拉擠GFRP管材與鋼管連接的拉伸試驗(yàn)研究

祝明橋，李志彬，王瑤，張紫薇

(湖南科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 湘潭 411201)

拉擠成型的玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合管材(簡(jiǎn)稱GFRP管材)是用單向玻璃纖維作為增強(qiáng)材料，玻璃纖維布作為包裹加強(qiáng)層，在牽引力作用下，纖維材料浸漬樹(shù)脂后通過(guò)金屬模具進(jìn)行預(yù)成型并固化而成的一種新型復(fù)合管材[1]。拉擠型GFRP管材作為桁架結(jié)構(gòu)中的受拉桿件，因具備輕質(zhì)高強(qiáng)、抗腐蝕等特點(diǎn)，可以很好地減輕結(jié)構(gòu)自重、提高結(jié)構(gòu)的抗腐蝕性能[2]。但是拉擠型GFRP管材各向異性較為嚴(yán)重，運(yùn)用在組合結(jié)構(gòu)中還存在節(jié)點(diǎn)連接關(guān)鍵性問(wèn)題。復(fù)合材料連接問(wèn)題最早是出現(xiàn)在航天航空領(lǐng)域，據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)統(tǒng)計(jì)，在航天航空領(lǐng)域，復(fù)合材料的破壞有70%是發(fā)生在連接部位，連接部位對(duì)結(jié)構(gòu)的整體性、耐久性、疲勞性有重要的影響[3]。

膠接連接作為復(fù)合材料連接技術(shù)的重要分支之一，已有眾多學(xué)者對(duì)其連接性能開(kāi)展了實(shí)驗(yàn)及理論研究[4]。從已有研究成果可知，膠接連接性能跟連接形式、被膠接件彈性模量、纖維鋪層順序、膠層厚度、連接的幾何尺寸等因素有關(guān)[5-10]。螺栓連接具有受環(huán)境影響較小、連接簡(jiǎn)單、造價(jià)低、能傳遞較大載荷等優(yōu)點(diǎn)[4]。影響螺栓連接性能的參數(shù)主要有纖維鋪層比例及順序、連接的幾何參數(shù)、擰緊力矩等[11-14]。Rosner等[14]對(duì)拉擠型GFRP層合板進(jìn)行了單螺栓連接拉伸試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)端距e與螺栓直徑d之比、板寬W與螺栓直徑d之比對(duì)連接承載力及破壞模式有重要影響。王花娟等[15]試驗(yàn)研究了玻璃纖維織物/環(huán)氧層合板單螺栓連接的最佳連接幾何參數(shù)，結(jié)果表明：當(dāng)e/d≥3、W/d≥4時(shí)，連接承載力趨于穩(wěn)定，破壞模式基本為擠壓破壞。Hart等[16]曾經(jīng)對(duì)復(fù)合材料層壓板的膠接連接做出過(guò)建議，推薦最外層鋪層方向與載荷方向平行，以限制層間破壞。

學(xué)者們對(duì)GFRP連接雖有相關(guān)研究[17-18]，但現(xiàn)有復(fù)合材料的連接性能研究主要是關(guān)于纖維鋪層結(jié)構(gòu)層合板的互相搭接連接，而關(guān)于GFRP管材與鋼管連接性能的相關(guān)研究較少。另外，GFRP管材主要由單向玻璃纖維絲構(gòu)成，纖維組成結(jié)構(gòu)與復(fù)合層合板有較大不同，而且GFRP管材的截面形式、被連接件種類(lèi)對(duì)其連接性能的影響也不同。本文采用兩種連接方式:膠接和螺栓連接，開(kāi)展了GFRP管材與鋼管連接的拉伸試驗(yàn)研究。膠接連接試驗(yàn)中選取膠接長(zhǎng)度作為變量，螺栓連接中選取端距和螺栓個(gè)數(shù)為變量，分別研究了各連接方式參數(shù)的變化對(duì)連接試件承載力、破壞模式等試驗(yàn)結(jié)果的影響，得出最佳設(shè)計(jì)參數(shù)，可為后續(xù)桁架結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)連接方式及參數(shù)的選擇提供參考。

