玻璃鋼基本性能概述玻璃鋼是一種用途廣泛的纖維復(fù)合材料，是以玻璃纖維為增強材料，以合成樹脂為基體復(fù)合而成的新型工程材料．玻璃鋼的基本性能十分復(fù)雜．不同的玻璃纖維和不同的合成樹脂所組成的玻璃鋼的性能是不相同的，即使采用同一牌號的玻璃纖維和同一牌號的樹脂，只要其間的配比不同，其性能(包括力學(xué)、物理、化學(xué)方面的性能和靜態(tài)、動態(tài)方面的性能)就不會相同．充分了解玻璃鋼的基本性能，才能合理地進行玻璃鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計，用其所長，避其所短．玻璃鋼的基本力學(xué)性能(包括靜態(tài)和動態(tài)的力學(xué)性能)是進行玻璃鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計的重要依據(jù)．靜態(tài)力學(xué)性能一般是指玻璃鋼在某一初始階段的力學(xué)性能，其中最重要的是強度和彈性性能，動態(tài)力學(xué)性能與時間有關(guān)，例如蠕變、疲勞等是玻璃鋼材料隨著時間延續(xù)，在持久載荷或交變載荷作用下所反映出來的特性；沖擊性能則是材料在極短的時間內(nèi)承受載荷的特性．一般玻璃鋼工程結(jié)構(gòu)設(shè)計大都是選用靜態(tài)力學(xué)性能參數(shù)進行設(shè)計．但如果不考慮動態(tài)力學(xué)性能的影響，很可能十分危險．在選用靜態(tài)力學(xué)性能參數(shù)的同時，必須充分考慮動態(tài)力學(xué)性能對實際結(jié)構(gòu)的影響，選擇合適的安全系數(shù)．玻璃鋼的主要力學(xué)性能大致有如下特點：強度和彈性性能的可設(shè)計性．因玻璃鋼是由玻璃纖維和合成樹脂組成的，所以人們可以通過改變這兩個組分材料的配比，和改變玻璃纖維的分布方向，在一定范圍內(nèi)獲得不同強度和彈性性能的玻璃鋼．例如，對于單向受結(jié)構(gòu)，可以采用單向鋪層方式，即可將單向玻璃布或玻璃纖維沿受力方向鋪設(shè)．這種單向鋪層方式能夠在纖維方向獲得很高的強度，而在垂直于纖維方向，則沒有多余的強度儲備．又如，對于雙向受力的結(jié)構(gòu)；可以采用雙向鋪層和多向鋪層方式，并根據(jù)雙向受力的大小，采用不同雙向纖維量分布．對不同方向選用適當?shù)睦w維用量，不僅可以使玻璃鋼在不同方向具有不同的強度值，也可以使其具有不同的彈性模量．上述特點所表現(xiàn)出來的強度和彈性的可設(shè)計性，使得從事結(jié)構(gòu)設(shè)計的研究者也同時參與到材料的設(shè)計中去了，這對于結(jié)構(gòu)設(shè)計是十分重要的．各向異性性能，玻璃鋼在不同方向上具有不同的力學(xué)性能，因此是一種各向異性材料．玻璃鋼是由若干個單層板層合起來，構(gòu)成一個多層的層合板(殼)結(jié)構(gòu)．每一個單層板在其面內(nèi)具有四個獨立的彈性常數(shù)：縱向彈性模量EL，橫向彈性模量EL，縱向泊松比VTL(橫向泊松比VTL)，面內(nèi)剪切彈性模量GLy．在層合板(殼)結(jié)構(gòu)中，不管這些單層板是采用何種方式鋪設(shè)，上述四個彈性常數(shù)構(gòu)成了玻璃鋼結(jié)構(gòu)最基本的獨立的彈性常數(shù)，另一方面，若干單層板按不同方式鋪設(shè)而組成的層合板(殼)，可以顯示出十分復(fù)雜的彈性性能．