文摘

采取间隙影响螺栓连接系统的失效模式应用于纤维增强聚合物塑料(PFRP)成员。各种几何参数,如形状和构件的横截面积,通常在许多报道引用被用来验证采取间隙。本研究调查的影响采取间隙PFRP single-bolt连接的结构成员。Single-bolt连接使用不同的避难所许可测试计划(例如,紧密配合间隙为0.5毫米到3.0毫米和0.5毫米的间隔)和单轴拉伸试样。大部分的标本失败在两个连续的失效模式:轴承故障发生和shear-out失败之后。测试结果在避难所的间隙比较与先前的研究结果。

1。介绍

直到1990年代,塑料(PFRP)纤维增强聚合物复合材料的使用仅限于航空航天和军事应用1]。然而,纤维增强塑料(FRP)复合材料有许多优越的机械性能,如优良的强度重量比和stiffness-to-weight比率,也让他们高度可取作为土木工程建筑材料的应用程序(2,3]。因此,努力包括玻璃钢材料在土木工程在最近几十年显著增加。为了使用FRP材料在建筑领域,应用于结构成员必须连接。几种类型的连接是目前用于此目的,包括螺栓、保税、螺栓和键的组合,和联锁连接。对于土木工程应用程序,螺栓连接是首选和被认为是最实用的,因为他们很容易组装和拆卸,易于维护,通常是成本效益与其他类型的连接(相比4]。

总的来说,有四种可能的失效模式应用于纤维增强聚合物塑料(PFRP) single-bolted连接受到拉力(5- - - - - -12),如图1。图1(一)说明了净拉伸失败,这是由于减少横截面积的玻璃钢成员由于螺栓孔。图1 (b)显示cleavage-tension失败的横截面积螺栓不耐拉伸加载和脱离接触点。数据1 (c)和1 (d)分别显示轴承和shear-out失败。

一般来说,玻璃钢材料脆性模式(不及格12),而轴承故障允许韧性行为与其他失效模式(净拉伸失败,cleavage-tension失败,和shear-out失败)。轴承故障是最可能发生当玻璃钢材料用于结构成员。各种参数需要考虑,以确保安全的设计对螺栓连接,以引起轴承故障。研究人员和制造商研究了螺栓连接的复合材料提出了一个几何推荐指数基于实验和经验(16- - - - - -24]。螺栓的几何系数width-to-diameter比6(即, )和end-to-diameter比3(即 )提出了诱导轴承故障根据ASTM标准D5961 / D5961 m - 96 (21]。Rosner和Rizkalla6)报道,轴承失效模式发生主要与使用高几何系数值width-to-diameter比率和end-to-diameter比率。他们建议几何系数( 和 )应大于5.0。因此,在这项研究中使用的几何系数 和 。

螺栓直径之间的间隙()和孔直径()的参数,允许施工能力和延性失败在螺栓连接。然而,很少有实验已经进行了必要的间隙,和现有规范推荐不同的值来确定适当的采取间隙。因此,本研究旨在解决这一信息赤字和确定适当的采取间隙,以防止脆性破坏PFRP材料在single-bolted连接系统。总共有98 single-bolt连接标本与各种避难所许可在拉伸载荷作用下进行测试。此外,现有可用的代码值中发现Eurocomp设计规范(13)和意大利国家研究委员会(CNR)标准(14)和采取间隙由Mottram (15与实验结果进行了比较。

2。实验程序

2.1。PFRP结构成员的机械性能

两个形状,角度,我塑造PFRP结构成员进行调查。PFRP结构成员组合在韩国使用挤压成型过程和制造使用e玻璃纤维和聚酯树脂与纤维体积分数为0.578。在应用于结构形状,e玻璃纤维束沿纵向方向放置的成员。

图2介绍了两种类型的PFRP标本的维度。

PFRP成员的材料特性决定从拉伸测试,压缩试验和剪切试验。拉伸试样的纵向方向(即。,the member axis direction that coincided with the reinforcing fiber direction) and prepared, with slight modification, according to ASTM D3039/D3039 M-08 [26]。图3显示了棱镜拉伸试样和测试设置。15标本准备,包括5个标本的角度(样品尺寸:250.00×24.78×9.82毫米)和十标本我塑造(样品尺寸:250.00×25.44×9.62毫米)。每个试样加载失败与加载速度的3毫米/分钟按照位移控制方法。在这些拉伸测试,所有标本在标距长度脆性的方式失败。

为了确定沿横向弹性模量的标本,抗拉强度应采取试样沿横向的成员符合ASTM D3410 / D3410 M-03。然而,在这项研究中,抗压强度测试,拉伸试验,提出了尹(27采用因为在张力试样在横向方向上的成员28是不可能的因为法兰和web的宽度太小了。图4显示了压缩样本和测试设置用于这项研究。15标本准备,包括5个标本结构成员的角度(样品尺寸:80.00×19.79×9.83毫米)和十标本我塑造(样品尺寸:80.00×18.29×9.50毫米)。每个试样加载失败与加载速度的3毫米/分钟根据位移控制方法。在这些抗压测试,所有标本在标距长度脆性的方式失败。