1 GFRP管材連接試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料及構(gòu)件設(shè)計(jì)

連接構(gòu)件由GFRP管材和鋼管連接件組成，而鋼管連接件由內(nèi)外不銹鋼套管與螺栓通過(guò)螺紋連接組成，GFRP管插入間隙與之相連(如圖1)。在沿膠接長(zhǎng)度方向上的兩膠接端頭中，以靠近螺栓加載方向?yàn)榧虞d端，另一端作為膠接端來(lái)進(jìn)行區(qū)分。試驗(yàn)選取的GFRP管材為拉擠成型，主要由縱向纖維構(gòu)成，表層由纖維布包裹，作為增強(qiáng)層，直徑與厚度分別為42、5 mm，抗拉強(qiáng)度為440 MPa，彈性模量為2.8×104MPa。內(nèi)外不銹鋼管的直徑分別為32、50 mm，抗拉強(qiáng)度≥520 MPa，厚度同為4 mm，彈性模量為1.93×105MPa。膠接連接所用膠黏劑為3M公司生產(chǎn)的DP—460雙組份環(huán)氧樹(shù)脂類(lèi)結(jié)構(gòu)膠黏劑；在螺栓連接試驗(yàn)中，為保證螺栓不發(fā)生屈服，選用等級(jí)為12.9級(jí)高強(qiáng)螺栓，螺栓直徑為6 mm。

圖1 GFRP管材與鋼管連接件配合連接示意圖Fig.1 Schematic diagram of matching connection between GFRP pipe and steel pipe

1.2 試件設(shè)置

1.2.1 膠接連接參數(shù)設(shè)置 膠接連接以膠接長(zhǎng)度為變化參量，研究了膠接長(zhǎng)度與連接承載力的關(guān)系，試件參數(shù)設(shè)置見(jiàn)表1。拉伸載荷方向?yàn)楣懿妮S向方向，試驗(yàn)應(yīng)變采集儀器型號(hào)為Ut7121Y靜態(tài)應(yīng)變儀，百分表量程30 mm。在每個(gè)連接件外鋼套管表面沿膠接長(zhǎng)度方向上對(duì)稱貼置兩排應(yīng)變片，研究軸向剪應(yīng)力的分布特征及隨荷載的變化規(guī)律。在靠近膠接端處的GFRP管和外鋼套管上用膠黏劑分別固定擋片和百分表，測(cè)量連接節(jié)點(diǎn)在荷載作用下的拉伸變形。構(gòu)件實(shí)圖如圖2所示。

表1 膠接連接參數(shù)設(shè)置Table 1 Parameter setting of bonded connection

圖2 膠接連接構(gòu)件實(shí)物圖Fig.2 Sectional view of placement of fiberglass in GFRP

1.2.2 機(jī)械連接參數(shù)設(shè)置 在單螺栓連接試驗(yàn)中，設(shè)置了不同端距來(lái)研究e/d比值對(duì)螺栓連接承載力及破壞模式的影響，單螺栓連接GFRP管栓孔的端距設(shè)置如圖3所示；在多螺栓連接實(shí)驗(yàn)中，為了驗(yàn)證參數(shù)正確性及螺栓排數(shù)對(duì)連接承載力的影響，設(shè)置了多螺栓連接的拉伸試驗(yàn)，試驗(yàn)參數(shù)端距e和排距P的確定是基于單螺栓的連接試驗(yàn)結(jié)果，多螺栓連接采用十字連接構(gòu)型，具體參數(shù)見(jiàn)表2，多螺栓端距與排距設(shè)置見(jiàn)圖4，螺栓連接構(gòu)件實(shí)物圖見(jiàn)圖5所示。

圖3 單排螺栓連接設(shè)置圖Fig.3 Single row bolt connection setup

1.3 加載及測(cè)量指標(biāo)

