ｐｒｏｃｅｅｄｅｄ ｗｉｔｈ ｏｎｌｙ ｌｉｍｉｔｅｄ ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎ ｄｕｅ ｔｏ ｔｈｅ ｄｉｓｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｔｅｌｙ ｌｏｗ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｉｎｖｅｓｔｍｅｎｔ ｉｎ ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ协ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ａｎｄ ｅｘｐｅｎｄｉｔｕｒｅ．Ａ ｎｕｍｂｅｒ ｏｆ ａｄｖａｎｃｅｄ ｍａｔｅｒｉａｌｓ ｗｉｔｈ ｇｒｅａｔ ｈａｖｅ ｒｅｃｅｎｔｌｙ ｓｔａｒｔｅｄ ｔｏ ｍａｋｅ ｉｎｒｏａｄｓ ｉｎｔｏ ｔｈｅ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｍａｒｋｅｔ．Ｃａｒｂｏｎ ｆｉｂｅｒ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ。、ｖｉ饿ｇｒｅａｔｌｙ ｉｍｐｒｏｖｅｄ ｃｏｒｒｏｓｉｏｎ
增强材料复合而成的新型碳纤维复合材料结构构件。通过对构件在不同纤维铺层
方式下的抗弯性能研究，探讨这类结构构件的工艺设计制作方法和抗弯性能，并
在试验研究的基础上提出这类构件的抗弯承载力计算方法。本文主要研究成果如
下：
１、碳纤维复合材料构件的设计要同时考虑材料、结构和工艺三个方面，复合
材料的性能与基材的力学性能、成型过程有关。构件的设计应遵循均衡对称铺设、
ａ ｎｕｍｂｅｒ ｏｆａｒｅａｓ，翔ｅ ａｄｖａｎｔａｇｅｓ ｏｆｔｈｅ ｎｅｗ ｃｏｎｃｅｐｔｕａｌ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ ｉｎｃｌｕｄｅ ｈｉＩｇｈ ｌｏａｄ
ｃａｒｒｙｉｎｇ ｃａｐａｃｉｔｙ，ｅｘｃｅｌｌｅｎｔ ｆａｔｉｇｕｅ ｂｅｈａｖｉｏｒ，ｏｕｔｓｔａｎｄｉｎｇ ｄｕｒａｂｉｌｉｔｙ ａｎｄ ｌｏｗ ｗｅｉｇｈｔ． 犯）Ｔｈｅ ｂｅｈａｖｉｏｒ ｏｆｔｈｉｓ ｔｙｐｅ ｏｆｃｏｍｐｏｎｅｎｔ ｉｓ ａｆｆｅｃｔｅｄ ｂｙ ｓｅｖｅｒａｌ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ，ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ
部件和连接件的数量，从而缩短加工周期，降低成本，提高构件的可靠性。
（３）发挥复合效应的优越性 复合材料各组分经工艺加工后所表现出的性能不
是几种材料各自性能的简单混合，而是按照复合效应形成新的性能，这种复合效应
是复合材料所独有的特性。
（４）性能对复合工艺的依赖性复合材料结构在形成过程中有组分材料之间复
南京工业大学 硕士学位论文 碳纤维复合材料结构构件的抗弯性能研究 姓名：彭亚 申请学位级别：硕士 专业：结构工程 指导教师：刘伟庆;陈程林
20030510
南京工业大学硕士学位论文
碳纤维复合材料结构构件的抗弯性能研究
硕士研究生：彭亚 指导老师：刘伟庆教授陈程林教授级高工
摘要
近年来，碳纤维出于其具有的轻质高强特性，日益受到结构工程界的高度关
ｎ
ＡＢＳＴＲＡＣＴ
ｒｅｄｕｎｄａｎｃｙ ａｎｄ ｗａｒｎｉｎｇ ｏｆｆａｉｌｕｒｅ，ｗｈｉｃｈ ｉｓ ｏｎｅ ｏｆｉｔｓ ｄｉｓａｄｖａｎｔａｇｅｓ． Ｏｎ ｔｈｅ ｂａｓｅ ｏｆ ａｌｌ ｔｈｅｓｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｒｅｓｕｌｔｓ，ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ａｌｓｏ ｐｒｅｓｅｎｔｓ ｔｈｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｔｏ ｔｈｅ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｏｆ ｓｔｒｅｓｓ ａｎｄ ｓｔｒａｉｎ，ｆａｉｌｕｒｅ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ａｎｄ ＳＯ ｏｎ．Ｍｏｒｅｏｖｅｒ，ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｄｅｒｉｖｅｓ ｔｈｅ ｓｉｍｐｌｅ ｆｏｒｍｕｌａ ｏｆ ｔｈｅ ｕｌｔｉｍａｔｅ ｆｌｅｘｕｒａｌ ｌｏａｄｉｎｇ ｏｆ ｔｈｉｓ ｔｙｐｅ ｏｆ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ． Ｔｈｅ ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ ｒｅｓｕｌｔｓ ｏｆ ｔｈｅ ｅａｃｈ ｔｙｐｅ ｏｆ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ ａｒｅ ａｇｒｅｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ
