復合材料矩形截面預緊力齒連接試驗

徐玉康 夏慶輝 吳萬鑫

（南京工程學院建筑工程學院，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，輕量等優良性能，以及當前生產技術工藝單發展成熟，復合材料得到了廣泛的應用，在未來的各項市場、不同工程領域皆有良好的前景、優勢。但復合材料在連接方面仍然存在諸多缺陷弊端，導致其多運用于要求荷載較低的構件之中。諸如螺栓連接、膠接、膠栓混合連接的傳統連接方式已有不同學者的深入研究[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，導致了復合材料的連接性能、效率不佳，使得承載力較差，復合材料的連接問題突破口也因此成為專家學者們專注的重難點。為此，復合材料預緊力連接作為新型的科技，在21 世紀被提出[7-8]，傳統復合材料連接形式的問題被解決，充分發揮了材料的優良性能，連接效率可達80%[9-11]，該技術的充分利用顯著提高了復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，因此連接構件的極限承載力得到提升。

圖1 接頭構造

荷載q 較小時荷載僅由f 傳遞，而荷載q 較大時，復合材料齒端承受擠壓，進而荷載q 得到傳遞，復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）遠遠低于了復合材料齒層間剪切強度（一般高于50Mpa），而徑向預緊力σ 又加強了該強度，所以預緊力齒連接接頭連接效率較高，連接性能更加優秀。

前期，科研人員針對預緊力齒連接技術開展了大量的實驗研究工作，2008 年趙啟林、李飛等率先設計了一個適合于管類結構的復合新型連接工藝——預緊力齒連接工藝，能夠在復合材料圓管端部預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緊力齒連接技術進行了深入的理論研究，從而得到了預緊力齒連接結構的設計計算方法；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，得到了一種設計方案；2014-2015 年，徐龍星等[13-14]研究了預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 預緊力單齒接頭的拉伸極限承載力及其損傷模型，認為預緊力齒連接接頭損傷模型復雜程度較高。預緊力齒連接承載效率高，但適用于單板與圓形截面構件，而對于矩形截面，由于預緊力分布不均，需要做更多的研究。因此，本文對預緊力和鋼齒齒長的改變進行了系統的實驗研究，從載荷-位移曲線、應變和破壞方式分析的結果，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定性提出了重要參考依據，對復合材料的矩形截面管與預緊力齒接頭在橋梁工程上的使用也提出了重要實驗基礎與技術。

1 試驗方案

1.1 試驗材料

試驗材料包括以下幾種。

1.1.1 復合材料平板

本研究的試件復合材料平板均選用拉擠型碳纖維復合材料（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%）。材料參數見表1。

表1 碳纖維增強樹脂復合材料(CFRP)板力學參數

1.1.2 金屬板

金屬板采用鋼板Q345，厚度為10mm，寬度取45mm，材料參數見表2。

表2 Q345 鋼板力學參數

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

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

表3 預緊力齒連接試件分組

1.2.1 預緊力A 組

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

表4 B 組破壞模式試驗結果

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，以提供對齒的預應力。為便于觀察鋼齒的失效，保留了空隙。試件尺寸如下：復合材料齒長L 和齒深H1 為16mm 和2mm，接觸端鋼齒齒深H2 為2mm，鋼齒寬度和復合材料齒b 為20mm，改變鋼齒長度h 和預緊力N。試件編號為nT-gc-h-N，其中齒數為n，受拉伸狀態以T 表示，鋼齒以gc 表示，鋼齒齒長為h,預緊力為N，如1T-gc-1.0-60 表示齒數1，受拉伸，鋼齒齒長16mm，預緊力60Mpa 的試件。

1.3 試驗加載及數據采集

萬能試驗機用于試驗工作，該設備可以自動收集和存儲成數據的形式。由 ASTMD3846-94 標準，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 試驗加載及數據采集

2 試驗結果分析及討論

2.1 CFRP 復合材料預緊力齒連接接頭破壞模式

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

2.2 CFRP 復合材料預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。從這一結果可以得知，具有典型的特征存在于預緊力齒連接的荷載-位移曲線：當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 復合材料預緊力齒連接接頭極限承載力

試驗所得復合材料預緊力齒連接承載力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 為復合材料板寬，為20mm；t 為復合材料板厚，為13mm。

3 CFRP 復合材料預緊力齒連接接頭承載力影響因素

3.1 預緊力

如圖3 所示，為A 組接頭極限強度與預緊應力之間的變化規律。實驗表明：在55Mpa 內條件下，隨著預緊力的增加，節點的承載量隨著預應力的增加而升高，而在55MPa 以上的預緊力下，即使繼續增加，其承載量也保持不變。

圖3 CFRP 復合材料預緊力齒連接接頭承載力隨預緊力的變化曲線

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。研究發現，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，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，曲線斜率相對較小，故增長幅度相對較小；但當鋼齒齒長大于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生，當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 結論

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

1.破壞模式與預緊力大小無任何關聯，復合材料預緊力齒連接接頭與鋼齒齒長相關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合材料齒發生剪切破壞。

2.具有典型的特征存在于預緊力齒連接的荷載-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.復合材料預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 內條件下，隨著預緊力的增加，節點的承載量隨著預應力的增加而升高，而在55MPa 以上的預緊力下，即使繼續增加，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合材料多齒連接，所得結論和規律尚需進一步探討。