復(fù)合材料矩形截面預(yù)緊力齒連接試驗

徐玉康 夏慶輝 吳萬鑫

（南京工程學(xué)院建筑工程學(xué)院，江蘇 南京 211100）

土木工程中，由于其自身的高強度，比剛度大，比模量大，耐腐蝕，輕量等優(yōu)良性能，以及當(dāng)前生產(chǎn)技術(shù)工藝單發(fā)展成熟，復(fù)合材料得到了廣泛的應(yīng)用，在未來的各項市場、不同工程領(lǐng)域皆有良好的前景、優(yōu)勢。但復(fù)合材料在連接方面仍然存在諸多缺陷弊端，導(dǎo)致其多運用于要求荷載較低的構(gòu)件之中。諸如螺栓連接、膠接、膠栓混合連接的傳統(tǒng)連接方式已有不同學(xué)者的深入研究[1-6]，其破壞模式，連接性能等已有所掌握，但其存在的缺點難以克服，導(dǎo)致了復(fù)合材料的連接性能、效率不佳，使得承載力較差，復(fù)合材料的連接問題突破口也因此成為專家學(xué)者們專注的重難點。為此，復(fù)合材料預(yù)緊力連接作為新型的科技，在21 世紀被提出[7-8]，傳統(tǒng)復(fù)合材料連接形式的問題被解決，充分發(fā)揮了材料的優(yōu)良性能，連接效率可達80%[9-11]，該技術(shù)的充分利用顯著提高了復(fù)合材料齒層間剪切強度τ 以及接觸面摩擦力f 傳遞外荷載q，因此連接構(gòu)件的極限承載力得到提升。

圖1 接頭構(gòu)造

荷載q 較小時荷載僅由f 傳遞，而荷載q 較大時，復(fù)合材料齒端承受擠壓，進而荷載q 得到傳遞，復(fù)合材料齒層間剪切強度τ 決定了接頭承載的效率，純膠層抗剪強度（約20Mpa）遠遠低于了復(fù)合材料齒層間剪切強度（一般高于50Mpa），而徑向預(yù)緊力σ 又加強了該強度，所以預(yù)緊力齒連接接頭連接效率較高，連接性能更加優(yōu)秀。

前期，科研人員針對預(yù)緊力齒連接技術(shù)開展了大量的實驗研究工作，2008 年趙啟林、李飛等率先設(shè)計了一個適合于管類結(jié)構(gòu)的復(fù)合新型連接工藝——預(yù)緊力齒連接工藝，能夠在復(fù)合材料圓管端部預(yù)先制備快速傳力的金屬連接；2012 李飛等從承載能力原理、單齒承重、多齒承重等方面對預(yù)緊力齒連接技術(shù)進行了深入的理論研究，從而得到了預(yù)緊力齒連接結(jié)構(gòu)的設(shè)計計算方法；2013 年苗大勝[12]就這種形式的過盈配合進行了討論，通過一系列實驗，得到了一種設(shè)計方案；2014-2015 年，徐龍星等[13-14]研究了預(yù)緊力齒連接單齒在剪切破壞情況下的強度及傳力機理；2015 年高一峰[15]研究了CFRP 預(yù)緊力單齒接頭的拉伸極限承載力及其損傷模型，認為預(yù)緊力齒連接接頭損傷模型復(fù)雜程度較高。預(yù)緊力齒連接承載效率高，但適用于單板與圓形截面構(gòu)件，而對于矩形截面，由于預(yù)緊力分布不均，需要做更多的研究。因此，本文對預(yù)緊力和鋼齒齒長的改變進行了系統(tǒng)的實驗研究，從載荷-位移曲線、應(yīng)變和破壞方式分析的結(jié)果，探得各變量對連接強度的影響大小。本文研究成果對提高接頭穩(wěn)定性提出了重要參考依據(jù)，對復(fù)合材料的矩形截面管與預(yù)緊力齒接頭在橋梁工程上的使用也提出了重要實驗基礎(chǔ)與技術(shù)。

