多釘搭接接頭極限承載力的影響因素比較分析

關(guān)鍵詞：螺栓連接；多釘搭接接頭；極限承載力；螺栓失效機(jī)制

中圖分類號(hào)：TQ050.4；U270.4 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1001-5922（2024）12-0076-04

對(duì)螺栓連接部位進(jìn)行力學(xué)特性研究，具備重要的工程實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。對(duì)此，部分學(xué)者也進(jìn)行了很多研究，如利用深度學(xué)習(xí)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)大的非線性映射能力對(duì)復(fù)合材料螺栓連接失效載荷的影響參數(shù)進(jìn)行非線性擬合，對(duì)螺栓里阿尼額的失效峰值進(jìn)行預(yù)測[1]。以復(fù)合材料結(jié)構(gòu)單螺栓連接為研究對(duì)象，利用有限元仿真技術(shù)模擬螺栓的擰緊過程[2]。建立單搭接螺栓連接的有限元仿真模型，對(duì)不同鋪層下單釘單剪接頭的承載過程的損傷模式和失效形式進(jìn)行了分析[3]。基于此，本試驗(yàn)對(duì)多釘搭接接頭極限承載力影響因素的研究。

1試驗(yàn)部分

1.1泡沫夾芯板的制備

（1）通過鋸床對(duì)復(fù)合材料層合板和PVC夾芯進(jìn)行切割，在切割時(shí)要注意降溫慢速切割，避免在高速摩擦的作用下對(duì)試件灼傷；

（2）將層合板需要涂抹膠水那側(cè)用粗糙砂紙進(jìn)行打磨，增大層合板與膠水的接觸面積。用丙酮將打磨好的層合板和泡沫夾芯清洗干凈并自然風(fēng)干；

（3）按比例將環(huán)氧樹脂AB膠進(jìn)行混合，然后通過羊毛刷在層合板和夾芯表面均勻刷上膠水，然后依次將上下面板與夾芯位置對(duì)齊，并用G字夾壓緊靜置固化，固化時(shí)間為24h；

（4）通過臺(tái)式鉆床對(duì)制備的夾芯板進(jìn)行開孔，通過圓銼刀去除孔周圍的毛刺和斷裂纖維。

1.2單搭接和多搭接接頭試件的制備

搭接接頭主要由復(fù)合夾芯板和金屬連接板構(gòu)成，通過M10螺栓進(jìn)行連接，參數(shù)見表1。

1.3斜削雙搭接接頭試件制備

在實(shí)際工程應(yīng)用中，除簡單的單搭接接頭和雙搭接接頭外，還常使用斜削雙搭接接頭的連接方式，因此還需要對(duì)該連接接頭進(jìn)行分析[5-6]。斜削雙搭接接頭試件斜削長度L為120mm，金屬連接件前端厚度t2為2mm，其余材料參數(shù)與單雙搭接接頭一致。幾何形狀見圖1。

2結(jié)果與討論

2.1單搭接接頭預(yù)緊力的影響

螺栓預(yù)緊力的影響見圖2。

由圖2可知，隨螺栓預(yù)緊力的增加，接頭極限承載力表現(xiàn)出先增加后降低的變化趨勢。當(dāng)預(yù)緊力從1kN增加至10kN時(shí)，接頭極限承載力從51.4kN提升至57.3kN。繼續(xù)增加螺栓預(yù)緊力，接頭承載力下降至54.2kN。出現(xiàn)這個(gè)變化的主要原因在于，在預(yù)緊力較大的情況下，孔周附近的基體率先發(fā)生失效，使得接頭強(qiáng)度有一定降低[9]。再加上復(fù)合材料的泡沫夾芯材料的強(qiáng)度較低，對(duì)預(yù)緊力的變化更加敏感，因此預(yù)緊力發(fā)生變化，接頭極限承載力也隨之發(fā)生變化[10-11]。進(jìn)一步對(duì)預(yù)緊力為5、15kN的應(yīng)力分布情況進(jìn)行分析，結(jié)果見圖3。

由圖3可知，高預(yù)緊力夾芯板孔周附近的高應(yīng)力區(qū)明顯更大。因此在實(shí)際應(yīng)用過程中，夾芯板的多釘單搭接連接結(jié)構(gòu)應(yīng)格外注意預(yù)緊力大小的影響。

2.2雙搭接接頭預(yù)緊力的影響結(jié)果

預(yù)緊力的影響見圖4。

由圖4可知，隨預(yù)緊力的增加，雙搭接接頭極限承載力與單搭接接頭極限承載力的變化一致。當(dāng)螺栓預(yù)緊力為10kN時(shí)，接頭極限承載力達(dá)到最高，為70.8kN。繼續(xù)增加螺栓預(yù)緊力，雙搭接接頭反而出現(xiàn)一定的降低。以上變化就說明了，適當(dāng)提升預(yù)緊力對(duì)雙搭接接頭強(qiáng)度有積極的影響，但過大的預(yù)緊力會(huì)導(dǎo)致接頭出現(xiàn)局部失效，使螺栓連接強(qiáng)度有一定降低[14]。尤其對(duì)于部分材料為夾芯板結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料，預(yù)緊力的影響則更加明顯[15-16]。

