采用FRP螺栓的拉挤型材胶栓混接受力性能试验研究

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拉挤型材节点连接是影响FRP结构性能的关键因素,目前常见的连接方式有螺栓连接、胶接和胶栓混接,其中胶栓混接比胶接承载力更高,延性更好,比螺栓连接刚度更大。当前在拉挤型材胶栓混接研究中使用的螺栓大多是不锈钢螺栓和钛螺栓,而使用FRP螺栓胶栓混接的全FRP结构应用在复杂的电磁场、高腐蚀的环境中更加可靠,但当前FRP螺栓胶栓混接结构研究较少,因此研究合理FRP螺栓胶栓混接连接方式对于工程应用有重要意义。本文依托国家重点研发计划“绿色建筑及建筑工业化”专项“高性能纤维增强复合材料与新型结构关键技术研究”课题五《工业标准化纤维增强复合材料拉挤型材构件及其新型结构体系研究》(2017YFC0703005),采用试验研究方法对FRP螺栓胶栓混接受力性能进行研究,研究内容与成果如下:对相同构造参数层合板进行螺栓连接、胶接以及胶栓混接拉伸试验研究,研究结果表明,胶栓混接试件螺栓对胶层有较强约束作用,胶接试件胶层为剥离破坏,胶栓混接试件胶层为剪切破坏,胶层强度被充分发挥,胶栓混接试件胶层破坏荷载比胶接试件提高了97.6%;胶栓混接试件在胶层破坏时,造成FRP板表层纤维撕裂,产生损伤,连接承载力比螺栓连接试件下降12.7%。对相同构造参数板采用不锈钢螺栓、钛螺栓和FRP螺栓分别进行胶栓混接拉伸试验研究。试验结果表明,不锈钢螺栓试件和钛螺栓试件因螺栓和垫片刚度较大,抵抗偏心弯矩引起的剥离力能力较强,胶层破坏荷载比FRP螺栓试件分别高35%和40%,钛螺栓胶栓混接试件连接承载力比FRP螺栓试件和不锈钢螺栓试件高21%,但钛螺栓和不锈钢螺栓胶栓混接试件连接承载力与胶层破坏荷载比值小于1,结构强度弱于胶层强度,不利于工程利用。设计了24个FRP螺栓胶栓混接单搭接试件,研究螺栓端距、螺栓边距、螺栓数量、搭接长度和板的厚度等几何参数对FRP螺栓胶栓混接受力性能的影响。试验结果表明,端距对胶层破坏荷载几乎无影响,但端距每增加0.5倍螺栓直径,连接承载力提高5k N,随着端距的增大,破坏模式由剪切破坏变为挤压破坏,结构延性变好,但端距增大到4倍螺栓直径时,螺杆因抗剪强度不足发生剪切破坏,推荐端距大小为3倍直径到3.5倍直径;边距对胶层破坏荷载几乎无影响,但边距从1.5倍直径增加至2倍直径,连接承载力提高了9%,从2倍直径增加至2.5倍直径时,连接承载力并不增加,因此螺栓边距大于2倍螺栓直径比较合适;每增加2个螺栓,胶层破坏荷载增加5k N,连接承载力增加20k N,但增加螺栓数量会导致纵向螺孔间距减小,产生孔间劈裂破坏,结构延性变差;增加搭接长度能有效提高胶层破坏荷载,但连接承载力并不增加,且搭接长度为100mm时,纵向螺孔间距过小引起孔间劈裂破坏,结构延性较差,搭接长度为200mm时,纵向螺孔间距过大,中部板材强度未能有效利用,推荐纵向螺孔间距应在5倍螺栓直径到9倍螺栓直径;板厚由4mm增加至6mm时,胶层破坏荷载增加36.4%,连接承载力增加16%,破坏模式由剪切破坏变为螺栓剪切破坏,这表明增加板厚,结构刚度和强度都得到提高,但结构变为脆性破坏,推荐采用FRP螺栓胶栓混接时螺栓直径与板厚比值大于2,以充分利用层合板和FRP螺栓的强度。基于有限元软件ABAQUS,使用Hashin损伤准则建立了FRP螺栓胶栓混接单搭接拉伸模型,研究了螺栓端距、边距、搭接长度、板厚、螺栓数量和螺栓直径对破坏模式和连接承载力的影响,研究结果表明:FRP螺栓端距大于3倍螺栓直径时结构结构发生挤压破坏;多排螺栓布置时,纵向螺孔间距应大于5倍螺栓直径以避免结构发生孔间劈裂破坏;增加板厚或减小螺栓直径会引起螺栓剪切破坏,为保证结构延性,螺栓直径应当大于2倍板厚。通过试验研究和数值模拟研究可以看出FRP螺栓胶栓混接单搭接拉伸试验破坏模式主要有剪切破坏、挤压破坏、孔间劈裂破坏、螺栓剪切破坏;基于不同破坏模式下的结构抵抗力,采用最大拉应力准则,根据试验数据和数值模拟数据提出了FRP螺栓胶栓混接连接承载力计算公式,并给出了合理的螺栓布置建议,方便在工程中应用。
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