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建筑设备与建筑材料四川建筑第43 卷第4期围护结构纤维复合材料单板性能探讨孟晓明，陈恩莉，曾浩（中国建筑西南设计研究院有限公司，四川成都6 10 0 0 0）【摘要】在碳达峰碳中和的背景下，纤维复合材料应运而生。纤维复合材料良好的性能指标为建筑材料提供了多样化的选择。针对DBJ51/T185-2021四川省纳米蒙脱石纤维复合材料工程应用技术标准，对纤维复合材料弹性模量、泊松比、拉伸强度、压缩强度等性能指标在大量试验的基础上作出具体规定，结合有限元模拟、公式计算和试验结果，进一步论证了“四川省纤维复合材料地标”4.3.7 条相关参数的合理性，并对其进行正向论证，权衡安全性和经济性指标给出纤维复合材料计算挠度限值。【关键词】纤维复合板；围护结构；性能参数；折减系数；挠度限值【中图分类号】TU55*1.30引言随着科学技术和生产水平的不断提高，传统的建筑工程材料已经不能充分满足现代建筑的低碳需求，在碳达峰碳中和的背景下，需要找到性能更优的材料代替部分传统建筑工程材料，纤维复合材料应运而生，让我国建筑工程材料的选择更为多样化。纤维复合材料是由玻璃纤维、玄武岩纤维、碳纤维等或者其混合物作为增强材料的复合材料 。复合材料用纤维在高温条件下力学性能好、耐化学腐蚀性好、抗拉强度高、弹性模量高等优点，有着广泛的应用前景2-3 。与传统金属材料相比，金属成分一般比较均匀，常具有各向同性的力学性能4,复合材料的力学响应更为复杂。为满足纤维复合材料在维护系统中的使用需求，对纤维复合材料进行了大量性能试验，并辅以理论模拟，本文就外围护结构用纤维复合板进行专项讨论。1外围护结构用纤维复合板研发现状外围护结构用纤维复合板由树脂、纤维（玻璃纤维、玄武岩纤维或碳纤维）、蒙脱石为主要原料，通过拉挤或模压等工艺制成的复合材料构件。纤维复合材料构件优点众多5,将其应用于建筑行业应能发挥出较大的经济价值，对传统材料具有一定的替代性，由清华大学主编的T/CECS6922 0 2 0复合材料拉挤型材结构技术规程为采用纤维复合材料构件的主体结构工程设计、施工及验收提供了依据6 。目前还没有专门针对外围护结构用纤维复合材料工程应用技术标准，鉴于此我院针对纤维复合材料非主体结构构件工程应用制定工程应用技术标准，下面就DBJ51/T185-2021四川省纳米蒙脱石纤维复合材料工程应用技术标准（以下简称为“四川省纤维复合材料地标”），4.3.7 条矩形面板截面最大应力计算公式和4.3.8 条纤维复合板的挠度计算公式相关参数展开讨论。针对纤维复合单板的性能指标，做了大量的试验，部分试验照片见图1 图4，本文针对主纤维向拉伸弹性模量、次264【文献标志码】A纤维向拉伸弹性模量、主纤维向压缩弹性模量、次纤维向压缩弹性模量、泊松比、主纤维向拉伸强度、次纤维向拉伸强度、主纤维向压缩强度、次纤维向压缩强度，给出5组数据(表1)。图1实验仪器图3 试验材料一定稿日期 2 0 2 2-10-17作者简介孟晓明（19 8 7 一），男,硕士，工程师，从事外围结构设计及围护结构材料研发工作；陈恩莉（19 7 9 一），女，硕士，高级工程师，从事外围结构设计及围护结构材料研发工作；曾浩（19 9 0 一）,男，本科,工程师，从事外围结构设计及围护结构材料研发工作。图2 实验过程图4试验材料二孟晓明，陈恩莉，曾浩：围护结构纤维复合材料单板性能探讨表1纳米蒙脱石纤维复合材料性能指标主纤维向次纤维向项目拉伸弹性拉伸弹性压缩弹性压缩弹性模量/MPa模量/MPa136700232500332300437800535000基于试验数据结果，可以发现纤维复合板主纤维方向弹性模量、拉伸弯曲强度值较高，表现出该材料优良的抗拉伸抗弯曲性能，次纤维方向相对较弱，考虑到材料制作过程的人为误差和材料配比的不均性性，“四川省纤维复合材料地标”3.2 节中，将主纤维向拉伸弹性模量设定为不小于17 0 0 0MPa，主纤维向抗拉伸强度不小于2 0 0 MPa,次纤维向拉伸弹性模量设定为不小于13 0 0 MPa，次纤维向拉伸强度不小于24MPa,泊松比不小于0.3，主纤维向压缩弹性模量设定为不小于12 0 0 0 MPa，次纤维向压缩弹性模量设定为不小于1200MPa,主纤维向压缩强度不小于10 MPa,次纤维向压缩强度不小于2 MPa。基于上述性能指标，展开对纤维复合材料单板进行力学验算，以确定单板理论验算公式，进而为工程应用提供参考。