連接拉伸試驗(yàn)構(gòu)件加載方向?yàn)镚FRP管材的拉擠成型方向，每組試件有3個(gè)相同構(gòu)件，試件采用600 kN萬(wàn)能實(shí)驗(yàn)機(jī)進(jìn)行加載。膠接連接構(gòu)件采用分級(jí)加載，每10 kN為一級(jí)，加載速度為1 mm/min左右，螺栓連接構(gòu)件采用勻速加載，加載速度控制在1 mm/min。試驗(yàn)主要測(cè)量各級(jí)荷載作用下應(yīng)變測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變、連接構(gòu)件的承載力。當(dāng)加載過(guò)程中出現(xiàn)持荷困難，荷載不再繼續(xù)增加，同時(shí)，觀測(cè)到連接件或連接介質(zhì)發(fā)生破壞(如剪切、剝離、劈裂等破壞模式)，即停止試驗(yàn)。

表2 螺栓連接實(shí)驗(yàn)試件設(shè)置Table 2 Specimen with different end distances

圖4 多螺栓連接GFRP管栓孔設(shè)置示意圖Fig.4 Bolt setting of multiple bolted connection GFRP

圖5 螺栓連接構(gòu)件實(shí)物圖Fig.5 Components of bolted

2 膠接實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 荷載-拉伸變形關(guān)系及破壞模式

圖6為不同膠接長(zhǎng)度的荷載-拉伸變形曲線。從圖中可知，在加載初期，荷載-拉伸變形曲線近似一條直線，在加載后期，曲線增長(zhǎng)明顯變緩，越接近極限荷載時(shí)，變形量增大。當(dāng)膠接長(zhǎng)度只有34 mm時(shí)，曲線斜率和極限荷載最小；增加到68 mm時(shí)，曲線斜率和極限荷載明顯增大；繼續(xù)增加膠接長(zhǎng)度，曲線斜率和極限荷載變化不大；但膠接長(zhǎng)度增加到150 mm時(shí)，極限荷載和位移雖有增大，但曲線斜率明顯下降，破壞時(shí)表現(xiàn)出一定的延性。由此可看出，GFRP管膠接破壞并不完全是脆性破壞，破壞時(shí)具有一定的延性，并且膠接長(zhǎng)度越長(zhǎng)，破壞時(shí)延性越好。

圖6 不同膠接長(zhǎng)度的荷載-拉伸變形曲線Fig.6 Load-tensile deformation curve of different

膠接連接構(gòu)件中，每組試件發(fā)生的破壞幾乎都是GFRP管層間發(fā)生剝離(見(jiàn)圖7)，表層纖維絲被拉出。原因可能是GFRP管與鋼管連接件膠接連接節(jié)點(diǎn)在承受拉伸荷載時(shí)，由于荷載路徑偏心，粘結(jié)界面不僅存在剪應(yīng)力作用，同時(shí)也存在剝離應(yīng)力。而GFRP管橫向(厚度方向)強(qiáng)度低，它的層間拉伸強(qiáng)度低于膠黏劑與被膠件的粘結(jié)拉伸強(qiáng)度，GFRP管材容易在膠接端部高拉伸剝離應(yīng)力作用下發(fā)生層間破壞。

圖7 GFRP管材膠接破壞圖Fig.7 Debonding failure of GFRP

2.2 膠層剪應(yīng)力分布特征

根據(jù)靜力平衡條件和試驗(yàn)所測(cè)應(yīng)變測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)可以計(jì)算沿長(zhǎng)度方向上不同位置段的平均剪切應(yīng)力τi，如式(1)，再用平滑曲線連接各剪切應(yīng)力點(diǎn)得出沿膠接長(zhǎng)度方向的剪切應(yīng)力分布曲線。

(1)

式中：Es為不銹鋼管彈性模量；As為內(nèi)外鋼套管的實(shí)際橫截面積；d為粘結(jié)面的直徑；hi為應(yīng)變測(cè)點(diǎn)距離。