2.3斜削雙搭接接頭

斜削試件預(yù)緊力對(duì)接頭極限承載力的影響見圖5。

由圖5可知，斜削雙搭接的極限承載力隨預(yù)緊力增加的變化趨勢也與前2種連接方式一致，也在預(yù)緊力為10kN的條件下達(dá)到極值65.0kN，過大的預(yù)緊力反而對(duì)接頭極限承載力產(chǎn)生不良影響。以上變化說明了在實(shí)際工程應(yīng)用中，對(duì)于夾芯板多釘螺栓連接結(jié)構(gòu)，需要謹(jǐn)慎施加螺栓預(yù)緊力，避免因預(yù)緊力過大引起接頭局部受損，對(duì)其承載力產(chǎn)生不良影響[19-20]。

2.43種連接方式對(duì)比分析

2.4.1極限承載力

極限承載力對(duì)比見圖6。

由圖6可觀察到，雙搭接接頭和斜削雙搭接接頭的極限承載力均明顯高于單搭接接頭試件。這是因?yàn)殡p搭接接頭為對(duì)稱結(jié)構(gòu)，可以有效避免因偏心載荷引起的螺栓傾斜及二次彎曲現(xiàn)象，對(duì)接頭承載力有明顯的提升作用。而斜削雙搭接接頭被削去了部分金屬連接件材料，因此極限承載力較雙搭接試件降低了約9.5%。但斜削雙搭接材料可在一定程度上節(jié)約材料，因此在實(shí)際工程應(yīng)用中，需要根據(jù)需求進(jìn)行選擇。

2.4.2排距的影響

排距的影響見圖7。

由圖7可知，隨排距的增加，3種連接方式極限承載力的變化趨勢基本一致。斜削雙搭接接頭試件排距從3增加至5時(shí)，極限承載力快速增加。而排距從5增加至6時(shí)，極限承載力增長速率變慢。這就說明排距對(duì)斜削雙搭接接頭承載能力的促進(jìn)作用隨著排距的增加在減弱。因此在實(shí)際工程應(yīng)用中，對(duì)于夾芯板多釘螺栓連接結(jié)構(gòu)，需要根據(jù)結(jié)構(gòu)的實(shí)際尺寸及受力情況選擇適合的螺栓排距，對(duì)承載能力和材料用料間的關(guān)系進(jìn)行平衡。

2.4.3列距的影響

列距的影響見圖8。

由圖8可觀察到，隨列距的增加，3種試件極限承載力也隨之增加。2種雙搭接接頭試件極限承載力的變化趨勢基本一致，而單搭接接頭試件極限承載力上升趨勢最大。通過對(duì)失效程度進(jìn)行對(duì)比可知，列距對(duì)斜削雙搭接接頭的極限承載力影響最小，對(duì)單搭接接頭的影響最大。列距對(duì)斜削雙搭接接頭承載能力的影響明顯高于排距的影響，因此在實(shí)際工程應(yīng)用中，除了需要考慮螺栓孔的排距，還需要對(duì)列距進(jìn)行規(guī)劃。

3結(jié)語

（1）3種連接方式的搭接接頭在靠近加載端的螺栓孔失效程度和范圍均大于其余螺栓孔，且失效模式均從靠近加載端螺栓孔開始萌發(fā)，失效區(qū)域和應(yīng)變能由內(nèi)向外傳遞和擴(kuò)展；

（2）單搭接接頭在載荷偏心作用下產(chǎn)生附加彎矩，使得試件出現(xiàn)二次彎曲和螺栓傾斜的現(xiàn)象，降低了試件的承載能力。而雙搭接接頭和斜削雙搭接接頭結(jié)構(gòu)對(duì)稱，對(duì)極限承載力產(chǎn)生積極的影響。但雙搭接接頭較單搭接接頭多了一塊連接板，使得重量有一定增加，因此在實(shí)際工程應(yīng)用中，需要根據(jù)需求選擇；

（3）適當(dāng)增加螺栓預(yù)緊力可以有效提升連接接頭的極限承載力，但過高預(yù)緊力會(huì)造成接頭出現(xiàn)局部失效的情況，因此在實(shí)際工程應(yīng)用中，需要注意螺栓預(yù)緊力的施加；

（4）排距和列距均對(duì)多釘搭接接頭極限承載力存在一定的影響，隨列距和排距的增加，搭接接頭極限承載力隨之增加，但排距對(duì)斜削雙搭接接頭承載能力的促進(jìn)作用隨排距的增加在減弱。通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)，多釘單搭接接頭的極限承載力受列距的影響較其余2種連接方式更大。在實(shí)際工程應(yīng)用中，需要結(jié)合實(shí)際尺寸及受力情況，權(quán)衡材料的利用率及承載力的關(guān)系，制定出最適合的螺栓排距和列距。