一种新型复合材料连接技术—预紧力齿连接

一种新型复合材料连接技术一种新型复合材料连接技术 预紧力齿连接预紧力齿连接 1 构造与传力机理构造与传力机理 欧得宝翻译 摘要 摘要 为解决现有复合材料连接技术连接效率较低的问题 本文提出了一种新型复合材料连 接技术 预紧力齿连接 在对该连技术构造进行详细介绍的基础上通过接头单齿 多齿承载力 实验以及正应力对层间剪切强度的增强实验对该连接技术的连接效率与传力机理进行了研究 研究表明 1 齿长与齿宽以及施加预紧力的大小是单齿承载力的主要因素 2 该连接的 压缩连接效率最大达到了 66 3 拉伸连接效率最大达到了 58 4 而传统的复合材料连接 技术的连接效率最高才 40 3 拉挤型单向纤维复合材料具有较高的层间抗剪能力与正应 力可以显著提高复合材料层间抗剪强度是该连接技术可以传递较高荷载的主要原因 由此本 文提出连接技术具有良好的力学性能 因此可广泛的应用于工程 关键词 关键词 复合材料 预紧力齿连接 连接效率 传力机理 复合材料由于轻质 高强 耐腐蚀等优点 在土木工程中得到广泛的应用 但应用主要 集中在承载能力低 跨径较小的结构 这除了和复合材料结构一次性投入成本高 制备工艺 与设计计算理论不完善等有关外 缺乏有效的连接技术也是限制复合材料在土木工程中推广 的重要因素 目前复合材料构件的连接技术从原理上可以区分为螺栓连接 胶接 胶 螺混合连接与 摩擦连接等几种形式 1 螺栓连接 螺栓连接从成孔方式上可以区分为钻孔成型与编织成 型两种 所谓钻孔成型的螺栓连接是指在成型的复合材料型材上钻孔形成螺栓孔 该工艺可应 用于各种截面形式的复合材料构件连接 但由于成孔过程破坏了纤维连续性 接头的承载力 较低 一般只能应用于荷载等级较小的人行天桥或轻型屋面等 1 2 3 4 如 美国 E T Techtronics 公司制作的复合材料人行桁架桥 桥长 25m 通行荷载只有 3t 5 编织成型的 螺栓连接是指先利用纤维丝围绕螺栓杆缠绕编织成螺栓孔 在浸透树脂后固化成复合材料型材 该工艺成型的螺栓孔可以保持纤维的连续性 接头强度得到显著提高 6 7 但编织工艺难以 将接头与大型构件一次成型 因而也难以在大型工程结构中应用 2 胶接 目前胶接从构 造上可以区分为盖板连接与套筒连接等几种形式 虽然该连接方式对构件没有任何削弱 但 是盖板连接的端部剪应力与剥离应力集中导致连接所能够传递荷载有限 8 9 钢套筒内部灌胶 的连接方式降低了端部剪应力与剥离应力集中程度 可以承受较高的荷载 已成功应用于预 应力索 斜拉索的锚固 10 11 12 13 14 15 但只能应用于承受拉力的筋材 适用范围有限 并 存在明显的老化问题 3 胶 螺混合连接 该连接技术就是在接头上同时采用了胶接与螺 栓连接两种方式 当螺栓与螺栓孔壁间存在间隙 在胶层破坏时螺栓承担荷载较小 接头承 载力提高有限 当增加胶层厚度 改变制作工艺时 可以提高螺栓在混合接头中的承载比例 但是也只能使构件强度发挥到 50 左右 16 17 4 摩擦型连接 18 摩擦型连接主要是指使用机 械夹持式锚具夹紧 FRP 筋 依靠锚具与 FRP 筋间摩擦力和咬合力实现锚固 但 FRP 筋的横 向抗剪强度较低 尤其是在应力集中处易发生由部分纤维丝断裂导致的 FRP 筋整体断裂 因 此难以在土木工程中大规模应用 基于径向压应力可以有效提高材料抗剪强度基本原理 本文提出了一种新型复合材料连接 技术 预紧力齿连接 文中详细介绍了该连接技术的构造组成与预紧力施加工艺 通过试验 