拉挤GFRP管材与钢管连接的拉伸试验研究

祝明桥，李志彬，王瑶，张紫薇

(湖南科技大学 土木工程学院，湖南 湘潭 411201)

拉挤成型的玻璃纤维增强复合管材(简称GFRP管材)是用单向玻璃纤维作为增强材料，玻璃纤维布作为包裹加强层，在牵引力作用下，纤维材料浸渍树脂后通过金属模具进行预成型并固化而成的一种新型复合管材[1]。拉挤型GFRP管材作为桁架结构中的受拉杆件，因具备轻质高强、抗腐蚀等特点，可以很好地减轻结构自重、提高结构的抗腐蚀性能[2]。但是拉挤型GFRP管材各向异性较为严重，运用在组合结构中还存在节点连接关键性问题。复合材料连接问题最早是出现在航天航空领域，据有关文献统计，在航天航空领域，复合材料的破坏有70%是发生在连接部位，连接部位对结构的整体性、耐久性、疲劳性有重要的影响[3]。

胶接连接作为复合材料连接技术的重要分支之一，已有众多学者对其连接性能开展了实验及理论研究[4]。从已有研究成果可知，胶接连接性能跟连接形式、被胶接件弹性模量、纤维铺层顺序、胶层厚度、连接的几何尺寸等因素有关[5-10]。螺栓连接具有受环境影响较小、连接简单、造价低、能传递较大载荷等优点[4]。影响螺栓连接性能的参数主要有纤维铺层比例及顺序、连接的几何参数、拧紧力矩等[11-14]。Rosner等[14]对拉挤型GFRP层合板进行了单螺栓连接拉伸试验，发现端距e与螺栓直径d之比、板宽W与螺栓直径d之比对连接承载力及破坏模式有重要影响。王花娟等[15]试验研究了玻璃纤维织物/环氧层合板单螺栓连接的最佳连接几何参数，结果表明：当e/d≥3、W/d≥4时，连接承载力趋于稳定，破坏模式基本为挤压破坏。Hart等[16]曾经对复合材料层压板的胶接连接做出过建议，推荐最外层铺层方向与载荷方向平行，以限制层间破坏。

学者们对GFRP连接虽有相关研究[17-18]，但现有复合材料的连接性能研究主要是关于纤维铺层结构层合板的互相搭接连接，而关于GFRP管材与钢管连接性能的相关研究较少。另外，GFRP管材主要由单向玻璃纤维丝构成，纤维组成结构与复合层合板有较大不同，而且GFRP管材的截面形式、被连接件种类对其连接性能的影响也不同。本文采用两种连接方式:胶接和螺栓连接，开展了GFRP管材与钢管连接的拉伸试验研究。胶接连接试验中选取胶接长度作为变量，螺栓连接中选取端距和螺栓个数为变量，分别研究了各连接方式参数的变化对连接试件承载力、破坏模式等试验结果的影响，得出最佳设计参数，可为后续桁架结构节点连接方式及参数的选择提供参考。

1 GFRP管材连接试验

1.1 试验材料及构件设计

连接构件由GFRP管材和钢管连接件组成，而钢管连接件由内外不锈钢套管与螺栓通过螺纹连接组成，GFRP管插入间隙与之相连(如图1)。在沿胶接长度方向上的两胶接端头中，以靠近螺栓加载方向为加载端，另一端作为胶接端来进行区分。试验选取的GFRP管材为拉挤成型，主要由纵向纤维构成，表层由纤维布包裹，作为增强层，直径与厚度分别为42、5 mm，抗拉强度为440 MPa，弹性模量为2.8×104MPa。内外不锈钢管的直径分别为32、50 mm，抗拉强度≥520 MPa，厚度同为4 mm，弹性模量为1.93×105MPa。胶接连接所用胶黏剂为3M公司生产的DP—460双组份环氧树脂类结构胶黏剂；在螺栓连接试验中，为保证螺栓不发生屈服，选用等级为12.9级高强螺栓，螺栓直径为6 mm。

图1 GFRP管材与钢管连接件配合连接示意图Fig.1 Schematic diagram of matching connection between GFRP pipe and steel pipe

1.2 试件设置

1.2.1 胶接连接参数设置 胶接连接以胶接长度为变化参量，研究了胶接长度与连接承载力的关系，试件参数设置见表1。拉伸载荷方向为管材轴向方向，试验应变采集仪器型号为Ut7121Y静态应变仪，百分表量程30 mm。在每个连接件外钢套管表面沿胶接长度方向上对称贴置两排应变片，研究轴向剪应力的分布特征及随荷载的变化规律。在靠近胶接端处的GFRP管和外钢套管上用胶黏剂分别固定挡片和百分表，测量连接节点在荷载作用下的拉伸变形。构件实图如图2所示。

