复合材料拉挤与拉缠型材螺栓节点的渐进破坏与伪延性行为研究

研究背景（Introduction）

复合材料拉挤型材得益于轻质、高强、耐腐、低碳等优点，在建筑、装备、汽车、能源等领域得到了越来越多的关注与应用。螺栓连接节点是该结构中最常用且可靠的连接方式，但易发生脆性破坏，限制承载潜力且带来安全隐患。本文以拉挤与拉缠型材为对象，采用试验与数值模拟，系统研究了螺栓节点在拉伸荷载下的渐进剪切破坏全过程，揭示了其伪延性力学行为，并提出了定量评价方法，为工程设计及脆性破坏防控提供理论依据。需说明的是，本研究属第一阶段，目前仅开展了单调荷载下的性能分析，后续将进行往复荷载下的滞回与抗震性能研究。

试验研究（Experimental Program）

本研究选用5种GFRP箱形截面型材（下图），其中4种为拉缠工艺制作，1种为拉挤工艺制作，分别加工为板式试件和箱式试件。板式试件模拟GFRP与GFRP单螺栓连接，箱式试件通过钢板连接模拟GFRP与钢单螺栓连接。材料配方为无碱玻璃纤维与乙烯基酯树脂，所有型材总纤维体积含量保持一致。

本研究试验设置及代表性破坏模式如下图所示。板式拉挤试件在剪切裂纹贯通后承载力陡降；板式拉缠试件缠绕层脱粘拔出，延缓剪切破坏进程，螺栓旋转加剧局部变形，承载力渐进下降。箱式拉挤试件剪切破坏类似板式；箱式拉缠试件因钢板约束，层间位移减小，仅局部脱粘，缠绕层未充分拔出。

试验代表性荷载-变形曲线如下图所示。板式拉挤试件（P-5-1）发生剪切破坏后，曲线峰后段陡降，板式拉缠试件因渐进剪切破坏呈现较为平缓的下降段；箱式拉挤与拉缠试件峰后曲线差异较小，均较平缓。

本研究提出基于能量耗散的伪延性指数，即“峰后耗能/总耗能”（见下图）。计算结果为：拉缠板式试件伪延性指数0.41~0.58，拉挤板式试件仅0.17；箱式试件中，拉挤与拉缠试件的伪延性指数均值约0.78。该指数能有效区分不同纤维结构的试件螺栓连接剪切破坏的伪延性性能。

数值模拟（Numerical Program）

本研究基于Abaqus软件建立了精细化三维有限元模型。拉缠试件采用三层层合板建模（纵向+缠绕+纵向）。层间界面采用内聚接触描述脱粘行为，单层材料本构通过子程序嵌入三维Hashin失效准则，采用显式动力学分析处理接触与大变形问题。板式试件与箱式试件的模型信息如下图所示。

板式试件

箱式试件

有限元模型准确捕捉到了螺栓节点的渐进式破坏模式与伪延性力学行为（见下图）。与试验结果相比，模型峰值强度预测误差均在10%以内。

板式试件：拉缠试件 (P-3)

箱式试件：拉挤试件 (B-5)

主要结论 (Conclusions）

本研究提出的伪延性指数可定量表征试件螺栓节点剪切破坏的伪延性性能；
拉缠工艺可显著提高板式试件（GFRP与GFRP连接）螺栓节点剪切破坏的伪延性性能；
拉挤型材螺栓节点的伪延性受缠绕体积分数与缠绕角度共同影响，其中缠绕角度的作用更为显著；
本研究建立的有限元模型可以准确捕捉螺栓节点的渐进剪切破坏过程，模型峰值强度预测误差均在10%以内。

作者：刘天桥研究材料：FRP型材、GFRP、玻璃钢拉挤型材南京斯贝尔新材料有限公司转载

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