证明了该接头具有较高的连接效率 分析了高效传力的机理 1 预紧力齿连接的构造与施加工艺 预紧力齿连接的构造与施加工艺 所谓的复合材料预紧力齿连接是指在复合材料型材接头位置加工环状或条状齿 并在连 接复合材料型材的金属件上加工相匹配的齿 在将金属件与复合材料装配后 通过一定方法 给复合材料齿上施加一定的径向压力 最后通过复合材料齿根位置层间抗剪能力以及接触面 上的摩擦力共同传递外荷载 图 1 预紧力齿连接示意图 L yi 图 2 复合材料管接头示意图 图 3 复合材料板接头示意图 复合材料管材预紧力齿连接接头的预紧力可以通过两种方法施加 一是通过环向高强螺 栓的张拉施加 其施工过程如下 首先在加工带有内齿的外部钢套时在钢套外缘加工三个耳朵 图 4 而后将钢套沿耳朵中部切成三等份 同时在耳朵上设置螺栓孔 其次将三等份的外 金属套安装到复合材料管上 最后在在耳朵上安装高强螺栓 通过扭矩扳手扭紧螺母 使螺 栓杆中产生拉应力 金属套筒与复合材料界面上产生压应力 图 5 第二种方法是通过盈配 合来施加预紧力 即先预制没有耳朵的 带有内螺旋齿的外部钢套以及外螺旋齿的复合材料 管 而后通过旋转将将金属套筒安装到复合材料管上 其次 加工外径略大于复合材料内径 的内金属管 过盈量根据施加预紧力的大小计算得到 最后通过压力施加装置将内金属管压 入复合材料管中 这样通过内金属管挤压复合材料管形成界面上的预紧力 图 6 图 6 过盈配合施加预紧力示意图 复合材料板连接一般采用高强螺栓来施加预紧力 即在复合材料齿槽内制备螺栓孔 同 时在钢板上相应的位置制备螺栓孔 在螺孔内放置高强螺栓通过对高强螺栓施加预紧力 从 而达到对复合材料齿施加正应力的目的 如图 7 所示 图 7 平板施加预紧力示意图 两种施加预紧力的方法各有优势 第一种方法在施加预紧力时可以通过扭力扳手随时调 整预紧力大小 便于使用过程中补充预应力 但需要在外部钢套上加工耳朵与安装高强螺栓 增加了试件的制作成本与接头重量 过盈配合法可以有效降低接头的重量 但是预紧力施加 到位后一般不能进行动态调整 不利于后期控制 如果复合材料管在预紧力作用下蠕变显著 预紧力损失明显 那么需要采用高强螺栓进行预紧力施加 如果预紧力在使用过程中不明显 建议采用可有效降低重量的过盈配合法施加预紧力 2 预紧力齿连接技术试验研究 预紧力齿连接技术试验研究 复合材料预紧力齿连接是一种由多道齿组成的连接方式 该连接方式是通过多道齿共同 受力传递荷载 由于复合材料是一种脆性材料故当连接处有一道齿发生破坏 则整个接头就 发生破坏 因此在对其极限承载力实验研究之前 有必要对单齿的极限承载力进行研究 2 1 单齿极限承载力试验研究单齿极限承载力试验研究 单齿的破坏形式主要受以下几个因素影响 1 齿的深度 2 齿的长度 3 预紧 力的大小 由于复合材料板齿连接制作简单 同时在实验过程中便于观测其破坏现象 因此 在本节中主要通过复合材料板双面单齿试验得到上述各因素与单齿破坏模式之间的对应关系 在试验中复合材料板的几何尺寸为 板宽 50mm 板厚 17mm 在复合材料板两端分别 加工一道螺齿 在齿槽中制备两螺栓孔 如图 8 所示 制备相应的钢板通过齿与复合材料板 连接再通过螺栓施加预紧力 如图 9 所示 详细的试验方案如下 1 固定齿深与预紧力大 小 变化齿长 在这组试验中齿深为 2mm 在复合材料板上布置两个孔径为 10mm 的螺栓孔 通过直径为 8mm 的高强螺栓施加预紧力 每个螺栓上施加预紧力为 40kN 即施加在复合材 料齿上正应力的大小为 30MPa 