表1 胶接连接参数设置Table 1 Parameter setting of bonded connection

图2 胶接连接构件实物图Fig.2 Sectional view of placement of fiberglass in GFRP

1.2.2 机械连接参数设置 在单螺栓连接试验中，设置了不同端距来研究e/d比值对螺栓连接承载力及破坏模式的影响，单螺栓连接GFRP管栓孔的端距设置如图3所示；在多螺栓连接实验中，为了验证参数正确性及螺栓排数对连接承载力的影响，设置了多螺栓连接的拉伸试验，试验参数端距e和排距P的确定是基于单螺栓的连接试验结果，多螺栓连接采用十字连接构型，具体参数见表2，多螺栓端距与排距设置见图4，螺栓连接构件实物图见图5所示。

图3 单排螺栓连接设置图Fig.3 Single row bolt connection setup

1.3 加载及测量指标

连接拉伸试验构件加载方向为GFRP管材的拉挤成型方向，每组试件有3个相同构件，试件采用600 kN万能实验机进行加载。胶接连接构件采用分级加载，每10 kN为一级，加载速度为1 mm/min左右，螺栓连接构件采用匀速加载，加载速度控制在1 mm/min。试验主要测量各级荷载作用下应变测点的应变、连接构件的承载力。当加载过程中出现持荷困难，荷载不再继续增加，同时，观测到连接件或连接介质发生破坏(如剪切、剥离、劈裂等破坏模式)，即停止试验。

表2 螺栓连接实验试件设置Table 2 Specimen with different end distances

图4 多螺栓连接GFRP管栓孔设置示意图Fig.4 Bolt setting of multiple bolted connection GFRP

图5 螺栓连接构件实物图Fig.5 Components of bolted

2 胶接实验结果与分析

2.1 荷载-拉伸变形关系及破坏模式

图6为不同胶接长度的荷载-拉伸变形曲线。从图中可知，在加载初期，荷载-拉伸变形曲线近似一条直线，在加载后期，曲线增长明显变缓，越接近极限荷载时，变形量增大。当胶接长度只有34 mm时，曲线斜率和极限荷载最小；增加到68 mm时，曲线斜率和极限荷载明显增大；继续增加胶接长度，曲线斜率和极限荷载变化不大；但胶接长度增加到150 mm时，极限荷载和位移虽有增大，但曲线斜率明显下降，破坏时表现出一定的延性。由此可看出，GFRP管胶接破坏并不完全是脆性破坏，破坏时具有一定的延性，并且胶接长度越长，破坏时延性越好。

图6 不同胶接长度的荷载-拉伸变形曲线Fig.6 Load-tensile deformation curve of different

胶接连接构件中，每组试件发生的破坏几乎都是GFRP管层间发生剥离(见图7)，表层纤维丝被拉出。原因可能是GFRP管与钢管连接件胶接连接节点在承受拉伸荷载时，由于荷载路径偏心，粘结界面不仅存在剪应力作用，同时也存在剥离应力。而GFRP管横向(厚度方向)强度低，它的层间拉伸强度低于胶黏剂与被胶件的粘结拉伸强度，GFRP管材容易在胶接端部高拉伸剥离应力作用下发生层间破坏。

图7 GFRP管材胶接破坏图Fig.7 Debonding failure of GFRP

2.2 胶层剪应力分布特征

根据静力平衡条件和试验所测应变测点数据可以计算沿长度方向上不同位置段的平均剪切应力τi，如式(1)，再用平滑曲线连接各剪切应力点得出沿胶接长度方向的剪切应力分布曲线。

(1)

式中：Es为不锈钢管弹性模量；As为内外钢套管的实际横截面积；d为粘结面的直径；hi为应变测点距离。

图8为编号1#、2#、5# 试件沿胶接长度方向上不同荷载作用下的剪应力分布曲线，从图8可知：胶层沿胶接长度方向截面的切应力(胶层剪应力)分布是不均匀的。在加载初期，1#试件胶层剪应力从加载端到胶接端逐渐增大；2#、5#试件中间胶层剪应力趋近于零。随着荷载不断增加，1#试件胶层剪应力持续增大，直至试件发生破坏；当2#试件达到一定荷载时，GFRP管加载端头(胶接端)处胶层的剪应力最先达到峰值，继续增加荷载时，胶层的剪应力开始出现下降，相邻(朝加载端方向)处胶层的剪应力由较低的应力水平开始迅速增加。在临近极限荷载时，胶层剪应力峰值出现在中间段，曲线呈抛物线特征；5#试件在胶接端处胶层剪应力达到峰值后，胶层剪应力出现在距胶接端长度1/3处，未完全向中间转移。GFRP管与钢管连接界面失效是一个逐步破坏的过程，由胶接端处往加载端处逐步破坏。