2围护结构用纤维复合材料单板弹性小挠度公式计算与有限元结果对比wk板幅/mm基本风压0.3 0 kN/m有限元分析值强度/挠度/强度/挠度/值强度/挠度/强度/挠度/值强度/挠度/强度/挠度/MPammMPa600 60018.5620.9016.5719.8525.8524.7526.0021.1826.4634.4746.4149.3036.0049.6164.62600 70034.3822.30 24.4025.837.2845.8628.60 31.7034.449.7185.98 55.0055.6064.5093.21600 80058.6527.5043.1031.34 54.7678.2335.1050.9441.7973.02146.6866.8091.1078.36136.91600 90093.9530.2055.0738.3981.77125.3237.9070.6051.18109.02234.9572.80118.6695.97204.43600 1000143.2 31.7071.7946.22121.27 191.0040.7098.3061.63161.69358.1076.60139.02115.56 303.17600 1100209.6635.04103.2754.98175.15279.6445.10131.3073.3233.52524.2985.00209.87137.44437.86600 1200296.9437.50135.4264.34245.14396.0648.10163.7085.78326.84742.5690.65261.60160.84612.85表2 公式计算结果强度与有限元分析结果比较，公式计mm,是纤维板厚度的7.5倍,若按照弹性小变形薄板理论计算结果随着值的增加较有限元结果显著增大,分析结果差算应力、挠度值会比实际值大很多。理论计算结果不能反映异的原因为小变形理论的适用前提是板挠度不超过板厚度，纤维板本身的受力状态和变形状态，对于指导工程设计偏差纤维板本身具有很强的抗拉伸能力和变形能力,其允许变形较大，容易造成材料用量增加，理论指导公式也就失去了实远超过纤维板本身厚度，如果按照式(1)计算应力，随着挠度际的意义,因而需要考虑引进修正系数。与板厚比值加大，计算应力会比实际增加较多。3围护结构用纤维复合材料单板折减系数确定通常纤维板的挠度允许值可达到计算跨度的1/3 0,对于点支撑复合纤维板在风荷载的作用下，受力状态类同于900mm的板,厚度为5mm的单板,挠度允许值可以达到3 0265主纤维向模量/MPa模量/MPa1476169001406206001439186001524234001436301006mw/ba公式计算mm次纤维向22761552147019201860(1)表2不同基本风压验算结果基本风压 0.40 kN/m有限元分析MPammMPa主纤维向拉次纤维向拉主纤维向压次纤维向压泊松比伸强度/MPa伸强度/MPa缩强度/MPa缩强度/MPa0.33348.70.40379.10.33371.60.33368.60.35282.3式（1)在弹性小挠度情况下推导出来的，是假定面板只产生弯曲变形和弯曲应力,忽略面内的薄膜应力7 。基于第2节的材料参数，就小挠度理论公式应力和位移公式计算结果与有限元模拟结果进行对比，选定7 种板幅尺寸分别为600 mm1200 mm、6 0 0 mm 110 0 mm、6 0 0 mm 10 0 0 mm、600 mm900 mm,600 mm 800 mm、6 0 0 m m 7 0 0 m m,6 0 0mm600mm,在基本风压为0.3 0 kN/m、0.40 k N/m.0.80kN/m3种不同基本风压值地区,地面粗糙度均为B类,计算标高为10 0.0 m的计算条件下，选用5mm厚度的单板为验算对象,结果如表2 所示。公式计算mm13.09.713.312.415.8Et。4d.DEt.D12(1-)基本风压0.7 5kN/m有限元分析MPammMPa34.030.640.835.630.78.68.88.07.36.8(2)(3)(4)公式计算mm建筑设备与建筑材料四点支撑板，可按四点支撑板计算其跨中最大弯矩和最大应力。