高溫下復合材料橋梁防撞裝置節段沖擊及殘余性能試驗

(南京工業大學土木工程學院，江蘇南京，211816)

復合材料具有比強度高、比剛度大和耐腐蝕等優良性能，在建筑、土木和交通等領域得到廣泛的應用[1-4]。復合材料夾芯結構是復合材料結構體系的重要分支，一般由2層高強度薄面板與中間的輕質夾芯通過膠接而成。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]。在中間的輕質芯材和上下2 層高強面板的配合下，復合材料夾芯結構在保證整體輕質的同時，還能保證整體的較高強度和彈性模量。

復合材料防撞緩沖裝置具有質量輕和易于安裝等優點，逐漸廣泛用于車、船撞擊橋梁等的防護技術開發。經過多年的研究和發展，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，但積累的沖擊試驗數據還比較少，尤其是環境溫度對沖擊性能的影響更少。因此，相關技術的可靠性還沒有得到充分的驗證。FARLEY[6]進行了大量的撞擊試驗和理論分析，發現混雜復合材料的能量吸收能力比單個類型纖維復合材料的稍好；AKIL 等[7]研究了低密度泡沫芯材夾層結構在落錘沖擊荷載下的損傷，并指出夾層結構的動態響應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，預測夾層結構在低速沖擊下的結構響應；劉偉慶等[8-10]研發了格構增強復合材料橋梁防撞裝置，研究表明復合材料橋梁防撞裝置具有良好的緩沖吸能作用，并將其應用到實際的橋梁防撞工程項目中，橋墩受到的最大船撞力減小了1/3左右。復合材料板殼結構的損傷破壞機理與管狀結構有較大的差別，在沖擊載荷作用下復合材料板殼結構會將一部分沖擊能量轉化為彈性形變能，另一部分的能量則轉變為不可恢復的損傷破壞變形。

與室溫環境下復合材料夾層結構沖擊損傷的研究工作相比，高溫和低溫環境下夾層結構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 ℃溫度區間內的低速沖擊試驗，發現在相同的沖擊能量下，夾層結構在70 ℃時的能量吸收能力比在20 ℃時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，發現溫度變化對最大接觸力的影響較小，但纖維斷裂層數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度隨著溫度升高而顯著下降。

綜上所述，雖然層合結構高溫下沖擊性能已有研究，但考慮環境溫度影響的復合材料夾芯構件沖擊性能研究尚不充分。因此，本文以格構增強復合材料防撞裝置節段為研究對象，開展了考慮環境溫度影響的沖擊性能試驗研究。

1 試驗準備

1.1 試件制作

本試驗中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。試件采用真空導入一體成型工藝[15]。試件長×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6層。本次試件在南京工業大學先進工程復合材料研究中心的試驗室內加工成型，截取了防撞裝置的節段即方形夾層板(圖1)進行試驗研究，也可根據不同需求定制模具來滿足工程所需的復合材料防撞裝置系統。

1.2 試驗方案

圖1 復合材料橋梁防撞裝置Fig.1 Composite ship-bridge anti-collision system

圖2 試驗加載設備Fig.2 Test set-up

本次落錘沖擊試驗在DTM2235-II 型落錘試驗機上完成。落錘試驗機的最大沖擊能量為230 kJ，該系統包括豎直的鋼架結構、提升系統、落錘錘體、緩沖設施、控制系統、量測設備及其他附件。質量鋼塊可根據需求自由加載和卸載，如圖2所示。DTM2235-II 落錘沖擊試驗機錘頭直徑為300 mm 的圓形，單個錘體質量為200 kg，錘頭固有質量為50 kg，可自由加減錘體質量塊。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滑移。沖擊力使用壓電傳感器測得。

此次試驗的控制變量為泡沫芯材密度、沖擊能量和環境溫度。試件命名規則為：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分別代表環境溫度為30，50，70 和90 ℃。試件部分工況如表1所示。