图8 剪切应力在不同胶接长度上的分布Fig.8 Distribution of shear stress on different bonding

根据GFRP管材胶接连接中胶层剪应力的分布特征，可知胶粘剂的高应力发生在胶接端，在加载初期荷载的传递主要靠胶接端处的胶层。只有当端头处胶层剪应力达到峰值时，荷载才开始往中间胶层传递，说明沿胶接长度方向的胶层剪应力不能同时达到峰值。虽然，在连接构件接近破坏之前，中间段胶层也传递了较大荷载，但端头处的剪应力已经下降，分担荷载能力减小。故连接区域内胶层发挥的效率是有限的，不能传递较大载荷。

2.3 胶接连接受力机理及破坏过程分析

胶接连接构件在承受拉伸荷载作用下，钢管与GFRP管分别发生拉伸变形，导致端头处胶层发生剪切变形(见图9)。胶层剪应力在加载初期沿长度方向分布特征是两端大，中间小。由于GFRP管材与钢管的刚度不等，GFRP管材比钢管更容易发生变形，节点在承受荷载时，胶接端(右端)处的GFRP管变形量比钢管的变形量大，因此，导致胶层高应力发生在胶接端，并随荷载作用增加较快。

图9 胶接连接节点处胶层变形示意图Fig.9 Diagram of adhesive layer deformation at joint

根据双搭接连接剥离应力[5]和不同胶接长度剪应力分布特点可知，胶接端部处的GFRP表层在剥离应力和剪应力作用下最先出现裂纹，如图10(a)所示。胶层传递荷载能力开始下降，胶接端相邻处(往加载方向)胶层的剪应力由低应力水平开始迅速增加。随着荷载不断上升，胶接端头处的GFRP管层间裂缝不断朝加载端方向扩展，如图10(b)所示。当荷载值达到构件极限承载力时，GFRP管层间形成贯穿裂缝，GFRP管发生层间剥离破坏，如图10(c)所示。

图10 胶接界面失效过程Fig.10 Failure process of bonding

2.4 胶接长度对承载力的影响

先由每组3个试件求得试件承载力的平均值，然后再除以胶接面积、管材净截面积、管材极限承载力分别得出试件的平均剪切应力、平均破坏应力、连接效率(见表3)。由表3可知，增加胶接长度能提高胶接连接的极限承载力、连接效率，但平均剪切应力随胶接长度增加而不断减小。

表3 胶接连接构件实验数据Table 3 Experimental data of bonded connection component

从图11(a)胶接长度与承载力关系曲线可知，随胶接长度的增加，极限荷载前期增加较为明显，后期出现明显缓坡。在胶接试件中存在一个有效胶接长度，当胶接长度小于此长度时，构件承载力会随胶接长度增加而增加，而大于此长度时，构件承载力增加较少。试验表明，当胶接长度达到管径的1.6倍(68 mm)时，再增加胶接长度，承载力增加并不明显。从图11(b)胶接长度与平均剪切应力关系曲线可知，随着胶接长度的增加，平均剪切应力不断降低。胶接长度为34 mm时，平均剪切应力值最高，但连接效率较低，只达到材料强度的36%，难以充分发挥材料的强度。从构件承载力、连接效率和经济成本及减轻节点重量等因素考虑，针对该截面尺寸的管材，可取68 mm作为GFRP管与金属连接件的有效胶接长度。

图11 胶接长度与承载力及平剪切应力的关系Fig.11 Relationship between bonding length ad capacity

3 螺栓连接实验结果与分析

3.1 端距对单螺栓连接性能的影响

单排螺栓的e/d比值与承载力关系曲线见图12,当e/d=2时，承载力最低，随着e/d比值不断增加，极限破坏荷载逐渐增加。当e/d≥7时，极限破坏荷载达到最大值，此后基本趋于稳定，不再增加。因GFRP管材的截面积是固定不变的，所以，其平均破坏应力与承载力的变化趋势相同。