圖8為編號(hào)1#、2#、5# 試件沿膠接長(zhǎng)度方向上不同荷載作用下的剪應(yīng)力分布曲線，從圖8可知：膠層沿膠接長(zhǎng)度方向截面的切應(yīng)力(膠層剪應(yīng)力)分布是不均勻的。在加載初期，1#試件膠層剪應(yīng)力從加載端到膠接端逐漸增大；2#、5#試件中間膠層剪應(yīng)力趨近于零。隨著荷載不斷增加，1#試件膠層剪應(yīng)力持續(xù)增大，直至試件發(fā)生破壞；當(dāng)2#試件達(dá)到一定荷載時(shí)，GFRP管加載端頭(膠接端)處膠層的剪應(yīng)力最先達(dá)到峰值，繼續(xù)增加荷載時(shí)，膠層的剪應(yīng)力開(kāi)始出現(xiàn)下降，相鄰(朝加載端方向)處膠層的剪應(yīng)力由較低的應(yīng)力水平開(kāi)始迅速增加。在臨近極限荷載時(shí)，膠層剪應(yīng)力峰值出現(xiàn)在中間段，曲線呈拋物線特征；5#試件在膠接端處膠層剪應(yīng)力達(dá)到峰值后，膠層剪應(yīng)力出現(xiàn)在距膠接端長(zhǎng)度1/3處，未完全向中間轉(zhuǎn)移。GFRP管與鋼管連接界面失效是一個(gè)逐步破壞的過(guò)程，由膠接端處往加載端處逐步破壞。

圖8 剪切應(yīng)力在不同膠接長(zhǎng)度上的分布Fig.8 Distribution of shear stress on different bonding

根據(jù)GFRP管材膠接連接中膠層剪應(yīng)力的分布特征，可知膠粘劑的高應(yīng)力發(fā)生在膠接端，在加載初期荷載的傳遞主要靠膠接端處的膠層。只有當(dāng)端頭處膠層剪應(yīng)力達(dá)到峰值時(shí)，荷載才開(kāi)始往中間膠層傳遞，說(shuō)明沿膠接長(zhǎng)度方向的膠層剪應(yīng)力不能同時(shí)達(dá)到峰值。雖然，在連接構(gòu)件接近破壞之前，中間段膠層也傳遞了較大荷載，但端頭處的剪應(yīng)力已經(jīng)下降，分擔(dān)荷載能力減小。故連接區(qū)域內(nèi)膠層發(fā)揮的效率是有限的，不能傳遞較大載荷。

2.3 膠接連接受力機(jī)理及破壞過(guò)程分析

膠接連接構(gòu)件在承受拉伸荷載作用下，鋼管與GFRP管分別發(fā)生拉伸變形，導(dǎo)致端頭處膠層發(fā)生剪切變形(見(jiàn)圖9)。膠層剪應(yīng)力在加載初期沿長(zhǎng)度方向分布特征是兩端大，中間小。由于GFRP管材與鋼管的剛度不等，GFRP管材比鋼管更容易發(fā)生變形，節(jié)點(diǎn)在承受荷載時(shí)，膠接端(右端)處的GFRP管變形量比鋼管的變形量大，因此，導(dǎo)致膠層高應(yīng)力發(fā)生在膠接端，并隨荷載作用增加較快。

圖9 膠接連接節(jié)點(diǎn)處膠層變形示意圖Fig.9 Diagram of adhesive layer deformation at joint

根據(jù)雙搭接連接剝離應(yīng)力[5]和不同膠接長(zhǎng)度剪應(yīng)力分布特點(diǎn)可知，膠接端部處的GFRP表層在剝離應(yīng)力和剪應(yīng)力作用下最先出現(xiàn)裂紋，如圖10(a)所示。膠層傳遞荷載能力開(kāi)始下降，膠接端相鄰處(往加載方向)膠層的剪應(yīng)力由低應(yīng)力水平開(kāi)始迅速增加。隨著荷載不斷上升，膠接端頭處的GFRP管層間裂縫不斷朝加載端方向擴(kuò)展，如圖10(b)所示。當(dāng)荷載值達(dá)到構(gòu)件極限承載力時(shí)，GFRP管層間形成貫穿裂縫，GFRP管發(fā)生層間剝離破壞，如圖10(c)所示。

圖10 膠接界面失效過(guò)程Fig.10 Failure process of bonding

2.4 膠接長(zhǎng)度對(duì)承載力的影響

先由每組3個(gè)試件求得試件承載力的平均值，然后再除以膠接面積、管材凈截面積、管材極限承載力分別得出試件的平均剪切應(yīng)力、平均破壞應(yīng)力、連接效率(見(jiàn)表3)。由表3可知，增加膠接長(zhǎng)度能提高膠接連接的極限承載力、連接效率，但平均剪切應(yīng)力隨膠接長(zhǎng)度增加而不斷減小。