复合材料螺齿的长度有 9mm 12mm 18mm 23mm 25mm 和 30mm 2 固定齿长与预紧力大小 变化齿深 在 这组试验中齿长为 25mm 在复合材料板上布置两个孔径为 10mm 的螺栓孔 选用直径为 8mm 的高强螺栓施加预紧力 每个螺栓上施加预紧力为 40kN 即施加在复合材料齿上正应 力的大小为 30MPa 复合材料螺深为 0 5mm 1mm 1 5mm 2mm 和 4mm 3 固定齿长 与齿深 变化预紧力大小 在这组试验中齿长为 25mm 齿深分别为 0 5mm 与 2mm 在复合 材料板上布置两个孔径为 10mm 的螺栓孔 选用直径为 8mm 的高强螺栓 施加预紧力的大 小为 0kN 10kN 25kN 30kN 35kN 与 40kN 表 1 材料参数 图 8 复合材料板 图 9 复合材料单齿连接试件 测试在电子万能实验机上进行 如图 10 所示 该机采用计算机控制 自动采集数据并保 存为数据文件 测试精度较高 根据 ASTMD3846 94 标准的规定 加载速度为 0 5mm sec 试验主要采集了试件破坏时的荷载即极限荷载 试验结果见表 2 3 4 与 5 图 10 试件加载 表 2 变化齿深的结果 表 3 变化齿长的结果 表 4 齿深为 2mm 变化预紧力的结果 表 5 齿深为 0 5mm 变化预紧力的结果 通过大量的实验可得 单齿破坏有两种形式 一是齿深较小时 复合材料齿前端发生局部 挤压破坏 二是齿深较大时 复合材料齿沿齿根部发生水平剪切破坏 图 如果相片能够显 著说明 就直接用相片 如果相片不清晰 就配合相片绘制示意图 挤压破坏的阶段性不明 显 剪切破坏呈现显著的阶段性 加载初期很长时间内 构件表面无异常 也无异常声响 随着荷载持续增加 开始听到细微而且连续的破坏声响 在复合材料齿前端齿根位置发现细 微的水平裂缝 并快速向后发展 裂缝发展到一定长度后 一般达不到齿的全长 伴随一声 巨响 齿整体剪切破坏 接头达到极限承载力 2 1 1 几何参数对单齿承载力的影响几何参数对单齿承载力的影响 几何参数对单齿承载力的影响主要包含 齿深 齿长两个方面 图 11 为在相同预紧力和 齿长下复合材料单齿极限承载力与齿深之间的关系 由图可见 当齿深由 0 5mm 增加到 2mm 时 单齿的极限承载力随齿深的增加而增加 当齿深由 2mm 增加到 4mm 时 单齿的极 限承载力随齿深的增加而降低 这说明在复合材料板厚一定的情况下存在一个最佳齿深值 在该齿深下单齿承载力最大 因此在对复合材料预紧力齿连接设计时为保证充分发挥齿的承 载力必须寻求最佳齿深 图 12 为在相同预紧力和齿深下 复合材料单齿极限承载力与齿长之 间的关系 由图可见 齿长增加的初期 单齿极限承载力随齿长增加而增加 在齿长达到 30mm 时 单齿极限承载力达到最大 随后单齿承载力趋于稳定 由此说明 在齿长较短时 增加齿长有助于提高齿的极限承载力 但当齿长增加到一定程度后 单齿极限承载力并不会 随齿长增加而增加 即在齿长超过临界值后增加齿长将不会提高承载力 通过分析说明 单 齿几何参数对接头的承载力有较大的影响 因此选择合理的几何参数对优化该类接头有重要 的意义 图 11 单齿极限承载力与齿深的关系 图 12 单齿极限承载力与齿长的关系 2 1 2 预紧力对单齿承载力的影响预紧力对单齿承载力的影响 在复合材料齿上施加预紧力使齿受到径向约束 会在齿根水平面上形成径向压应力 径 向约束会使复合材料的承压能力提高 径向压应力会提高复合材料层间抗剪强度 最终提高 