该应力与其他作用产生的应力分项系数进行组合后，不应大于纤维复合材料（单向布置纤维）的力学性能指标M12一列指标值（此处以单项纤维板为例），纤维复合板的内力采用弹性力学的方法计算较为妥当,大挠度纤维板的计算是比较复杂的非线性弹性力学问题，难以用简单的公式直接表达，针对具体问题进行相应的模拟分析，通常会借助有限元模拟软件（目前常用的有限元软件有ANSYS、A BA Q U S 等），对于常规的外围护系统设计复杂而且不方便。为工程中方便使用，应提供简单易行，且计算精度满足工程设计要求的简化计算方法，“四川省纤维复合材料地标”4.3.7 条纤维复合材料面板强度采用弹性小挠度计算公式,并考虑与大挠度分析方法计算结果的差异,将式（1）、式(3)计算值予以折减,式(5)根据英国B.Aalami和D.G.Wil-liams 发表于Thin Plate Design For Transverse Loading一书中，根据其大量计算结果，适当简化、并便于实际使用，选择了与变形相关的参数为主要参数，编制了式(6)7 。在大量试验，结合有限元分析结果，将纤维复合材料面板强度、度计算公式折减系数确定见表3。Qwkt2W4Et4四川建筑第43 卷第4期uw.b。4dDEt.D12(1-2)表3折减系数120.040.060.0 80.0100.0120.01.000.980.960.940.910.88200.0250.0300.0350.0 400.0500.0600.00.820.780.74 0.700.660.63从表4的数据结果分析,折减系数随着值的增加下降较快，即按小挠度公式计算的应力和挠度可以折减较多，为保证工程安全稳妥，在编制规范表4.3.7 时，取了计算结果偏安全的数值，并留有充分的安全余量。按“四川省纤维复合材料地标”规范表4.3.7 公式计算结果进行折减，不仅减小了板材厚度，节约了材料，而且还有一定的安全储备，计算挠度时也应考虑该折减系数。从第2 节可知纤维板的承载力较高，主纤维向抗拉强度高于Q235钢材，为充分发挥纤维板承载力，不宜对其变形控制过严，综合有限元模拟与公6mw;bo2(7)(8)150.00.850.60(5)式验算结果,考虑其安全性和经济性的平衡，在实际工程应用中,纤维板通常是带有加劲肋的，计算变形要小于平板挠(6)度，因此将平板挠度限值取为计算跨度的1/3 0。表4不同基本风压验算结果基本风压0.3 0 kN/m基本风压 0.40 kN/m有限元分析公式计算板幅/mm值强度/挠度/强度/挠度/值强度/挠度/强度/挠度/值强度/挠度/强度/挠度/MPammMPa600 6001.020.9016.57 19.8525.850.99526.0021.18 26.3234.300.97449.30 36.00 48.3262.81600 7000.98622.30 24.40 25.4036.700.974 28.6031.7033.5048.410.931 55.0055.6060.00 88.78600 8000.96127.5043.1030.10 52.60 0.94235.1050.9439.3768.78 0.85366.8091.1066.84116.78600 9000.91930.2055.0735.30 75.14 0.87537.9070.60 44.78 95.390.79272.80118.6676.00161.90600 10000.85731.7071.7939.61103.90.82540.7098.3050.84133.390.69476.60139.0280.20210.39600 11000.81235.04103.2744.64142.220.75645.10131.3055.41176.540.62385.00209.8785.62272.78600 12000.74237.50135.4247.74181.890.66348.10163.7056.87216.690.690.65261.6096.50367.714强度系数、挠度系数正向验证为了充分验证式（5）式（8)的合理性，对公式中涉及到的各参数进行正向验证，选定7 种板幅尺寸分别为6 0 0mm 1 200 mm,600 mm 1 100 mm,600 mm 1 000 mm,600mm 900 mm600 mm 800 mm,600 mm 700 mm,600 mm 600mm，在基本风压为0.3 5kN/m,0.60kN/m2种不同基本风压值地区,地面粗糙度均为B类,计算标高为10 0.0 m的计算条件下，选用5mm厚度的单板为验算对象，结果见表5。