表3 膠接連接構(gòu)件實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 3 Experimental data of bonded connection component

從圖11(a)膠接長(zhǎng)度與承載力關(guān)系曲線可知，隨膠接長(zhǎng)度的增加，極限荷載前期增加較為明顯，后期出現(xiàn)明顯緩坡。在膠接試件中存在一個(gè)有效膠接長(zhǎng)度，當(dāng)膠接長(zhǎng)度小于此長(zhǎng)度時(shí)，構(gòu)件承載力會(huì)隨膠接長(zhǎng)度增加而增加，而大于此長(zhǎng)度時(shí)，構(gòu)件承載力增加較少。試驗(yàn)表明，當(dāng)膠接長(zhǎng)度達(dá)到管徑的1.6倍(68 mm)時(shí)，再增加膠接長(zhǎng)度，承載力增加并不明顯。從圖11(b)膠接長(zhǎng)度與平均剪切應(yīng)力關(guān)系曲線可知，隨著膠接長(zhǎng)度的增加，平均剪切應(yīng)力不斷降低。膠接長(zhǎng)度為34 mm時(shí)，平均剪切應(yīng)力值最高，但連接效率較低，只達(dá)到材料強(qiáng)度的36%，難以充分發(fā)揮材料的強(qiáng)度。從構(gòu)件承載力、連接效率和經(jīng)濟(jì)成本及減輕節(jié)點(diǎn)重量等因素考慮，針對(duì)該截面尺寸的管材，可取68 mm作為GFRP管與金屬連接件的有效膠接長(zhǎng)度。

圖11 膠接長(zhǎng)度與承載力及平剪切應(yīng)力的關(guān)系Fig.11 Relationship between bonding length ad capacity

3 螺栓連接實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 端距對(duì)單螺栓連接性能的影響

單排螺栓的e/d比值與承載力關(guān)系曲線見(jiàn)圖12,當(dāng)e/d=2時(shí)，承載力最低，隨著e/d比值不斷增加，極限破壞荷載逐漸增加。當(dāng)e/d≥7時(shí)，極限破壞荷載達(dá)到最大值，此后基本趨于穩(wěn)定，不再增加。因GFRP管材的截面積是固定不變的，所以，其平均破壞應(yīng)力與承載力的變化趨勢(shì)相同。

圖12 e/d比值與承載力的關(guān)系Fig.12 Relationship between e/d and ultimate

各試件的破壞模式如圖13所示，當(dāng)2≤e/d≤5時(shí)，發(fā)生的破壞是剪切破壞，與目前復(fù)合材料板e(cuò)/d≥3時(shí)發(fā)生擠壓破壞的幾何參數(shù)不符[5,14-15]。原因可能是試驗(yàn)所使用的GFRP管材為拉擠成型的GFRP管，主要由縱向玻璃纖維制成，而該幾何參數(shù)大多由是針對(duì)具有一定鋪層結(jié)構(gòu)的復(fù)合層合板研究而來(lái)。復(fù)合層合板材由不同方向角度纖維組成，在一定程度上可以限制材料的剪切破壞。當(dāng)e/d≥7時(shí)，試件全部發(fā)生擠壓破壞。由此可知，試件在保證發(fā)生擠壓破壞時(shí)，端距與孔徑的比值應(yīng)該大于等于7。

