螺栓连接式GFRP圆管-不锈钢套筒受拉性能试验研究

0 引言

纤维增强复合材料（Fiber Reinforced Polymer，FRP）是以纤维作为增强体，以树脂作为基体，经拉挤、缠绕、模压等成型工艺胶结而成的一种新型高性能复合材料[1]。具有材质轻、高强度和耐腐蚀等优点。但 FRP存在剪切性能差和弹性模量低等缺陷。如果能有效减少FRP 材料劣势影响，FRP 材料的应用将有效解决传统钢材自重大，易腐蚀的弊端[2]。FRP 材料在工程中的应用成为国际上的一个研究热点问题，快速架设应急FRP 桥梁以应对人为和自然灾害。进入新世纪之后，FRP 材料在工程中的应用成为国际上的一个研究热点问题，在桥梁工程中的应用进入了一个大量建设的新阶段，迄今已经有超过200 座的工程实例[3]。但在FRP 材料应用之前，必要考虑 FRP 材料的连接问题，目前 FRP 型材构件的节点连接的方式主要有螺栓连接、胶结连接和胶栓混合连接等[4]，这些方法各有其优缺点。Esmaeili 等[5]研究表明，螺栓节点的极限承载力及刚度随预紧力的增加而提升。赵馨怡等[6]对接纤维增强复合材料板进行了单搭胶栓混合连接试验研究，发现胶栓混合连接能综合胶接与栓接的优点，同时根据试验结果对胶栓混合连接时螺栓尺寸、数目的设计提出了建议。在现有 FRP 材料连接设计研究中，对FRP 板材研究较多，考虑到FRP 桁架杆件常采用具有特定截面形状的管状或工字形型材，尽管FRP 型材与板材在相同受力条件下的连接机理存在相似性，但仍需进一步研究予以验证[7]。GFRP 管作为桁架杆件可与金属套筒连接，可借助金属的焊接实现桁架结构杆件之间的节点连接。

为研究GFRP 圆管与金属套筒之间的螺栓连接性能，本文通过改变螺栓孔端距、GFRP 管厚度设计出不同螺栓连接 GFRP 圆管-不锈钢套筒连接件，对其进行拉伸静力性能研究，相关研究可为设计具有优秀力学性能的 FRP材料螺栓连接件提供参考和依据，对促进FRP 材料在桁架结构及工程中的应用发挥重要作用。

1 试验设计

1.1 试件设计

为研究 GFRP 圆管与金属套筒之间的螺栓连接的受拉力学性能。制作了三组螺栓连接试件，试件主要由FRP圆管、螺栓、金属套管和端板构成，设计参数包括螺栓孔端距和GFRP 管壁厚度，试件如图1 所示。

图1 螺栓连接试件

GFRP 圆管型材由拉挤工艺生产，纤维方向主要为纵向，GFRP 圆管型材的力学性能满足M23 级要求。金属套筒材料为304 不锈钢，螺栓采用直径8mm 的A2-70 不锈钢螺栓。试件加载端设计明细见表1。

表1 试件设计明细

如表1 所示，试件N1、N2 和N3 设计变量为螺栓孔端距/孔径，分别为7、8 和9；试件N3 和N4 设计变量为GFRP 管厚；每个编号试件均制作三个以取平均值减小误差。

1.2 试验方案及测量内容

本试验采用位移控制加载模式，加载速率设定为 1mm/min 。试验终止条件为以下三种情况之一出现：（1）试件发生拉伸破坏（2）荷载衰减至峰值荷载的70%（3）螺栓连接试件在连接部位产生超过螺栓孔径50%的位移量。试验测试内容包括荷载和试件连接节点位移，通过万能试验机自动采集荷载数据，位移数据通过位移计连接TDS540 静态数据采集仪获取，具体实施时，一位移计测量万能试验机的横梁位移，另一位移计的背面通过垫块粘附在GFRP 管的自由段，指针与粘附在不锈钢套筒端部的角钢接触，测试试件加载端节点位移，如图 2 所示。

2 试验现象及结果分析

2.1 试件破坏形态

（a）N1 典型破坏形态 （b）N2 典型破坏形态

图2 试件加载装置

如图3（a）所示，试件N1-1 在荷载加载至19.74kN 时发生破坏，一孔因剪切力导致边缘断裂，另一孔因压力导致材料塑性变形，即发生一孔剪切，一孔挤压破坏；N1-2，N1-3 试验过程与 N1-1 基本相同，N1-2 在荷载加载至19.52kN 时发生一孔剪切，一孔挤压破坏；N1-3 在荷载加载至18.76kN 发生一孔剪切，一孔挤压破坏。

N2，N3 和N4 组试件加载破坏形态与N1 组试件基本一致，N2-1 在荷载加载至20.55kN 时发生一孔剪切，一孔挤压破坏；N2-2 在荷载加载至21.15kN 时发生破坏，双孔发生塑性变形，即发生双孔挤压破坏；N2-3 在荷载加载至19.55kN 时发生一孔剪切，一孔挤压破坏。N3-1 在荷载加载至22.43kN 时发生双孔挤压破坏，N3-2 在荷载加载至 19.52kN 时发生双孔挤压破坏，N3-3 在荷载加载至 21.06kN 发生双孔挤压破坏；N4-1 在荷载加载至29.34kN 时发生双孔挤压破坏，N4-2 在荷载加载至 29.84N 发生一孔剪切，一孔挤压破坏，N4-3 在荷载加载至26.80kN 时发生一孔剪切，一孔挤压破坏。

