì)較平穩(wěn)，沿著原損傷處發(fā)展，泡沫繼續(xù)壓潰溢出，加載完成后，格構(gòu)腹板上下兩端均折斷，泡沫壓潰較多；試件E3T30D150 原損傷為格構(gòu)腹板全部斷裂，上面板裂口較長(zhǎng)，有一側(cè)泡沫壓潰溢出，加載到9.3 mm時(shí)，經(jīng)過一個(gè)2 mm 的平臺(tái)，到11.3 mm 時(shí)，力小幅下降，之后總體呈平穩(wěn)上升趨勢(shì)，加載完成后，芯材壓潰溢出面積大，一側(cè)面板翹曲嚴(yán)重。

圖7 損傷和未損傷試件準(zhǔn)靜態(tài)壓縮試驗(yàn)比較Fig.7 Quasi-static compression tests on damaged and undamaged specimens

4.2 準(zhǔn)靜態(tài)壓縮試驗(yàn)結(jié)果分析

圖8所示為損傷試件的荷載-位移曲線。由圖8(a)可見，4 種試件均有明顯的三階段過程，未受沖擊的試件E0T30D150 彈性階段的剛度最大；試件E3T30D150 彈性階段的剛度最小，且最快到達(dá)壓實(shí)階段，位移達(dá)到23 mm 之后荷載持續(xù)上升，即塑性屈服平臺(tái)較短。就彈性階段基本結(jié)束時(shí)的位移而言，從未損傷試件到最大損傷試件，位移依次分別為4.6，4.4，10.4 和11.3 mm；由于剛度下降明顯，加載的位移不同，出現(xiàn)了試件E1T30D150的屈服力比E2T30D150 的屈服力小的現(xiàn)象，以E0T30D150 的屈服力256 kN 作為對(duì)比，沖擊能量1 kJ，2 kJ，3 kJ 的壓縮屈服力依次減少22.2%，17.2%及32.8%；從壓縮位移30 mm 能量角度來看，由于到達(dá)密實(shí)階段的時(shí)間相差較大，因此總吸收能量并未出現(xiàn)明顯階梯變化，也反映出同一芯材密度吸收能量的穩(wěn)定性。以試件E0T30D150吸收能量5 435 J 為例，試件E3T30D150 吸收能量為4 959 J，下降了8.75%。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表4所示。因此，受過沖擊損傷的試件剛度下降明顯，屈服力變小，屈服平臺(tái)變短，吸收能量的能力變差。

圖8(b)所示為不同溫度下沖擊損傷試件的壓縮荷載-位移曲線。試件所受沖擊能量為2 kJ，芯材密度為150 kg/m3。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表5所示。總體來說試件的剛度及強(qiáng)度在高溫下有一定的下降，在90 ℃時(shí)，剛度下降明顯，且整個(gè)階段基本處于上升階段，波動(dòng)較小，相較于試件E2T30D150 比較穩(wěn)定的三階段曲線(即有彈性階段、屈服平臺(tái)和壓實(shí)階段)，試件E2T90D150 吸能效果較差。試件E2T30D150壓縮30 mm所吸收能量為5 325J，屈服力為170 kN，溫度為50，70和90 ℃時(shí)，吸收能量分別下降8.5%，9.6%以及19.4%。所有試件的位移為30 mm 時(shí)，荷載較接近，壓實(shí)階段的位移基本相同。因此，高溫作用下的沖擊損傷更嚴(yán)重，剛度銳減，導(dǎo)致吸能能力下降，但壓縮到一定程度的極限屈服荷載較接近。

圖8 損傷試件的荷載-位移曲線Fig.8 Load-displacement curves of damaged specimens

為了研究受沖擊試件的壓縮表現(xiàn)，通過對(duì)未受沖擊和受2 kJ能量沖擊的3種芯材密度的試件進(jìn)行30 ℃下的準(zhǔn)靜態(tài)壓縮試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表5和圖6所示。受過沖擊損傷的試件吸能能力、屈服力均有降低(E0T30D200 試件試驗(yàn)位移未達(dá)到30 mm)，達(dá)到屈服平臺(tái)時(shí)的位移變大。與未受沖擊的試件相比，芯材密度為100 kg/m3的試件受沖擊之后的屈服強(qiáng)度下降了35.79%，芯材密度為150 kg/m3的試件下降了17.79%，芯材密度為200 kg/m3的試件下降了22.76%，從這些數(shù)據(jù)來看，芯材密度與沖擊損傷之后構(gòu)件的能量吸收能力、屈服力沒有明顯關(guān)系。

表4 不同沖擊能量損傷試件的試驗(yàn)結(jié)果Table 4 Test results with different impact damages

表5 不同試驗(yàn)溫度下試件的試驗(yàn)結(jié)果Table 5 Test results under different temperatures

表6 無沖擊損傷試件的試驗(yàn)結(jié)果Table 6 Test results of non-impact damaged specimens

表7 不同芯材密度試件的試驗(yàn)結(jié)果Table 7 Test results with different core densities

5 結(jié)論

1)芯材密度越大，沖擊損傷越?。凰拿媸芗s束的芯材比五面受約束的芯材損傷更嚴(yán)重；沖擊能量越大，沖擊損傷越大，腹板斷裂損傷數(shù)量明顯增加；環(huán)境溫度越高，沖擊損傷也越大。

2)隨著沖擊能量增大，沖擊力峰值也隨之增大；隨著試驗(yàn)溫度升高，試件的剛度有一定的下降，導(dǎo)致了峰值沖擊力的下降。

3)準(zhǔn)靜態(tài)壓縮試驗(yàn)時(shí)，沖擊損傷的試件大多沒有明顯的突然下降段，塑性屈服階段變短，密實(shí)階段提前發(fā)生。損傷試件剛度有一定下降，其抗沖擊能力下降，吸能能力減少；芯材密度越大，吸能能力提升顯著。

4)試驗(yàn)溫度對(duì)試件沖擊后剩余壓縮性能影響較大。隨著溫度升高，接近材料玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變溫度時(shí)，試件剛度顯著降低。