新型夹层结构材料的结构性能及一体化设计方法研究

本项目是江苏省属高校自然科学重大基础研究项目的延续。.本项目提出采用高强纤维与轻质芯材，通过增强型界面构造和先进的树脂固化成型工艺，制备工程用大型结构构件。新型夹层结构材料的面板选用国产多轴向玻璃纤维或玄武岩纤维作为增强材料，主要承受弯曲变形引起的正应力；中间是芯材，选用泡沫或泡桐木等轻质材料，为构件提供足够的截面惯性矩和抗弯刚度；提出采用齿槽式、点阵式和格构式界面增强技术，来提高面板与芯材之间的抗剥离和协调工作能力，并增强芯材的受剪和受压能力。该新型结构材料构造新颖，具有轻质高强、保温、隔声、防潮和耐腐蚀等性能，可代替钢或混凝土制造建筑、桥梁、船舶、交通等工程领域的结构构件。在前期制备工艺、材料基本物理力学性能研究的基础上，本项目将重点研究新型夹层结构材料的界面增强机理、连接构造及其受力机理、基本构件的结构性能以及材料-结构一体化设计理论等，为工程结构提供一种绿色高性能多功能的结构材料。

本项目提出采用高强纤维与轻质芯材，通过创新构型界面和先进成型工艺，制备工程用大型复合材料结构构件，具有轻质高强、抗冲击、耐腐蚀等性能；重点研究了界面增强机理、结构性能、节点连接与一体化设计方法。. 复合材料夹层结构的面层选用国产多轴向玻璃纤维面层，主要承受弯曲变形引起的正应力；中间是芯材，选用泡沫、泡桐木或花旗松胶合木等轻质材料，为构件提供足够的截面惯性矩；提出采用齿槽式、点阵式、格构腹板式界面增强技术，来提高面板与芯材之间的抗剥离和协调工作能力，并增强芯材的受剪和受压能力。. 开展了50余组新型夹层结构梁、板的受弯性能试验，得出了不同参数条件下构件的破坏形式和极限承载力，分析了格构腹板等界面增强技术对其受弯性能的影响，基于经典夹层梁理论和弹性力学理论，建立了界面增强型夹层板刚度等效计算模型。. 提出了适用于泡桐木夹层梁的自插式胶接与金属型材插入式胶接两类节点连接方式，通过受弯性能试验，研究了节点的变形特性、破坏机理和强度影响因素。. 采用双悬臂梁方法对点阵型、齿槽型及格构式复合材料夹层结构的界面特性进行了试验研究，重点研究了点阵型和齿槽型两种创新型界面构造对泡桐木夹层结构界面性能和抗弯性能的影响，分析了界面增强机理，推导了泡桐木夹层结构的应力分布公式，采用化学方法，对齿槽增强型泡桐木夹层结构的微观界面进行了改性，显著提高了泡桐木夹层结构的界面性能。基于有限元方法和界面断裂理论，对齿槽增强型泡桐木夹层结构的界面破坏过程进行了精确模拟，得到了界面粘结强度的理论解。. 在上述理论研究基础上，设计开发了泡桐木夹芯复合材料道路垫板、窨井系统、复合材料—竹木叠层桥面板、格构腹板增强型复合材料桥面板、折线型泡桐木夹芯复合材料板桩等新产品，实现了大型复合材料结构构件的关键技术集成与工程应用，为土木基础设施建设提供了一种绿色高性能结构材料。. 本项目共发表论文26篇，其中SCI收录1篇、EI收录5篇、ISTP收录2篇；申请国家发明专利12项，获授权8项，研发新产品5项。