拉挤GFRP管材与钢管连接的拉伸试验研究.docx

拉挤GFRP管材与钢管连接的拉伸试验研究图8为编号1#、2#、5#试件沿胶接长度方向上不同荷载作用下的剪应力分布曲线，从图中可知：胶层沿胶接长度方向截面的切应力〔胶层剪应力〕分布是不均匀的在加载初期，试件1#胶层剪应力从加载端到胶接端逐渐增大;试件2#、5#中间胶层剪应力趋近于零随着荷载不断增加，试件1#胶层剪应力持续增大直至试件发生破坏;当试件2#到达一定荷载时，GFRP管加载端头〔胶接端〕处胶层的剪应力最先到达峰值，继续增加荷载时，胶层的剪应力开始出现下降，相邻〔朝加载端方向〕处胶层的剪应力由较低的应力水平开始迅速增加在临近极限荷载时，胶层剪应力峰值出现在中间段，曲线呈抛物线特征;试件5#在胶接端处胶层剪应力到达峰值后，胶层剪应力出现在距胶接端长度1/3处，未完全向中间转移GFRP管与钢管连接界面失效是一个逐步破坏的过程，由胶接端处往加载端处逐步破坏根据GFRP管材胶接连接中胶层剪应力的分布特征，可知胶粘剂的高应力发生在胶接端，在加载初期荷载的传递主要靠胶接端处的胶层只有当端头处胶层剪应力到达峰值时，荷载才开始往中间胶层传递，说明沿胶接长度方向的胶层剪应力不能同时到达峰值虽然在连接构件接近破坏之前，中间段胶层也传递了较大荷载，但是端头处的剪应力已经下降，分担荷载能力减小。

故连接区域内胶层发挥的效率是有限的，不能传递较大载荷2.3胶接连接受力机理及破坏过程分析胶接连接构件在承受拉伸荷载作用下，钢管与GFRP管分别发生拉伸变形导致端头处胶层发生剪切变形〔见图9〕胶层剪应力在加载初期沿长度方向分布特征是两端大，中间小由于GFRP管材与钢管的刚度不等，GFRP管材比钢管更容易发生变形，节点在承受荷载时，胶接端〔右端〕处的GFRP管变形量比钢管的变形量大，因此导致胶层高应力发生在胶接端，并随荷载作用增加较快根据双搭接连接剥离应力【5】和不同胶接长度剪应力分布特点可知，胶接端部处的GFRP表层在剥离应力和剪应力作用下最先出现裂纹，如图10a所示胶层传递荷载能力开始下降，胶接端相邻处〔往加载方向〕胶层的剪应力由低应力水平开始迅速增加随着荷载不断上升，胶接端头处的GFRP管层间裂缝不断朝加载端方向扩展，如图10b所示当荷载值到达构件极限承载力时，GFRP管层间形成贯穿裂缝，GFRP管发生层间剥离破坏，如图10c所示2.4胶接长度对承载力影响先由每组三个试件求得试件承载力的平均值，然后再除以胶接面积、管材净截面积、管材极限承载力分别得出试件的平均剪切应力、平均破坏应力、连接效率〔见表3〕。

由表可知增加胶接长度能提高胶接连接的极限承载力、连接效率，但是平均剪切应力随胶接长度增加而不断减小从图11〔a〕胶接长度与承载力关系曲线可知，极限荷载随胶接长度的增加，前期增加较为明显，后期出现明显缓坡在胶接试件中存在一个有效胶接长度，当胶接长度小于此长度时，构件承载力会随胶接长度增加而增加，而大于此长度时，构件承载力增加较少试验说明，当胶接长度到达管径的1.6倍〔68mm〕时，再增加胶接长度，承载力增加并不明显从图11〔b〕胶接长度与平均剪切应力关系曲线可知，随着胶接长度的增加，平均剪切应力不断降低胶接长度为34mm时，平均剪切应力值最高，但是连接效率较低，只到达材料强度的36%，难以充分发挥材料的强度从构件承载力、连接效率和经济本钱及减轻节点重量等因素考虑，针对该截面尺寸的管材，可取68mm作为GFRP管与金属连接件的有效胶接长度3螺栓连接实验结果与分析3.1端距对单螺栓连接性能影响单排螺栓的e/d比值与承载力关系曲线见图12，当e/d=2时，承载力最低，随着e/d比值不断增加，极限破坏荷载逐渐增加当e/d≥7时，极限破坏荷载到达最大值，此后根本趋于稳定不再增加因GFRP管材的截面积是固定不变的，所以其平均破坏应力与承载力的变化趋势相同。