準靜態壓縮試驗加載速率為2 mm/min，每個試件加載壓縮到50%高度時停止，并記錄荷載-位移曲線。加載裝置如圖2(c)所示。沖擊試驗施加溫度裝置為高溫烘箱[16]，加溫區間為10～200 ℃，具有定時和保溫的功能。除了對箱內溫度的監控外，還在試件內埋入WZPT-10型熱電偶進行溫度控制。

2 材料性能試驗

采用差式掃描量熱儀對復合材料和泡沫進行玻璃態轉變溫度的測量。試件以5 ℃/min的速率進行升溫，氮氣流量為100 mL/min。試驗結果表明，復合材料和泡沫的玻璃態轉變溫度分別為79.3 ℃和72.1 ℃。將聚氨酯泡沫切割成長×寬×高為75 mm×75 mm×50 mm 的試件進行高溫下材性試驗[17]。實驗結果如表2所示。

GFRP 壓縮試驗的試件長×寬×厚為10 mm×10 mm×30 mm[18]。拉伸試驗的試件長×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，使用結構膠黏結，以防止試件兩端先發生局部破壞而影響試驗結果。實驗結果如表3所示。

3 沖擊試驗

3.1 沖擊破壞模式

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

表1 30 ℃時部分試件工況Table 1 Impact test of specimens at 30 ℃

表2 泡沫壓縮試驗結果Table 2 Material properties of foam MPa

3.2 沖擊試驗結果分析

試驗可見，隨著泡沫密度增大，沖擊損傷減小。芯材損傷沿著格構損傷點延伸的裂紋，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重。沖擊能量越大時，沖擊損傷越大，格構腹板損傷數量明顯增加。在低能量沖擊時，格構腹板出現較少裂紋，損傷點基本分布在靠近上面板處；在高能量沖擊時，格構腹板全部損傷斷裂，損傷破壞點大部分分布在靠近上面板處，少量開裂出現在中部及下部。當溫度越高時，沖擊損傷越大。高溫對復合材料面板的影響較大。溫度越高，更易發生上面板與格構腹板的脫黏，由于高溫作用，泡沫彈性模量變小，受到擠壓后泡沫出現壓潰。

圖4所示為試件的沖擊力時程曲線。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 時泡沫芯材密度對最大峰值力的影響。由圖5(a)可見：芯材密度為100 kg/m3時，30 ℃時的峰值力為280 kN，50，70和90 ℃時，對應的峰值力依次下降16.1%，28.2%和44.6%；芯材密度為150 kg/m3時，30 ℃時的峰值力為314 kN，50，70和90 ℃時的峰值力依次下降20.0%，21.0%和41.7%；芯材密度為200 kg/m3時，30℃時的峰值力為361 kN，50，70和90 ℃時的峰值力依次下降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 ℃時沖擊能量對最大峰值力的影響。由圖5(b)可見：芯材密度為100 kg/m3時，沖擊能量為1 kJ 時的最大峰值力為224 kN，沖擊能量為2 kJ 和3 kJ 時，最大峰值力分別提高25.0%和52.7%；芯材密度為150 kg/m3時，沖擊能量為1 kJ時的最大峰值力260 kN，沖擊能量為2 kJ和3 kJ 時，最大峰值力分別提高20.8%和37.7%；芯材密度為200 kg/m3時，沖擊能量為1 kJ 時的最大峰值力330 kN，沖擊能量為2 kJ和3 kJ時，最大峰值力分別提高9.4%和16.4%。因此，沖擊能量越大時，芯材密度的對于峰值力的提高效率減緩。

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

4 沖擊后準靜態壓縮試驗

4.1 準靜態壓縮試驗現象

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，試件的準靜態壓縮試驗的壓縮變形過程大致可以分為3 個階段：彈性變形階段、塑性屈服階段和密實階段，曲線變化趨勢接近。彈性變形階段的變形量占整個加載過程變形量的16.7%～23.3%，這一階段荷載呈線性快速增長；隨后荷載出現一定下降和波動，泡沫也逐漸壓實，總體維持在近似屈服平臺的狀態，但有較小上升趨勢，塑性屈服階段變形約占整個過程的2/3，荷載增長較小；密實階段變形小，但荷載增長迅速，此時的格構腹板全部斷裂，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過程的13.3%。