从表5计算结果可以发现，公式计算强度值和有限元模拟强度值拟合较好，公式计算结果比有限元模拟结果总体偏大，强度结果二者数据较为接近拟合较好，挠度结果公式算法比有限元模拟结果随着值增大逐渐减小。“四川省纤维266基本风压0.7 5kN/m有限元分析公式计算mmMPa复合材料地标”规范4.3.7 对于指导工程设计是可行的，而且具有一定的安全储备。5结论（1)复合材料用纤维在高温条件下力学性能好、耐化学腐蚀性好、抗拉强度高、弹性模量高等优点，其对传统材料具有一定的替代性。（2)通过多组试验数据结果，综合生产工艺和经济指标，“四川省纤维复合材料地标”对外围护结构用纤维复合板材料力学性能指标作出具体规定。（3)纤维复合材料具有良好的抗拉抗弯性能，综合其安全性和经济性的平衡，在实际工程应用中,单板挠取值可以为计算跨度的1/3 0。（4)通过多组有限元模拟结果与公式计算结果对比，确定有限元分析mmMPa公式计算mmMPammMPamm孟晓明，陈恩莉，曾浩：围护结构纤维复合材料单板性能探讨表5不同基本风压验算结果基本风压0.3 5kN/m有限元分析公式计算数据对比/%板幅/mm值值强度/挠度/强度/度/强度挠度MPammMPa600 6000.99821.6620.50 18.90 23.1230.1112.8059.300.98337.13 33.3030.8339.0250.83 17.2064.90600 7000.98040.12 25.3428.1428.92 42.6314.10 51.500.951 68.7940.3045.7048.1470.9519.5055.30600 8000.95268.4427.7643.22 34.8060.8125.4040.700.883117.3545.6869.2355.3596.7121.2039.70600 9000.896109.6331.58 62.9740.12 85.45 27.0035.700.827187.9751.5599.39 63.53135.3323.2036.20600 10000.840167.1041.4387.7845.30118.839.3035.40 0.751286.5064.84136.1369.44182.167.1033.80600 11000.784244.6543.33117.8450.31160.2916.10 36.000.654419.4669.72179.1671.95229.233.2027.90600 12000.703346.5050.24153.2452.76201.045.0031.200.602594.0974.52228.3177.46295.143.9029.30注：数据对比列数据为公式结果减去有限元结果差与有限元结果的百分比。“四川省纤维复合材料地标”中矩形板强度和挠度公式计算2叶列平,冯鹏.FRP在工程结构中的应用与发展J.土木工程折减系数。学报,2 0 0 6,3 9(3):2 4-3 6.(5)采用所得出的折减系数进行正向举例验证,验证结3杨超越，肖志杰，高翼强.玄武岩二维编织结构复合材料力学果与有限元计算结果基本一致，表明“四川省纤维复合材料性能研究J.复合材料科学与工程，2 0 2 0（3）：52-6 5.地标”折减系数合理可行。4李祖湛.玄武岩纤维复合材料层合板静、动态力学响应研究D.绵阳：西南科技大学，2 0 17.5高磊，胡国辉，徐楠，等.玄武岩纤维工程性质研究进展J.地参考文献下空间与工程学报，2 0 14,10（S2）：17 49-17 54.6复合材料拉挤型材结构技术规程：T/CECS692-2020S.1 四川省纳米蒙脱石纤维复合材料工程应用技术标准：DBJ51/T185 2021S.基本风压0.6 0 kN/m有限元分析公式计算数据对比/%值值强度/挠度/强度/挠度/强度挠度mmMPammMPamm7玻璃幕墙工程技术规范：JGJ102-2003S.本刊启事四川建筑杂志系国内外公开发行的中文期刊，四川建筑杂志有限责任公司是唯一的编辑出版单位。本刊从未委托任何中介公司代理稿件推荐工作，更未委托其代收稿件版面费，特此声明。恭请广大作者注意，以免上当受骗，造成不必要的损失。四川建筑杂志官网已上线，可进行网上投稿、查稿，来稿均请官网投发。四川建筑编辑部地址：四川省成都市金牛区解放路二段9 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