复合材料构件机械连接接头破坏模式与机理
复合材料因其轻质高强,良好的抗疲劳、抗腐蚀性能以及材料性能可设计等优点,在各个领域的应用日渐广泛[1,2]。为了利用复合材料制造大型承 力结构,复合材料构件之间、复合材料构件与金属构件之间的连接不可避免,其中机械连接是目前比较重要的一种连接形式。根据前人的大量研究成果[3~6], 普遍认为复合材料机械连接的承载力随接头几何尺寸的增加而增大,接头的破坏模式由拉伸、剪切或劈裂逐渐转变为孔边局部挤压破坏,并且承载力最终将趋于稳 定。一般而言,单钉连接取W/D≥5(板宽/孔径)、E/D≥3(端距/孔径)、孔心距板边至少2~2.5倍孔径时,复合材料接头只会发生孔边局部挤压破 坏,并在此基础上确定了多钉连接时复合材料接头几何尺寸的设计要求,认为在满足表1的前提下,接头不会发生拉断、剪切或劈裂等破坏形式。
但是上述结论主要是针对航空航天领域中广泛使用的、对纤维铺层有具体要求的层合板结构开展研究后所得到的。此类层合板一般采用手糊或模压成型, 接头部分纤维走向和铺层比例可以根据接头受力特点单独设计,一般由0°、±45°和90°这4种纤维铺层方向组成,推荐的连接区各方向纤维铺层含量范围 为:±45°层≥40%,0°层≥30%,90°层=10%~20%[6]。
除航空航天领域之外,复合材料构件在土木工程承重结构中的使用也逐步广泛,并且多采用机械连接方式进行构件间的连接,如Swiss Alps附近的Pontresina Bridge复合材料人行桁架桥,桥梁桁架结构采用拉挤型材制作,共2跨,每跨长12.5 m,高1.48 m,其中一跨采用螺栓连接,另一跨采用双组分环氧树脂胶胶接,已安全使用多年[7];丹麦Kolding bridge复合材料桥,桥的支撑系统为拉挤型材桁架,节点采用螺栓连接,整桥可承受5吨重轮式荷载[8];美国Motherwell Bridge CompositeStructures公司曾制造复合材料拉挤型材屋顶桁架结构,构件端部补强并采用螺栓进行连接[9]。但是,土木工程中所使用的复合 材料与航空航天领域中使用的复合材料不完全一样。一般而言,土木工程中使用的复合材料其纤维走向比较单一,主要以构件长度方向为主,材料性能在纵横向差异 较大,同时构件接头部分的维走向也无法进行单独设计和制造。此类构件进行梁体接长和梁柱固接时,接头部分将受到扭矩作用,所以其构件的机械连接接头及接点 板不仅需要在材料强方向传力,而且也需要在材料弱方向传力。复合材料的力学性能主要由纤维走向决定。顺纤维方向或材料强方向受力时,即便W/D≤5,一般 也不会发生孔边拉断破坏,且随着E/D的增大,破坏荷载将趋于稳定;但是横纤维方向或材料弱方向受力时,即便W/D取值较大,连接处也可能发生拉断破坏, 对结构安全威胁较大。因此,对此类复合材料机械连接中材料弱方向受力的破坏模式及破坏荷载进行研究具有重要意义。
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