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玻璃钢基本性能

概述

玻璃钢是一种用途广泛的纤维复合材料，是以玻璃纤维为增强材料，以合成树脂为基体

复合而成的新型工程材料．

玻璃钢的基本性能十分复杂．不同的玻璃纤维和不同的合成树脂所组成的玻璃钢的性能

是不相同的，即使采用同一牌号的玻璃纤维和同一牌号的树脂，只要其间的配比不同，其性

能(包括力学、物理、化学方面的性能和静态、动态方面的性能)就不会相同．充分了解玻璃

钢的基本性能，才能合理地进行玻璃钢结构设计，用其所长，避其所短．

玻璃钢的基本力学性能(包括静态和动态的力学性能)是进行玻璃钢结构设计的重要依

据．静态力学性能一般是指玻璃钢在某一初始阶段的力学性能，其中最重要的是强度和弹性

性能，动态力学性能与时间有关，例如蠕变、疲劳等是玻璃钢材料随着时间延续，在持久载

荷或交变载荷作用下所反映出来的特性；冲击性能则是材料在极短的时间内承受载荷的特

性．一般玻璃钢工程结构设计大都是选用静态力学性能参数进行设计．但如果不考虑动态力

学性能的影响，很可能十分危险．在选用静态力学性能参数的同时，必须充分考虑动态力学

性能对实际结构的影响，选择合适的安全系数．

玻璃钢的主要力学性能大致有如下特点：

(1)强度和弹性性能的可设计性．因玻璃钢是由玻璃纤维和合成树脂组成的，所以人们

可以通过改变这两个组分材料的配比，和改变玻璃纤维的分布方向，在一定范围内获得不同

强度和弹性性能的玻璃钢．例如，对于单向受结构，可以采用单向铺层方式，即可将单向玻

璃布或玻璃纤维沿受力方向铺设．这种单向铺层方式能够在纤维方向获得很高的强度，而在

垂直于纤维方向，则没有多余的强度储备．又如，对于双向受力的结构；可以采用双向铺层

和多向铺层方式，并根据双向受力的大小，采用不同双向纤维量分布．对不同方向选用适当

的纤维用量，不仅可以使玻璃钢在不同方向具有不同的强度值，也可以使其具有不同的弹性

模量．

上述特点所表现出来的强度和弹性的可设计性，使得从事结构设计的研究者也同时参与

到材料的设计中去了，这对于结构设计是十分重要的．

(2)各向异性性能，玻璃钢在不同方向上具有不同的力学性能，因此是一种各向异性材

料．

玻璃钢是由若干个单层板层合起来，构成一个多层的层合板(壳)结构．每一个单层板在

其面内具有四个独立的弹性常数：纵向弹性模量E，横向弹性模量E纵向泊松比V(横

LL，TL

向泊松比V)，面内剪切弹性模量G．在层合板(壳)结构中，不管这些单层板是采用何种

TLLy

方式铺设，上述四个弹性常数构成了玻璃钢结构最基本的独立的弹性常数，另一方面，若干

单层板按不同方式铺设而组成的层合板(壳)，可以显示出十分复杂的弹性性能．例如，剪应

力引起线应变，正应力引起剪应变，这些都是各向同性材料所没有的。

玻璃钢的各向异性，使得玻璃钢的强度分析变得复杂．就每一单层而言，其面内就有五

个基本强度：纵向拉伸强度F，纵向压缩强度F′，横向拉伸强度F，横向压缩强度F′，

LLTL

剪切强度F．这些强度值往往相差很大，因此破坏不一定发生在应力最大的方向上，很可

LT

能在较低的应力作用方向上．于是，各向同性材料中的主应力和主应力方向等概念，在玻璃

钢的结构分析中是不适用的．

(3)非均质性．

玻璃钢是非均质材料，这意味着玻璃钢的性能因其各组分材料在物体内的位置不同而不

同．如相对于组分材料而言，在玻璃纤维处的性能与在树脂处的性能不同．细观力学正是基

于这种组分材料之间的非均质性来研究组分材料之间的相互作用．但是，相对于单层板而言，

这种组分材料之间的非均质被忽略了，而仅从单层板的平均表观性质研究玻璃钢的基本性

能．宏观力学正是基于这种均质性假定来分析玻璃钢的层合结构．然而，由于各单层铺设角

的差异，即使是在宏观力学范围内，这种层合结构也是非均质的．这种不同层之间的宏观非

均质性，给玻璃钢结构的分析带来很大的复杂性，例如，拉伸可能引起弯曲变形等耦合效应．