图12 e/d比值与承载力的关系Fig.12 Relationship between e/d and ultimate

各试件的破坏模式如图13所示，当2≤e/d≤5时，发生的破坏是剪切破坏，与目前复合材料板e/d≥3时发生挤压破坏的几何参数不符[5,14-15]。原因可能是试验所使用的GFRP管材为拉挤成型的GFRP管，主要由纵向玻璃纤维制成，而该几何参数大多由是针对具有一定铺层结构的复合层合板研究而来。复合层合板材由不同方向角度纤维组成，在一定程度上可以限制材料的剪切破坏。当e/d≥7时，试件全部发生挤压破坏。由此可知，试件在保证发生挤压破坏时，端距与孔径的比值应该大于等于7。

3.2 螺栓排数对连接性能影响

从多螺栓连接试验结果(表4)和螺栓排数与承载力关系曲线(图14)可知，随着螺栓排数增加，但并非线性增加，GFRP管螺栓连接的破坏荷载逐渐增大，与金属材料螺栓连接相比有较大差别。从1排螺栓连接到4排螺栓连接，每增加1排螺栓，承载力分别增加了13.9、14.9、7.5 kN，相对增加连接效率分别为64%、39%、15%。当螺栓排数大于等于3后，破坏荷载增加值变小，连接效率虽有提高，但相对增加连接效率明显降低。以上规律与复合材料层合板螺栓连接规律类似。复合材料多排螺栓连接特性与金属材料有很大不同，对于金属材料连接，当达到极限荷载时，栓孔荷载分配基本一致，而复合材料螺栓连接在达到极限荷载时，栓孔间荷载分配是不均的，分配比例较为复杂，主要与被连接件的相对刚度有关[5]。GFRP管螺栓连接承载力最高的为4排螺栓连接，但连接效率只有23%，远没有达到GFRP管材的强度值。

图13 e/d比值变化对破坏形式影响Fig.13 Effect of change in e/d on failure

试件编号平均破坏荷载/kN平均破坏应力/MPa连接效率/%破坏模式SJ623.986041.27909.8挤压破坏SJ8037.92165.27914.8挤压破坏SJ952.844090.96920.6挤压破坏SJ1060.355103.89923.6挤压破坏

图14 螺栓排数与承载力关系Fig.14 Relationship between row number of bolts and

3.3 螺栓连接承载力计算

当螺栓排数较多时，由于栓孔荷载分配的不均匀性，端部螺栓荷载分配要比中间栓孔的荷载分配更高，可以根据试验结果推导出相应的折减系数βn来计算多排螺栓连接的承载力。

根据试验结果，可推导出当螺栓排数取值为n排时的折减系数βn。

式中：n为螺栓排数，Pi(i=2,3,4)为n排螺栓连接承载力；Pbr为单排螺栓发生挤压破坏时的连接承载力；Pbr=2σbrdt。

从以上多排螺栓连接的折减系数可以得出，当已知GFRP管材多螺栓连接栓孔直径的大小d，螺栓排数n(n≤4)，单螺栓连接栓孔的挤压强度为σbr，那么，多排螺栓计算公式为

Pn=2nσbntdβi

(2)

式中：σbr为栓孔的挤压强度，Pn为n排螺栓连接发生挤压破坏时的承载力；d为栓孔直径；t为GFRP管的厚度。

4 结论

通过对拉挤型GFRP管材胶接连接、螺栓连接试验研究可以得出以下结论：

1)胶接连接中胶层剪应力沿长度方向分布不均匀，随着荷载的增加，胶层剪应力峰值由胶接端朝中间段胶层转移。

2)胶接连接中，增加胶接长度可以提高极限承载力，但胶接长度与承载力并不成线性关系。前期增加胶接长度能显著提高构件承载力，但当长度达到管径的1.6倍(68 mm)后，再增加胶接长度对承载力提升并不大，由此可考虑将1.6倍管径作为拉挤型GFRP管材的有效胶接长度。

3)拉挤型GFRP管材螺栓连接在保证不发生拉伸破坏时，端距与栓径的比值在e/d≥7、排距与螺栓直径比值p/d≥8范围中可保证连接破坏为偏安全的破坏形式-挤压破坏。

4)对于中等厚度(厚度为5 mm左右)的拉挤GFRP管型材两种连接方式，胶接连接效率较高，而螺栓连接效率远低于胶接连接。综合考虑连接效率和制作工艺等因素，建议选择胶接连接方式。