注。采用碳纤维制作结构构件，可以实现传统建筑材料无法达到的结构性能，因
此，碳纤维复合材料在土木工程的一些特殊领域具有较大的利用价值和广泛的应
用前景。但是，目前我国在复合材料结构构件的复合方式、工艺制作和结构性能
等方面的研究距离实际应用需要还存在相当大的差距。本文在分析国内外最新研
究成果的基础上，提出利用轻质材料为芯材、环氧树脂为基体、单向碳纤维布为
。
关键词：碳纤维复合材料结构性能结合层芯材极限承载力
南京工业大学硕士学位论文
Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ Ｓｔｕｄｙ ｏｎ Ｆｌｅｘｕｒａｌ Ｂｅｈａｖｉｏｒ ｏｆ
Ｃａｒｂｏｎ Ｆｉｂｅｒ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ Ｍｅｍｂｅｒｓ
Ｇｒａｄｕａｔｅ ｓｔｕｄｅｎｔ：Ｙａ Ｐｅｎｇ Ａｄｖｉｓｏｒｓ：Ｐｒｏｆ．Ｗｅｉｑｉｎｇ Ｌｉｕ＆Ｓ。Ｅｎｇ，Ｃｈｅｎｇｌｉｎ Ｃｈｅｎ
ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｒｅｓｕｌｔｓ ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅｉｒ ＯＷＩＩ ｆａｉｌｕｒｅ ｃｏｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ．Ｏｎ ｔｈｅ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ，
ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｐｕｔ ｆｏｒｗａｒｄ ｓｏｍｅ ｐｒｏｐｏｓａｌ ａｂｏｕｔ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ｆａｂｒｉｃａｔｉｎｇ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ．
通过复合效应获得原组分材料所不具备的性能。
１．１．１复合材料特性
与传统材料相比，复合材料有四大特点：
（１）可设计性这是复合材料有别于传统材料的最显著特点。它的力学、机械、
热、声、光、电、防腐、抗老化等物理化学性能都可按制件的使用要求和环境条件，
通过组分材料的选择、匹配以及界面控制等材料设计手段，最大限度地达到预期目
ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ。 Ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｒｅｓｕｌｔｓ ｏｆ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｈａｖｅ ｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｅｄ ｓｏｍｅ ｃｏｎｃｌｕｓｉｏｎｓ ａｓ ｂｅｌｏｗ：
（１）Ｃａｒｂｏｎ ｆｉｂｅｒ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ ａｎｄ ｔｉｍｂｅｒ Ｃａｌｌ ｂｅ ｃｏｍｂｉｎｅｄ ｉｎ ａ ｖｅｒｙ ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｗａｙ ｔｏ ｐｒｏｄｕｃｅ ａ ｎｅｗ ｔｙｐｅ ｏｆ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ ｔｈａｔ ｏｕｔｐｅｒｆｏｒｍｓ ｔｒＭｉｔｉｏｎａｌ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ ｉｎ
ｔｈｅ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ｃｏｍｐｏｓｉｎｇ ｍａｔｅｒｉａｌｓ，ｉｎｔｅｒｆａｃｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒ，ｔｈｅ ｆａｂｒｉｃ ｔｅｃｈｎｉｃｓ ａｎｄ
ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆｔｈｅ ｆａｂｒｉｃ ｐｒｏｃｅｓｓ。
（３）１１ｌｅ ｆａｉｌｕｒｅ ｂｅｈａｖｉｏｒ ｏｆ ｔｈｉｓ ｎｅｗ ｔｙｐｅ ｏｆ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ ｉｓ ｂｒｉｔｔｌｅ ａｎｄ ｐｒｏｖｉｄｅｓ ｆｅｗ
ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｃａｒｂｏｎ ｆｉｂｅｒ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ。Ｔｈｅ ｂａｓｉｃ ｃｏｎｃｅｐｔ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｉｓ
ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ ｔｏｇｅｔｈｅｒ ｗｉｔｈ ａ ｒａｎｇｅ ｏｆ ｓｔａｔｉｃ ｆｌｅｘｕｒａｌ ｔｅｓｔ ｒｅｓｕｌｔｓ ｏｆ ｓｍａｌｌ ａｎｄ ｆｕｌｌ－ｓｃａｌｅ
ｒｅｆｅｒｒｅｄ ｔｏ ａｓ Ｃａｒｂｏｎ Ｆｉｂｅｒ Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ Ｐｏｌｙｍｅｒｓ（ＣＦＲＰ）ｉｎｔｏ ｃｉｖｉｌ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｃｒｅａｔｅｓ
ｔｈｅ ｏｐｐｏｒｔｕｎｉｔｙ ｆｏｒ ａ ｎｅｗ ａｎｄ ｉｎｎｏｖａｔｉｖｅ ａｐｐｒｏａｃｈ ｔｏ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ，ｅｓｐｅｃｉａｌｌｙ ｓｏｍｅ ｓｐｅｃｉａｌ ｆｒａｍｅｗｏｒｋ．
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金高４倍，比模量则是钢、铝的４倍，这样性
能优越的材料如果合理使用在结构构件中必然 图１—１各种材料的比强度与比模量比较
会有助于解决许多传统材料无法解决的难题。
第一章缭论
（２）瓣疲劳蜓藐好 溷１－－２“１是碳纾维复 含材料、玻璃纤维复合材料与铝含金的疲劳寿 愈姐线比较，由黧可见复食材料比金属材料的 耐疲劳饿能高很多。通常金属材料疲劳强度极 限是其披伸强度的３０％～５０％，而碳纤维增 强聚合物基复合材料的疲劳强度极限为獒控 伸强度的７０％～８０％，说明在长期交畿载荷 条锌下王作跨，笈台耱瓣褥释瓣鸯命离予镑统
的，以满足工程结构的使用性能要求。
（２）材料与结构的同一性复合材料尤其是本课题所涉及的纤维复合材料，与其
说是材料倒不如说是结构更为恰当；传统材料的构件成型是经过对材料的再加工来
实现的，并且加工过程中材料组分之间一般不发生化学变化，而复合材料的材料合
成与构件成型是同时完成的，所以复合材料结构的整体性好，可以大幅减少结构零
杂的物理与化学变化，构件性能对工艺方法、工艺参数、工艺过程等的依赖性大，
同时也由于在成形过程中很难准确地控制工艺参数，所以一般来讲复合材料构件的
性能离散性是比较大的。
从结构性能的角度分析，复合材料同传统的建筑材料相比有以下四个显著的优
点：
（１）比强度、比模量大图ｉ一１“１给出了 几种常见传统材料和复合材料的性能比较，用 比强度（材料的拉伸强度与密度之比）和比模量 （杨氏模量与密度之比）的比较很好地说明了复 合材料在轻质高强方面的优越性。山图可见． 碳纤维增强环氧树脂基复合材料的轻质高强性 能最为显著，其比强度比钢材高５倍，比铝合
铺层定向和合理安排铺设顺序的原则。本文探讨了手糊工艺制作构件的基材选择
加工方法和工艺过程的控制。
２、通过对２８根碳纤维复合材料构件和２根原木构件所进行的抗弯性能试验，
得到以下结论：（１）手糊工艺是一种方便实用的复合材料结构构件制作方法，但其
最大的弊端在于构件性能的离散性偏大；（２）影响碳纤维复合材料构件抗弯性能的
ＡＢＳＴＲＡＣＴ
Ｔｈｅ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｃａｌ ｒｅｖｏｌｕｔｉｏｎ ｉｎ ｍａｔｅｒｉａｌｓ ａｎｄ ｐｒｏｃｅｓｓｅｓ ｈａｓ ｈａｄ ａ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔ ｉｍｐａｃｔ ｉｎ
ａｌｍｏｓｔ ａｌｌ ｓｅｃｔｏｒｓ ｏｆｔｈｅ ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ ｉｎｄｕｓｔｒｙ．Ｈｏｗｅｖｅｒ，ｔｈｅ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｉｎｄｕｓｔｒｙ ｈａｓ