由上可见，螺栓孔端距/孔径为 7 的 N1 组所有试件均发生剪切和挤压的混合破坏，表明端距不足时，螺栓孔边缘的剪切应力集中显著。螺栓孔端距/孔径为 8 的 N2 组试件破坏模式分化，部分试件仍为混合破坏，但出现双孔挤压破坏，说明端距增大可部分抑制剪切失效。螺栓孔端距/孔径为 9 的 N3 组所有试件均为双孔挤压破坏，表明端距足够大时，剪切力被分散，破坏完全由挤压主导。端距增大时，承载力仅略有提升，说明端距主要影响破坏模式，而非提升承载力。

管壁厚度较大、螺栓孔端距/孔径为9 的N4 组与N3 组试件破坏模式基本一致，但管厚为6.35mm 的N4 组试件相比管厚为5mm 的N3 组试件承载力有较大提升，表明FRP 管厚增大主要影响承载力，而非破坏模式。

2.2 承载力和荷载-位移曲线

2.2.1 端距/孔径对螺栓连接的影

不同端距螺栓连接试件连接端的荷载-相对位移曲线如图4 所示，表2 为不同端距螺栓连接试件的试验结果。

图3 螺栓连接试件破坏形态

图4 螺栓连接试件荷载-相对位移曲线2 不同端距螺栓连接件试件试验结果对比

对比图4 三图可分析出端距/ 件安装，螺栓孔设置的比螺栓直径大，三图一开始都有接近水平的滑移段 斜率陡峭，初始刚度较高，峰值承载力约为19.75kN，连接刚度约 斜率高于N1，初始刚度略高于N1，但峰值后迅速下降， 14.52kN/mm。N3（螺栓孔端距/孔径=9）：曲线初始 生完全双孔挤压破坏，表现端距足够大时剪切失效被分散，破坏由挤 值承载力约为 20.89KN，连接刚度约为 15.21kN/mm。

可见，螺栓孔端距/孔径增大对承载力提升有限，表明端距主要优化破坏模式，端距增加有效分散了剪切应力，延性随端距增大略有改善，刚度也有提升。

2.2.2GFRP 管厚对螺栓连接的影响

不同GFRP 管厚螺栓连接试件连接端的荷载-位移曲线如图5 所示，表3 为不同GFRP 管厚螺栓连接试件的试验结果。

表3 不同GFRP 管厚螺栓连接试件试验结果对比

对比（a）， （b）两图可分析出 的曲线斜率更陡峭，表明管厚增加提高了连接件的初始刚度， 变形更小， 抵抗挤压变形的能力更强。N3 的峰值荷载显著低于N4 表明管厚增 了FRP 管的局部抗挤压能力， 使 N4 的承载力较 N3 提升约 25%～30%，局部刚度更高，进一步抑制了剪切破坏的风险。

由上可见，管厚增加显著提升了螺栓连接件的承载力和刚度。这表明在螺栓连接设计中，适当增加 FRP 管壁厚是优化力学性能的有效手段。

3 结论

通过对螺栓连接试件试验研究可得如下结论：

1）螺栓连接试件中，螺栓孔端距/孔径比是控制破坏模式的关键参数。螺栓孔端距/孔径增大可部分抑制剪切失效并优化破坏模式。

2）螺栓连接试件中，增加 GFRP 管壁厚可显著提升连接性能，承载力大大提高，且局部刚度增强减少了塑性变形，抑制了剪切破坏的风险。

综上所述，在实际FRP 材料螺栓连接件制作中，可以通过增大螺栓孔端距/孔径和GFRP 管壁厚来优化性能，但需权衡材料成本与轻量化需求。

参考文献：

[1]吴智深， 汪昕， 吴刚. FRP 增强工程结构体系 [M]. 科学出版社， 2017.

[2]肖南， 王海， 陈华鹏等. 大气腐蚀下网架结构症状可靠度及寿命预测 [J]. 浙江大学学报（工学版），2013， 47（08）： 1373-1378.

[3]Y. Wu， Y. Xiao. Steel and glubam hybrid space truss [J]. Engineering Structures， 2018， 171： 140-153.

[4]唐明杰. FRP 组合平面桁架破坏性试验研究 [D]. 湖南科技大学， 2019.

[5]F. Esmaeili， T.N. Chakherlou， M. Zehsaz. Investigation of bolt clamping force on the fatigue life of double lap simple bolted and hybrid （bolted/bonded） joints via experimental and numerical analysis [J]. Engineering Failure Analysis， 2014， 45： 406-420.

[6]赵馨怡， 黄盛楠， 冯鹏， 李曙光. 复合材料胶栓混合连接机理的试验研究 [J]. 工程力学， 2015， 32（S1）： 314-321.

[7]胡东晋.GFRP 复合套管拉压受力性能及影响参数研究.[D].西安理工大学.2016.

基金项目：2024 年省大学生创新创业训练计划项目“套筒式FRP 管材连接件应用关键技术研究”（项目编号：202411117181Y）

作者简介：倪增昊（2004—），男，淮安人，本科，研究方向为土木工程通讯作者：葛文杰（1986—），男，淮安人，教授，博士生导师，（E-mail）gewj@yzu.edu.cn