纤维复合材料构件的受力分析原理

　　复合材料是两种或多种不同组织相的材料在宏观尺度上组成的工程材料。纤维复合材料就广义而言,包括钢筋混凝土和树脂纤维复合材料,其应用日趋广泛,已涉及房屋、桥梁、机械元件、宇航、汽车车身等诸多领域。人们在制作复合材料构件前,应根据其使用要求进行试验、设计,要研究构件在承受作用(或作用效应)时构件强度、刚度和稳定性的计算原理和方法,这就促使了纤维复合材料在不同的应用领域形成相应学科,即钢筋混凝土结构学和复合材料力学,两者的计算方法也不同[1,2,3,4]。但两门学科的研究对象有本质上的一致性,即在宏观尺度上基体(树脂、混凝土,混凝土本身是颗粒复合材料,在这里视作单相材料)与连续分布于基体内的纤维(钢筋呈编织状的纤维)协调地共同工作。它们应有共同的工作机理和分析模型。现试图从这一角度出发来探讨建立这个分析模型的基本思路和在复合材料中产生的相关力学现象。

　　1 分析模型

　　纤维复合材料由基体和连续(或相对连续)分布于基体中的劲料组成,两者缺一不可。为了便于分析两种材料在构件中的作用和它们之间的相互作用,先来观察工程实践和试验室中出现的现象。如果制作三根尺寸相同,选用材料一样的钢筋混凝土简支梁:第一根选用适量的钢筋在梁的受拉区底部沿梁的纵向布置;第二根梁采用同等数量的钢筋在梁的受压区顶部沿梁的纵向布置;第三根梁将同等数量的钢筋按梁的宽度裁为短段,用这些短钢筋在梁的受拉区底部沿梁的横向布置。在荷载作用下,第一根梁能正常工作,而后两者却不能正常工作,若跨度稍大,后两根梁将被自重折断。这表明,对复合材料构件中的劲料,除了要求它的数量要适当外,它的布设位置和方向同样是影响构件成败的重要因素。为了进一步说明问题,不妨来考察复合材料构件在尚未布设劲料时,即构件完全由基体材料组成时的情况。假设基材为理想的线性弹塑均质材料,当构件受力后,在构件的弹性变形阶段内,构件上所有截面上各点的应力可以用弹性理论(或材料力学)或者用模型试验(如偏光弹性试验)来确定。这时构件内每点的应力状态形成的整个应力场是唯一的、可确定的。这个应力场展示了构件受力后各截面上的应力分布规律,各点的应力大小和方向。随着荷载的增加,构件进入塑性变形阶段直至最后破坏。

　　在这一过程中,构件内部的应力场和破坏特征理应成为布设劲料的根据。若构件在其工作阶段内,其应力值都不会超过基体材料相应强度允许值的部位,从理论上讲就不必布设劲料;而那些应力值将达到甚至超过基体材料相应强度允许值的部位和区段,就必须按应力大小和方向的要求连续布设劲料,使用劲料来承受这些部位或区段的应力,或者使劲料所起作用足以代替可能失效的那部分基体材料所起的作用。这样才能使构件不过早破坏而保证其正常工作,应力场为布设劲料指出了应有的位置和方向。