1 試驗方案

1.1 試驗材料

試驗材料包括以下幾種。

1.1.1 復(fù)合材料平板

本研究的試件復(fù)合材料平板均選用拉擠型碳纖維復(fù)合材料（Carbon fiber reinforced poly-mer/plastic，CFRP），纖維走向以0°為主，板厚為13mm，寬為20mm（纖維體積含量為65%）。材料參數(shù)見表1。

表1 碳纖維增強樹脂復(fù)合材料(CFRP)板力學(xué)參數(shù)

1.1.2 金屬板

金屬板采用鋼板Q345，厚度為10mm，寬度取45mm，材料參數(shù)見表2。

表2 Q345 鋼板力學(xué)參數(shù)

1.1.3 螺栓

螺栓采用犬牙不銹鋼12.9 等級的M6 高強度螺栓，其拉伸強度和屈服強度分別為700 Mpa 和450 Mpa。

1.2 試件分組

預(yù)緊力齒連接試件分組見表3，變量為預(yù)緊力、鋼尺齒長，共計12 組，分為AB 兩大組，A 組為預(yù)緊力變化試件組，B 組為齒長變化試件組。

表3 預(yù)緊力齒連接試件分組

1.2.1 預(yù)緊力A 組

共分為6 組，予以不同預(yù)緊力的試件，研究不同預(yù)緊力對單齒失效方式及極限承載力的影響。每種預(yù)緊力大小制作兩個試件。

表4 B 組破壞模式試驗結(jié)果

1.2.2 鋼齒齒長B 組

共分為6 組，予以不同齒長的試件，用于探討接頭中鋼齒尺寸變化對單齒破壞模式和極限承載力的作用，每種齒長制作兩個試件。

試件共有兩端，分別為齒連接以及螺栓連接。螺栓安裝在鋼板的兩邊，不受外力的影響，以提供對齒的預(yù)應(yīng)力。為便于觀察鋼齒的失效，保留了空隙。試件尺寸如下：復(fù)合材料齒長L 和齒深H1 為16mm 和2mm，接觸端鋼齒齒深H2 為2mm，鋼齒寬度和復(fù)合材料齒b 為20mm，改變鋼齒長度h 和預(yù)緊力N。試件編號為nT-gc-h-N，其中齒數(shù)為n，受拉伸狀態(tài)以T 表示，鋼齒以gc 表示，鋼齒齒長為h,預(yù)緊力為N，如1T-gc-1.0-60 表示齒數(shù)1，受拉伸，鋼齒齒長16mm，預(yù)緊力60Mpa 的試件。

1.3 試驗加載及數(shù)據(jù)采集

萬能試驗機用于試驗工作，該設(shè)備可以自動收集和存儲成數(shù)據(jù)的形式。由 ASTMD3846-94 標(biāo)準，采取分級加載方式及0.5mm/s 的速度進行試驗加載，記錄試件的載荷-位移曲線并對其進行了最大承載能力的測量。平板試驗加載如圖2 所示。

圖2 試驗加載及數(shù)據(jù)采集

2 試驗結(jié)果分析及討論

2.1 CFRP 復(fù)合材料預(yù)緊力齒連接接頭破壞模式

結(jié)果表明，改變預(yù)緊力未對破壞模式產(chǎn)生顯著影響。鋼齒齒長h 在1.0mm～2.0mm 范圍內(nèi)，復(fù)合材料齒向下滑動，試件鋼齒發(fā)生介于彎曲破壞與剪切破壞之間的破壞形式，鋼齒發(fā)生嚴重彎曲，兩端剪斷；鋼齒齒長在2.0mm～3.0mm 范圍內(nèi)，剪切破壞發(fā)生于復(fù)合材料，鋼齒將發(fā)生介于彎曲變形與剪切變形之間變形；鋼齒齒長大于3.0mm 時，剪切破壞發(fā)生于復(fù)合材料，鋼齒不發(fā)生顯著介于彎曲變形與剪切變形之間變形。

2.2 CFRP 復(fù)合材料預(yù)緊力齒連接接頭荷載-位移

B 組試件的荷載-位移曲線，顯著的非線性特點表現(xiàn)于曲線的初始階段，這主要是基于試塊和夾具的滑動。從這一結(jié)果可以得知，具有典型的特征存在于預(yù)緊力齒連接的荷載-位移曲線：當(dāng)負荷在升至極限值后突然減弱，與此同時試塊纖維拉斷破壞以及剪切破壞為主要的破壞模式，但改變了預(yù)緊力和鋼齒的齒長對荷載-位移特征并沒有任何的影響。