圖5 不同影響參數下最大峰值力比較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，選取了溫度30 ℃，泡沫芯材密度為150 kg/m3的試件，進行了沖擊能量為0(未受沖擊損傷)，1，2 和3 kJ 能量下的壓縮對比試驗，破壞模式如圖7所示?？偟膩碚f，試件E3T30D150 損傷最嚴重，泡沫從中間位置開始斷裂，面板翹曲嚴重，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，泡沫芯材未見損傷，斷裂前力達到最大，此后迅速下降，泡沫芯材明顯壓實，加載結束時，全部格構腹板斷裂變形嚴重；試件E1T30D150 原損傷為上層有輕微脫黏，中線處泡沫有裂痕，格構輕微損傷，加載結束后，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處格構腹板有斷裂，加載到10.4 mm時，原斷裂處繼續變形，斷裂加深，此后走勢較平穩，沿著原損傷處發展，泡沫繼續壓潰溢出，加載完成后，格構腹板上下兩端均折斷，泡沫壓潰較多；試件E3T30D150 原損傷為格構腹板全部斷裂，上面板裂口較長，有一側泡沫壓潰溢出，加載到9.3 mm時，經過一個2 mm 的平臺，到11.3 mm 時，力小幅下降，之后總體呈平穩上升趨勢，加載完成后，芯材壓潰溢出面積大，一側面板翹曲嚴重。

圖7 損傷和未損傷試件準靜態壓縮試驗比較Fig.7 Quasi-static compression tests on damaged and undamaged specimens

4.2 準靜態壓縮試驗結果分析

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，且最快到達壓實階段，位移達到23 mm 之后荷載持續上升，即塑性屈服平臺較短。就彈性階段基本結束時的位移而言，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，出現了試件E1T30D150的屈服力比E2T30D150 的屈服力小的現象，以E0T30D150 的屈服力256 kN 作為對比，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，由于到達密實階段的時間相差較大，因此總吸收能量并未出現明顯階梯變化，也反映出同一芯材密度吸收能量的穩定性。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%。實驗結果如表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。實驗結果如表5所示?？傮w來說試件的剛度及強度在高溫下有一定的下降，在90 ℃時，剛度下降明顯，且整個階段基本處于上升階段，波動較小，相較于試件E2T30D150 比較穩定的三階段曲線(即有彈性階段、屈服平臺和壓實階段)，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，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，荷載較接近，壓實階段的位移基本相同。因此，高溫作用下的沖擊損傷更嚴重，剛度銳減，導致吸能能力下降，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，通過對未受沖擊和受2 kJ能量沖擊的3種芯材密度的試件進行30 ℃下的準靜態壓縮試驗，實驗結果如表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 試件試驗位移未達到30 mm)，達到屈服平臺時的位移變大。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%，從這些數據來看，芯材密度與沖擊損傷之后構件的能量吸收能力、屈服力沒有明顯關系。

表4 不同沖擊能量損傷試件的試驗結果Table 4 Test results with different impact damages

表5 不同試驗溫度下試件的試驗結果Table 5 Test results under different temperatures

表6 無沖擊損傷試件的試驗結果Table 6 Test results of non-impact damaged specimens

表7 不同芯材密度試件的試驗結果Table 7 Test results with different core densities

5 結論

1)芯材密度越大，沖擊損傷越??；四面受約束的芯材比五面受約束的芯材損傷更嚴重；沖擊能量越大，沖擊損傷越大，腹板斷裂損傷數量明顯增加；環境溫度越高，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；隨著試驗溫度升高，試件的剛度有一定的下降，導致了峰值沖擊力的下降。

3)準靜態壓縮試驗時，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，密實階段提前發生。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)試驗溫度對試件沖擊后剩余壓縮性能影響較大。隨著溫度升高，接近材料玻璃態轉變溫度時，試件剛度顯著降低。