例如，剪應(yīng)力引起線應(yīng)變，正應(yīng)力引起剪應(yīng)變，這些都是各向同性材料所沒有的。玻璃鋼的各向異性，使得玻璃鋼的強度分析變得復(fù)雜．就每一單層而言，其面內(nèi)就有五個基本強度：縱向拉伸強度FL，縱向壓縮強度F′L，橫向拉伸強度FT，橫向壓縮強度F′L，剪切強度FLT．這些強度值往往相差很大，因此破壞不一定發(fā)生在應(yīng)力最大的方向上，很可能在較低的應(yīng)力作用方向上．于是，各向同性材料中的主應(yīng)力和主應(yīng)力方向等概念，在玻璃鋼的結(jié)構(gòu)分析中是不適用的．非均質(zhì)性．玻璃鋼是非均質(zhì)材料，這意味著玻璃鋼的性能因其各組分材料在物體內(nèi)的位置不同而不同．如相對于組分材料而言，在玻璃纖維處的性能與在樹脂處的性能不同．細觀力學(xué)正是基于這種組分材料之間的非均質(zhì)性來研究組分材料之間的相互作用．但是，相對于單層板而言，這種組分材料之間的非均質(zhì)被忽略了，而僅從單層板的平均表觀性質(zhì)研究玻璃鋼的基本性能．宏觀力學(xué)正是基于這種均質(zhì)性假定來分析玻璃鋼的層合結(jié)構(gòu)．然而，由于各單層鋪設(shè)角的差異，即使是在宏觀力學(xué)范圍內(nèi)，這種層合結(jié)構(gòu)也是非均質(zhì)的．這種不同層之間的宏觀非均質(zhì)性，給玻璃鋼結(jié)構(gòu)的分析帶來很大的復(fù)雜性，例如，拉伸可能引起彎曲變形等耦合效應(yīng)．高強度，低彈性模量．玻璃鋼的容重較小，大都在1．5—1．9g／cm3范圍內(nèi)，是普通鋼材容重的1／4左右，玻璃鋼的強度卻較高，一般可達2000kgf／cm2以上．如果選用高強高彈玻璃鋼，其強度值更高．按比強度(強度與容重之比)計算，玻璃鋼要比普通鋼材的比強度高得多．因此，玻璃鋼是一種輕質(zhì)高強的材料．但是，玻璃鋼的彈性模量是比較低的。工程上常見的玻璃鋼的彈性模量僅為1．5—3．0X105kgf／·cm2，與普通鋼材相差一個數(shù)量級．即使按比彈性(彈性模量與容重之比又稱比剛度)計算，與鋼材的比彈性仍有差距。當然，如果選用高彈玻璃鋼，其比彈性將超過普通鋼材．由于玻璃鋼的彈性模量較低，對于受剛度控制的結(jié)構(gòu)來說，工程上常采用改變截面的尺寸和形狀(例如采用加筋結(jié)構(gòu)或夾層結(jié)構(gòu)等)來彌補彈性模量低這一弱點．由于玻璃鋼的成型比較容易，因此這種改變截面尺寸和形狀的制造工藝對于玻璃鋼而言不存在困難．以上僅僅是概略地敘述了玻璃鋼力學(xué)性能的部分特點，應(yīng)當說它還有其它特點和性能，上式中的KE為修正系數(shù)，這是由于纖維在實際排列中并不全是單向伸直的，而是部分纖維松散地朝一個方向取向，可以根據(jù)實際情況選取不同的KE值．植村等用單向纖維增強玻璃鋼做了一系列實驗H，，各組分材料的彈性常數(shù)為：EF=7400kgf/mm2，Em=300kgf/mm2，VF=0.23，Vm=0.36實驗結(jié)果與理論曲線如圖2．2．2所示．圖2．2．2表明，式(2．2。3)的理論預(yù)測值與實驗結(jié)果十分接近。其中，縱向彈性模量置E1的實驗結(jié)果在KB＝0．8—1．0的理論曲線之間．由此可見，植村經(jīng)驗公式可以較準確地反映單向纖維增強玻璃鋼的基本剛度特性．由于植村公式?jīng)]有限制材料的變形方式，因此該公式也可以用于對壓縮彈性模量和彎曲彈性模量的預(yù)測．事實上，拉