齿连接的承载能力 图 13 14 是齿深分别为 0 5mm 2mm 齿长均为 25mm 时 单齿的极 限承载力随预紧力的变化趋势图 由图可见 单齿的极限承载力都随预紧力的增加而增加 而且施加预紧力较小时承载力增加缓慢 较大时增加显著 由于破坏模式的不一样 相同预 紧力下极限承载力的增加幅度不一致 在都施加 40KN 预紧力的情况下 齿深 0 5mm 呈现 挤压破坏的接头承载力增加了 39Kn 而齿深 2mm 呈现剪切破坏的接头承载力增加了 51kN 图 13 齿深为 0 5mm 承载力随预紧力的变化 图 14 齿深为 2mm 承载力随预紧力的变化 由上面的分析可知 为提高接头极限承载力 单齿的齿深与齿长均存在一个合理值 本 研究中采用的复合材料分别为 2mm 与 30mm 预紧力的施加越大越好 当然需要考虑预紧力 施加过程中不得使复合材料先期发生破坏 2 2 复合材料预紧力齿连接效率试验复合材料预紧力齿连接效率试验 在对单齿极限承载力研究因素基础之上对复合材料管 板两种型材多齿连接进行了拉压 试验 试验中的复合材料管由含 60 S 型玻璃纤维和乙烯基树脂拉挤而成 抗拉与抗压强度 分别为 759MPa 620MPa 管直径 76mm 壁厚为 8mm 接头处复合材料上的齿宽为 12mm 受试验机量程控制 没有采用 30mm 的齿长 齿与齿之间的间距为 8mm 齿深 2mm 共设置 7 道齿 外部钢套筒壁厚为 10mm 为了与复合材料管配合 钢套上齿的宽度 为 8mm 间距 12mm 螺栓采用直径为 16mm 的高强螺栓 根据施加预紧力大小的不一样 试验分为三组 每组有两个试件 施加在复合材料与钢套界面上的正应力分别为 31 25Mpa 37 5Mpa 与 56 25MPa 采用大量程压力试验机进行抗压试验 复合材料板的组分 比例以及成型工艺与管材相同 板材宽为 50mm 厚为 17mm 由于拉力试验机的量程有限 齿的数量设置为 4 个 齿长为 25mm 齿深为 2mm 施加正应力的大小为 40Mpa 试件加载 过程如图 15 所示 图 15 复合材料试件加载 加载时试验机的速度控制在 22kN m 试验结果见表 6 7 试件的最终破坏形式见图 16 表 6 复合材料管抗压试验结果 表 7 复合材料板抗拉试验结果 图 16 复合材料试件破坏示意图 由图可见 两种构件的最终破坏都是齿根位置顺纤维方向发生了剪切破坏 也就是说接 头承载力由复合材料层间抗剪能力来提供 由表 6 与 7 可见 预紧力齿连接技术的连接效率 与预紧力大小 齿数 齿宽等有密切关系 在齿数一定的情况下增加预紧力可以显著提高接 头的连接效率 在现有的试验中 管材的预紧力齿连接抗压连接效率最大达到了 66 3 板 材的抗拉连接效率最大达到了 58 4 而对于单向纤维复合材料型材胶连接的连接效率一般 在 15 左右 螺栓连接的连接效率一般在 20 25 之间 19 即使是胶 螺协调工作的胶 螺混合 连接的连接效率一般在 40 以下 20 由此可见本文提出的连接形式比现有的复合材料连接形 式能更好地发挥复合材料强度 3 预紧力齿连接技术传力机理分析 预紧力齿连接技术传力机理分析 从上面的试验研究可以看出 复合材料的预紧力齿连接技术具有较高的连接效率 可以 满足复合材料大承力构件相互连接的需求 这与预紧力齿连接技术依靠复合材料层间抗剪传 力的机理有密切关系 首先 拉挤型单向纤维复合材料具有较高的层间抗剪能力 由于纤维走向单一 一般认 为单向纤维复合材料层间抗剪强度主要取决于树脂的性能 