GFRP（Glass Fiber Reinforce Plastic）材料，指的是玻璃纖維增強復合材料，俗稱“玻璃鋼”。它是以玻璃纖維及其制品（紗、帶、玻璃布、氈等）作為增強材料，以合成樹脂作基體的一種復合材料，根據不同的樹脂分為環氧玻璃鋼、酚醛玻璃鋼、聚酯玻璃鋼等。玻璃鋼具有質量輕、強度高、耐腐蝕、良好介電性、成形設計性好等優點，是替代金屬材料的首選材料之一。GFRP材料用途廣泛，被用于橋梁、混凝土筋材、管道材料、裝飾裝修材料、保溫隔音等方面。在這些應用中，GFRP材料可能會受到沖擊載荷作用，在沖擊載荷下材料往往表現出與準靜態試驗下不同的物理特性，即材料物理性能具有應變率相關性，材料的強度隨著應變率的升高而增大。

表1 GFRP與常見金屬材料的物理性能對比

研究材料的沖擊動態性能常用的有落錘沖擊試驗、泰勒沖擊試驗、分離式霍普金森壓桿試驗（Split Hopkinson pressure bar，簡稱SHPB），本文將使用SHPB技術對GFRP的動態性能進行研究，利用二波法對波形數據進行處理，得出材料不同應變率的應力-應變曲線和應變率-時間曲線。

SHPB是最常用于測試材料高應變率下物流特性的實驗技術，可以測試材料在應變率為102~104s-1的應力-應變曲線。SHPB試驗裝置組成如圖1。調節子彈、入射桿、透射桿、吸收桿、阻尼器的水平度使之對中，確保應力波一維傳遞。通過調節氣體壓強大小控制子彈的速度，使之與入射桿對中撞擊，此時會產生彈性入射波，入射波沿著入射桿傳播至試樣交界面處，由于試樣和透射桿的慣性效應，試樣將被壓縮。因為試樣的波阻抗比壓桿小，部分入射波被反射回入射桿變成入射波，部分通過試樣透射進透射桿形成透射波。透射波經由吸收桿并從自由端反射回來，從而使透射波中的能量最終耗散達到平衡靜止狀態。波的傳遞借助于入射桿和透射桿粘貼的應變片、經由超動態應變采集儀，將波形測量并記錄下來，最終由數據處理軟件處理波形等到試樣的應力-應變曲線。

圖1 SHPB裝置組成簡圖

02 分析與討論

2.1應力-應變曲線

常溫20℃下GFRP材料不同試樣尺寸的應力應變關系如圖2~圖3，其中圖3應變率為500/s的曲線因為氣壓較小撞擊桿速度較低，導致試樣為發生大的變形而破壞，最終只有部分壓縮曲線。從兩圖可以看出曲線均有抖動的現象，這是因為試驗過程中，無法完全滿足霍普金森試驗的理論假設—一維應力波假設，出現了波彌散，使得最終曲線抖動異常。同時抖動幅度不是很大，可以近似假設波在桿中沒有散射。GFRP材料兩種尺寸的應力應變關系曲線都經歷了彈性階段、強化階段和最后的應變軟化階段，因此同樣可用彈性模量、屈服強度、壓縮強度及最大強度對應的應變等參數來表征GFRP的動態壓縮性能。

圖2 試樣φ5.6mm*5mm應力-應變曲線

圖3 試樣φ5.6mm*10mm應力-應變曲線

表3是兩種尺寸試樣的不同應變率下的壓縮強度對比，可以看出GFRP材料的壓縮強度隨著應變率的增大而增加，說明了常溫20℃下GFRP材料對應變率敏感，在高應變率下表現為應變強化效應。

表3不同應變率壓縮強度對比

03 應變率分析

霍普金森試驗的另一個假設是試驗過程中恒應變率。從φ5.6mm*5mm和φ5.6mm*10mm兩種尺寸的應變率曲線可以看出，試驗過程中應變率均為達到恒定。其中圖4試樣尺寸的長徑比小于1，試驗過程中應變率波動大，但平均來說保持在一個水平上。而圖5試樣尺寸的長徑比大于1，試驗過程中應變率總體是下降趨勢。試驗無法實現恒應變率假設，原因是GFRP材料的阻抗小，與鋼質桿系的彈性模量差距很大。因此，測試阻抗低的材料，需要選擇彈性模量更低的桿系，比如鋁桿或者尼龍桿。同時在選擇試樣尺寸時，首選圓柱形試樣，且試樣的長徑比在0.5~1之間最佳。

圖4試樣φ5.6mm*5mm應變率-時間曲線

圖5試樣φ5.6mm*10mm應變率-時間曲線

觀察兩種尺寸的應變率曲線，上升階段均很抖，而且異常沖高后才回落。應變率上升較緩更容易實現恒應變率假設，如圖4的900/s曲線。測試低阻抗材料時，為了試驗過程中應變率達到近似恒定，有文獻指出在撞擊桿和入射桿之間增加緩沖部件，該部件稱為“波形整形器”，如圖6。根據測試材料的不同，選擇波形整形器的材料和尺寸均有所不同，需要試驗驗證選擇。常用的波形整形器材料有紫銅等。

圖6波形整形器

04 結論

本文利用霍普金森試驗技術測試GFRP材料的動態壓縮性能。試驗表明，GFRP材料具有應變率敏感性和應變強化效應。高阻抗的SHPB測試系統，測試GFRP材料時阻抗差異過大，導致無法實現恒應變率假設，最終得出的測試結果缺乏可靠性。在測試低阻抗材料時，鋼不適合作為桿系材料，需要選擇更低阻抗的材料作為波導桿，比如鋁材或者尼龍材料。同時可在SHPB測試系統中增加波形整形器部件，以確保恒應變率假設。