各试件的破坏模式如图13所示，当2〔e/d〔5时发生的破坏均是剪切破坏，与目前复合材料板e/d≥3时发生挤压破坏的几何参数不符[5，14，15]原因可能是本次试验所使用的GFRP管材为拉挤成型的GFRP管，主要由纵向玻璃纤维制成，而该几何参数大多是针对具有一定铺层结构的复合层合板研究而来复合层合板材由不同方向角度纤维组成，在一定程度上可以限制材料的剪切破坏当e/d≥7时试件全部发生挤压破坏由此可知，试件在保证发生挤压破坏时，端距与孔径的比值应该大于等于73.2螺栓排数对连接性能影响从多螺栓连接试验结果〔见表4〕和螺栓排数与承载力关系曲线〔图14〕可知，随着螺栓排数增加，但并非线性增加，GFRP管螺栓连接的破坏荷载逐渐增大，与金属材料螺栓连接相比有较大差异从一排螺栓连接到四排螺栓连接，每增加一排螺栓，承载力分别增加了13.9kN、14.9kN、7.5kN，相对增加连接效率分别为64%、39%、15%当螺栓排数大于等于3后破坏荷载增加值变小，连接效率虽有提高，但相对增加连接效率明显降低以上规律与复合材料层合板螺栓连接规律类似复合材料多排螺栓连接特性与金属材料有很大不同，对于金属材料连接，当到达极限荷载时，栓孔荷载分配根本一致，而复合材料螺栓连接在到达极限荷载时，栓孔间荷载分配是不均的，分配比例较为复杂，主要与被连接件的相对刚度有关【5】。

GFRP管螺栓连接承载力最高的为四排螺栓连接，但连接效率只有23%，远没有到达GFRP管材的强度值3.3螺栓连接承载力计算当螺栓排数较多时，由于栓孔荷载分配的不均匀性，端部螺栓荷载分配要比中间栓孔的荷载分配更高，可以根据试验结果推导出相应的折减系数βn来计算多排螺栓连接的承载力4结论通过对拉挤型GFRP管材胶接连接、螺栓连接实验研究可以得出以下结论：〔1〕胶接连接中胶层剪应力沿长度方向分布是不均匀的，随着荷载增加，膠层剪应力峰值由胶接端朝中间段胶层转移〔2〕胶接连接中增加胶接长度可以提高极限承载力，但胶接长度与承载力并不成线性关系前期增加胶接长度能显著提高构件承载力，但当长度到达管径的1.6倍〔68mm〕后，再增加胶接长度对承载力提升并不大，由此可考虑将1.6倍管径作为拉挤型GFRP管材的有效胶接长度〔3〕拉挤型GFRP管材螺栓连接在保证不发生拉伸破坏时，端距与栓径的比值在e/d≥7、排距与螺栓直径比值p/d≥8范围中可保证连接破坏为偏平安的破坏形式—挤压破坏〔4〕对于中等厚度〔厚度为5mm左右〕的拉挤GFRP管型材两种连接方式，胶接连接效率较高，而螺栓连接效率远低于胶接连接综合考虑连接效率和制作工艺等因素，建议选择胶接连接方式。

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