而事实上单向纤维复合材料的层 间抗剪强度明显高于单纯树脂的抗剪强度 表 8 对一些试验得到复合材料层间抗剪强度与单 纯树脂的抗剪强度进行了对比 表中没有没有胶体抗剪强度值 由表可见 参考文献没有 同 样是环氧树脂基体 形成复合材料后的层间抗剪强度一般是单纯树脂抗剪强度的 2 到 3 倍以 上 而且与纤维类型有显著关系 采用碳纤维复合材料层间抗剪强度由高于玻璃纤维复合材 料的层间抗剪强度 之所以这样 这是因为拉挤型复合材料在成型过程中 纤维在空间中不 完全平顺 以图 陈立处有混杂纤维杆的相片 中碳纤维与玻璃纤维混杂复合材料拉挤棒材 为例 白色部分为玻璃纤维 黑色部分为碳纤维 可以明显看到纤维与纤维之间出现相互交 织的现象 即使是单一纤维的微观图也能显著观察到纤维在空间上相互交错 图 10 因此 拉挤型单向纤维复合材料层间抗剪能力实际上是基体与纤维综合抗剪能力的体现 故明显比 单纯胶体的抗剪能力高 图 17 碳玻混杂纤维微观图 表 8 复合材料层间剪切性能 材料层间剪切强度 Mpa HY E 1034G 碳纤维 934 环氧树脂基复合材料124 138 IM 7 8552 碳纤维环氧树脂基复合材料137 IM 6 R6376 碳纤维环氧树脂基复合材料131 HT3 QY8911 碳纤维双马来酰亚胺树脂基复合材料110 5 664 3232 玻璃纤维织物环氧树脂基复合材料55 RC10 800 5232 玻璃纤维环氧树脂基复合材料80 WS FC 2012 玻璃纤维环氧树脂基复合材料102 E 玻璃纤维 913 环氧树脂基复合材料91 其次就是施加的正应力可以显著提高复合材料层间抗剪强度 关于这一点已经有多个复 合材料强度准则能够说明这一点 如 Tsai Hill 准则 Hoffman 准则 Tsai wu 张量准则等 它 们分别可以表示为 Tsai Hill 准则 1 2 12 21 2 2 2 SS Hoffman 准则 22 212 2 222212 11 1 SSS SS Tsai wu 张量准则 22 212 2 222212 11 1 SSS SS 材料的强度取值为 可得不同强度准则的包 2 30SMpa 2 160SMpa 12 32SMPa 络图 如图 11 所示 由图可得 正应力显著影响复合材料的抗剪强度 在 Hoffman 准则与 Tsai wu 张量准则中 正应力在一定范围内 压缩正应力对复合材料层间剪切强度有增强作用 而拉伸正应力会降低复合材料层间剪切强度 因此在复合材料层间施加一定的压缩正应力可 以提高复合材料的抗剪强度 图 18 强度包络图 应当指出 以上强度准则的实验验证尚不充分 为了进一步证实以上准则在拉挤型复合 材料层间抗剪强度上的适用性 本文开展了拉挤型复合材料层间压 剪强度试验 试验采用美 国现行的 ASTMD3846 94 标准中推荐的双切口剪切试验方案 试件的宽度为 22mm 厚度为 17mm 长度为 100mm 实验试件剪切面长度为 4mm 考虑到加工的可行性 切口宽度也确 定为 4mm 正应力的施加方式是通过夹持在复合材料试件两侧的钢板施加 施加的压应力分 别为 0 6 3MPa 11 3MPa 16 4MPa 21 5MPa 27 5MPa 32 3MPa 每组试件为 5 个 图 12 为试件加载图 图 13 为试件破坏图 测试在电子万能实验机上进行 根据 ASTMD3846 94 标准的规定 加载速度为 0 004mm sec 最后将不同正应力下的剪切强度描绘到同一张图 中 得到试验数据与多种