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標準設(shè)計相應(yīng)的試驗件，進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，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? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）16-0062-03

0? 引言

纖維增強樹脂基復(fù)合材料（FRP，F(xiàn)iber Reinforced Polymer）由于其具有較高的比強度、比剛度和可設(shè)計性強等優(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標準進行設(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，參考該標準設(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試驗標準進行無預(yù)埋件螺栓連接層合板雙剪切試驗，試驗在INSTRON電子萬能試驗機上進行，共進行了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，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度與不帶套筒螺栓連接強度相差不大，帶圓形套筒的螺栓連接形式連接強度數(shù)值偏差更小，顯得更穩(wěn)定。

參考文獻：

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