含預(yù)埋件層合板螺栓連接結(jié)構(gòu)剪切性能的試驗研究

王曉宏 張豐發(fā) 劉長喜 畢鳳陽 王云龍

摘要：層合板螺栓連接的設(shè)計是結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中必不可少的重要環(huán)節(jié)，為對比分析含預(yù)埋件層合板螺栓連接結(jié)構(gòu)與無預(yù)埋件層合板螺栓連接結(jié)構(gòu)剪切性能的差異，以及含不同預(yù)埋件層合板螺栓連接結(jié)構(gòu)剪切性能的優(yōu)略，根據(jù)ASTM D-5961標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計相應(yīng)的試驗件，進(jìn)行不同層合板螺栓連接結(jié)構(gòu)剪切性能測試。結(jié)果表明：含預(yù)埋件的連接結(jié)構(gòu)的承載能力較強(qiáng)，尤其是鋼板預(yù)埋件的連接結(jié)構(gòu)，其承載能力約為其他兩種連接形式的2倍;含套筒預(yù)埋件層合板螺栓連接結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度數(shù)值偏差最小，即性能更穩(wěn)定。

關(guān)鍵詞：層合板;螺栓連接;預(yù)埋件;剪切性能;試驗研究

中圖分類號：TB333? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）16-0062-03

0? 引言

纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料（FRP，F(xiàn)iber Reinforced Polymer）由于其具有較高的比強(qiáng)度、比剛度和可設(shè)計性強(qiáng)等優(yōu)點，在航空航天、工業(yè)技術(shù)、體育器材等領(lǐng)域得以廣泛應(yīng)用[1-3]。并且該材料已由最初的非承力結(jié)構(gòu)逐漸發(fā)展成為主承力結(jié)構(gòu)。而對于有效的復(fù)合材料宏觀結(jié)構(gòu)而言，各部件間的連接設(shè)計是結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中必不可少的重要環(huán)節(jié)，卻也是最薄弱的環(huán)節(jié)。研究發(fā)現(xiàn)：復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的破壞70%發(fā)生在連接處且破壞形式復(fù)雜多樣。對復(fù)合材料的連接結(jié)構(gòu)進(jìn)行科學(xué)合理地設(shè)計就顯得越來越重要。本文針對三種不同的連接結(jié)構(gòu)：即無預(yù)埋件的螺栓連接層合板結(jié)構(gòu)、螺栓孔內(nèi)預(yù)埋鋼制套筒件的螺栓連接層合板結(jié)構(gòu)和預(yù)埋鋼板的層合板螺栓連接結(jié)構(gòu)開展試驗研究，對比分析其剪切性能從而指導(dǎo)層合板連接結(jié)構(gòu)的設(shè)計。

1? 試驗材料

試驗中所涉及到的主要材料有復(fù)合材料層合板、螺栓孔內(nèi)預(yù)埋套筒、預(yù)埋鋼板件和連接螺栓，其性能如下：①復(fù)合材料層合板：①材料體系為T700/5228。其單向板力學(xué)性能見表1。②預(yù)埋件及螺栓的性能見表2。

2? 試件的形狀及尺寸設(shè)計

三種試驗方案中，無預(yù)埋件的螺栓連接層合板雙剪切試件按照ASTM D-5961標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計，形狀及尺寸如圖1所示。同時，為保證三種試件的總體尺寸一致，參考該標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計了螺栓孔內(nèi)預(yù)埋鋼制套筒件的螺栓連接層合板雙剪切試件和層合板內(nèi)預(yù)埋鋼板件的螺栓連接層合板雙剪切試件。三種試件中，復(fù)合材料層合板鋪層形式。但套筒預(yù)埋件的試件中，層合板的開孔位置一致，開孔直徑增大;預(yù)埋鋼板件的層合板雙剪切螺栓連接試件中層合板的厚度為1mm，見表3。

三種試驗的試件示意圖如圖2所示。

3? 試件的制作

按照上述設(shè)計的試件尺寸，制作相應(yīng)的復(fù)合材料層合板，并將套筒預(yù)埋件和鋼板預(yù)埋件利用膠粘劑J-302與開孔的復(fù)合材料層合板粘接，按膠粘劑的固化工藝固化后獲得的試件，如圖3所示。

4? 試驗及結(jié)果

4.1 無預(yù)埋件螺栓連接層合板雙剪切試驗

根據(jù)ASTM D-5961試驗標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行無預(yù)埋件螺栓連接層合板雙剪切試驗，試驗在INSTRON電子萬能試驗機(jī)上進(jìn)行，共進(jìn)行了5組試驗，試驗裝夾及試驗中獲得的載荷-位移曲線如圖4所示。

由試驗獲得的螺栓連接層合板雙剪切試驗結(jié)果見表4。

試件的損傷失效模式均為擠壓失效，如圖5所示。

4.2 螺栓孔內(nèi)預(yù)埋鋼制套筒件的螺栓連接層合板雙剪切試驗

螺栓孔內(nèi)預(yù)埋鋼制套筒件的螺栓連接層合板雙剪切試驗共進(jìn)行了5組，試驗裝夾及試驗中獲得的載荷-位移曲線如圖6所示。

由試驗獲得的螺栓孔內(nèi)預(yù)埋鋼制套筒件的螺栓連接層合板雙剪切試驗結(jié)果見表5。

試件的損傷失效模式均為擠壓破壞，如圖7所示。

4.3 層合板內(nèi)預(yù)埋鋼板預(yù)埋件的螺栓連接層合板雙剪切試驗

層合板內(nèi)預(yù)埋鋼板預(yù)埋件的螺栓連接層合板雙剪切試驗共進(jìn)行了5組，試驗裝夾及其試驗中獲得的載荷位移-曲線如圖8所示。

由試驗獲得的層合板內(nèi)預(yù)埋鋼板件的螺栓連接層合板雙剪切試驗的結(jié)果，見表6。

試件的損傷失效模式均為擠壓破壞，如圖9所示。

不同連接形式的層合板雙剪切試驗結(jié)果對比結(jié)果見表7。

5? 結(jié)論

通過實驗對比分析了樹脂基復(fù)合材料層合板的螺栓連接、帶圓形套筒螺栓連接、帶鋼板預(yù)埋件螺栓連接等三種連接方式的承載情況。上述的試驗研究表明：

①帶有預(yù)埋件的連接結(jié)構(gòu)的承載能力較強(qiáng)，尤其是鋼板預(yù)埋件的連接結(jié)構(gòu)，其承載能力約為其他兩種連接形式的2倍多。

②同等厚度情況下帶圓形套筒螺栓連接強(qiáng)度與不帶套筒螺栓連接強(qiáng)度相差不大，帶圓形套筒的螺栓連接形式連接強(qiáng)度數(shù)值偏差更小，顯得更穩(wěn)定。

參考文獻(xiàn)：

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