3.2 螺栓排數(shù)對(duì)連接性能影響

從多螺栓連接試驗(yàn)結(jié)果(表4)和螺栓排數(shù)與承載力關(guān)系曲線(圖14)可知，隨著螺栓排數(shù)增加，但并非線性增加，GFRP管螺栓連接的破壞荷載逐漸增大，與金屬材料螺栓連接相比有較大差別。從1排螺栓連接到4排螺栓連接，每增加1排螺栓，承載力分別增加了13.9、14.9、7.5 kN，相對(duì)增加連接效率分別為64%、39%、15%。當(dāng)螺栓排數(shù)大于等于3后，破壞荷載增加值變小，連接效率雖有提高，但相對(duì)增加連接效率明顯降低。以上規(guī)律與復(fù)合材料層合板螺栓連接規(guī)律類(lèi)似。復(fù)合材料多排螺栓連接特性與金屬材料有很大不同，對(duì)于金屬材料連接，當(dāng)達(dá)到極限荷載時(shí)，栓孔荷載分配基本一致，而復(fù)合材料螺栓連接在達(dá)到極限荷載時(shí)，栓孔間荷載分配是不均的，分配比例較為復(fù)雜，主要與被連接件的相對(duì)剛度有關(guān)[5]。GFRP管螺栓連接承載力最高的為4排螺栓連接，但連接效率只有23%，遠(yuǎn)沒(méi)有達(dá)到GFRP管材的強(qiáng)度值。

圖13 e/d比值變化對(duì)破壞形式影響Fig.13 Effect of change in e/d on failure

試件編號(hào)平均破壞荷載/kN平均破壞應(yīng)力/MPa連接效率/%破壞模式SJ623.986041.27909.8擠壓破壞SJ8037.92165.27914.8擠壓破壞SJ952.844090.96920.6擠壓破壞SJ1060.355103.89923.6擠壓破壞

圖14 螺栓排數(shù)與承載力關(guān)系Fig.14 Relationship between row number of bolts and

3.3 螺栓連接承載力計(jì)算

當(dāng)螺栓排數(shù)較多時(shí)，由于栓孔荷載分配的不均勻性，端部螺栓荷載分配要比中間栓孔的荷載分配更高，可以根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果推導(dǎo)出相應(yīng)的折減系數(shù)βn來(lái)計(jì)算多排螺栓連接的承載力。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，可推導(dǎo)出當(dāng)螺栓排數(shù)取值為n排時(shí)的折減系數(shù)βn。

式中：n為螺栓排數(shù)，Pi(i=2,3,4)為n排螺栓連接承載力；Pbr為單排螺栓發(fā)生擠壓破壞時(shí)的連接承載力；Pbr=2σbrdt。

從以上多排螺栓連接的折減系數(shù)可以得出，當(dāng)已知GFRP管材多螺栓連接栓孔直徑的大小d，螺栓排數(shù)n(n≤4)，單螺栓連接栓孔的擠壓強(qiáng)度為σbr，那么，多排螺栓計(jì)算公式為

Pn=2nσbntdβi

(2)

式中：σbr為栓孔的擠壓強(qiáng)度，Pn為n排螺栓連接發(fā)生擠壓破壞時(shí)的承載力；d為栓孔直徑；t為GFRP管的厚度。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)拉擠型GFRP管材膠接連接、螺栓連接試驗(yàn)研究可以得出以下結(jié)論：

1)膠接連接中膠層剪應(yīng)力沿長(zhǎng)度方向分布不均勻，隨著荷載的增加，膠層剪應(yīng)力峰值由膠接端朝中間段膠層轉(zhuǎn)移。

2)膠接連接中，增加膠接長(zhǎng)度可以提高極限承載力，但膠接長(zhǎng)度與承載力并不成線性關(guān)系。前期增加膠接長(zhǎng)度能顯著提高構(gòu)件承載力，但當(dāng)長(zhǎng)度達(dá)到管徑的1.6倍(68 mm)后，再增加膠接長(zhǎng)度對(duì)承載力提升并不大，由此可考慮將1.6倍管徑作為拉擠型GFRP管材的有效膠接長(zhǎng)度。

3)拉擠型GFRP管材螺栓連接在保證不發(fā)生拉伸破壞時(shí)，端距與栓徑的比值在e/d≥7、排距與螺栓直徑比值p/d≥8范圍中可保證連接破壞為偏安全的破壞形式-擠壓破壞。

4)對(duì)于中等厚度(厚度為5 mm左右)的拉擠GFRP管型材兩種連接方式，膠接連接效率較高，而螺栓連接效率遠(yuǎn)低于膠接連接。綜合考慮連接效率和制作工藝等因素，建議選擇膠接連接方式。