2.3 CFRP 復(fù)合材料預(yù)緊力齒連接接頭極限承載力

試驗所得復(fù)合材料預(yù)緊力齒連接承載力Pu平均值，連接強度σ 和破壞模式。

連接強度σ 計算公式為：

式中：d 為復(fù)合材料板寬，為20mm；t 為復(fù)合材料板厚，為13mm。

3 CFRP 復(fù)合材料預(yù)緊力齒連接接頭承載力影響因素

3.1 預(yù)緊力

如圖3 所示，為A 組接頭極限強度與預(yù)緊應(yīng)力之間的變化規(guī)律。實驗表明：在55Mpa 內(nèi)條件下，隨著預(yù)緊力的增加，節(jié)點的承載量隨著預(yù)應(yīng)力的增加而升高，而在55MPa 以上的預(yù)緊力下，即使繼續(xù)增加，其承載量也保持不變。

圖3 CFRP 復(fù)合材料預(yù)緊力齒連接接頭承載力隨預(yù)緊力的變化曲線

3.2 鋼齒齒長

如圖4 所示為B 組隨鋼齒齒長變化接頭最終承載力的變化。研究發(fā)現(xiàn)，在某一特定的范圍，隨著鋼齒長度的增加，其極限承載力將得到提高，鋼齒齒長h在1.0mm～1.5mm 范圍內(nèi)，影響較大，曲線斜率較大，提高的幅度大，接頭極限承載力隨鋼齒齒長增加而提高的速度快；鋼齒齒長h 在2.0mm～3.0mm 范圍內(nèi)，曲線斜率相對較小，故增長幅度相對較??；但當(dāng)鋼齒齒長大于3.0mm 時，曲線斜率接近0，即便是鋼齒齒長增至16mm，接頭承載力也依然幾乎不改變。

圖4 鋼齒齒長與極限承載力關(guān)系曲線

由此可知，有效齒長的存在對于承載力的作用。隨著齒長的增加，只在有效齒長連接承載力的增加才會發(fā)生，當(dāng)齒長大于有效齒長度時，連接承載力將不再改變，再增加齒長只會存在對材料的浪費，并不能有效利用材料。

4 結(jié)論

針對CFRP 的預(yù)緊力齒連接接頭，我們進行了深入細致的研究，最終我們得出了如下幾條結(jié)論：

1.破壞模式與預(yù)緊力大小無任何關(guān)聯(lián)，復(fù)合材料預(yù)緊力齒連接接頭與鋼齒齒長相關(guān)的破壞大抵可分為以下三種類型：

（1）鋼齒彎剪破壞。

（2）鋼齒具有明顯的彎曲變形和剪力失效。

（3）鋼齒無明顯彎剪變形且復(fù)合材料齒發(fā)生剪切破壞。

2.具有典型的特征存在于預(yù)緊力齒連接的荷載-位移曲線，即荷載逐步升至極值后會突然出現(xiàn)減弱，與此同時試塊纖維拉斷破壞以及剪切破壞為主要的破壞模式。

3.復(fù)合材料預(yù)緊力齒連接接頭連接有著杰出的性能，其最大連接強度可達227.69MPa。

（1）在55Mpa 內(nèi)條件下，隨著預(yù)緊力的增加，節(jié)點的承載量隨著預(yù)應(yīng)力的增加而升高，而在55MPa 以上的預(yù)緊力下，即使繼續(xù)增加，其承載量也保持不變，接頭連接強度會趨向某個值，無顯著變化。

（2）如果鋼齒齒長較小，則鋼齒齒長的增加會對單齒的極限承載能力造成一定的影響，齒長越大，其承受能力就越強，從而使其逐漸增大，但是隨著鋼齒長度的增大，其對連接承載力的影響會逐漸變得穩(wěn)定。

4.本文試驗僅對不同鋼齒齒長的單齒試件進行研究，對于涵蓋載荷的分配等方面的復(fù)合材料多齒連接，所得結(jié)論和規(guī)律尚需進一步探討。