最后,剪切测试PFRP标本也进行了根据该方法发现在ASTM D5379 / D5379 M-12 [29日]。图5显示了一个剪切试样和测试设置。三十标本准备,包括10角类型的标本(样品尺寸:76.27×12.06×9.22毫米)的结构部件在纵向方向和横向两个方向和20个标本我塑造类型(样品尺寸:76.01×12.04×12.20毫米)也在纵向和横向的方向。负载应用与1.27毫米/分钟的速度根据位移控制方法。

表1总结了三种类型的平均测试结果的测试执行的试样的力学性能。

2.2。Single-Bolted连接

连接测试标本的矩形板在这个调查包括从两种类型的PFRP构件(角和我塑造)使用台锯diamond-tipped叶片。每个板的一端,孔和钻所需的距离根据指定的模式连接。矩形板为I-shape-1 I-shape-2, I-shape-3削减从我塑造的法兰和web PFRP成员。表2提供了详细的尺寸single-bolted测试标本。共有98个螺栓连接标本(即。,angle and I-shape-3 specimens: three for each test variation, I-shape-1, and I-shape-2 specimens: four for each test variation) were prepared by drilling holes with different bolt-hole clearances. The specimens identified with a member shape, bolt diameter, and bolt-hole clearance.

不锈钢六角头螺丝(M10) [30.)、不锈钢六角螺母(M10) [31日),和不锈钢平垫(32)被用于连接测试标本的制作拍摄的角度和I-shape-1结构成员。钢六角头螺栓(M10 M12) [30.),钢六角头螺母(M10 M12) [31日),和不锈钢平垫(32)也用于制造连接的测试标本取自I-shape-2和I-shape-3标本。数据6和7描述的几何参数single-bolted连接和三种类型的螺栓(包括螺母和垫圈)用于测试,分别。

四个基本几何参数可能影响强度和single-bolt连接的失效模式进行了实验项目:成员的宽度((结束),距离),孔间隙( ),的强化纤维方向PFRP结构形状(参考图6)。Rosner和Rizkalla6)报道,厚度()标本几乎不影响实验结果的重叠拼接接头测试;因此,使用制造商指定的尺寸没有任何进一步的过程。

2.3。张力测试Single-Bolted连接

张力测试使用single-bolted连接进行了使用1000 kn万能试验机。图8礼物double-lapped接头的拉伸试验和测试设置。控制盘是用不锈钢板制成。另外,不锈钢六角头螺钉(M10)和钢六角头螺栓(M10 M12)被用来制造连接测试系统。拉伸载荷与位移的应用1毫米/分钟(0.167毫米/秒)依照ASTM D953-10 [33]。

3所示。测试结果和讨论

3.1。拉伸试验结果Single-Bolted连接

如图9,当地的破坏载荷的定义是负载的轴承故障模式更改shear-out失效模式。标本的荷载位移曲线表明局部失效负荷的负荷增加然后减少略和持续的结构性断裂载荷。

数据10和11显示载荷增量的失效模式在每个阶段。表3当地加载失败,总结了结构断裂载荷、和相应的故障模式测试连接标本进行这次调查中使用的两个结构概要文件部分。在表3,失效模式被描述为CT (cleavage-tension)、B(轴承)和S (shear-out)。没有净拉伸失败(NT)在这项研究。

3.2。采取间隙的影响

对于土木工程应用程序,维护一个统一的和精确的大小采取间隙对施工能力很重要。表4显示了避难所间隙Eurocomp建议的设计规范(13),意大利国家研究委员会(CNR)标准(14),和先前的研究15]。

调查的影响变化在避难所许可,加载失败被绘制在避难所许可( ),如图12- - - - - -15。

数据12- - - - - -14没有明显的结构性断裂载荷的变化趋势对采取间隙。相比之下,显著减少趋势明显结果当地的破坏载荷。因此,当地的破坏载荷之间的差异和结构断裂负载较大,如果采取间隙增加了。然而,图15表明结构断裂载荷I-shape-3对采取间隙有减少的趋势。

在先前的研究34),优惠券使用的整个截面进行了测试应用于我塑造标本。总共有18个优惠券从截面:六个优惠券上法兰,6个优惠券从降低法兰,和6个从网上优惠券。材料属性的变化测试结果表明,纵向弹性模量在9% - 23%的范围里是不同的。弹性模量的变化可能会影响试样的破坏载荷。

强化纤维方向和取样位置结构形状产生的拉挤成型过程可能会导致网络的弹性模和法兰之间的差异的PFRP结构形状。因此,结构断裂负荷略有下降。同样,当地的破坏载荷之间的差异和结构断裂负荷增加而增加避难所。

相对较大的避难所间隙是容易制造的首选结构安全的施工能力。所提出的推荐值Eurocomp设计规范(13)使用在实践中似乎太小了。此外,Eurocomp简化方法的应用设计的螺栓接合PFRP材料是有问题的,因为它依赖条曲线归一化应力分布。中国北车标准(14)提出了一个避难所1毫米的间隙。然而,由于所需的时间结构断裂载荷发生局部破坏后负载测试太短,试样不适合作为设计基础在考虑使用安全。因此,建议采取间隙1.6毫米(1/16)中发现Mottram [15)是可取的,因为这个间隙尺寸占当地故障点之间的跨度(延性破坏模式)和结构失效(断裂点),即使玻璃钢是一种脆性材料。玻璃钢复合材料连接(土木设计指南24)的影响,探讨了螺栓配合间隙(洞)。孔直径,螺栓直径=,,再加上5/8。(15.875毫米),可能在实践中接受。然而,觉得15.875毫米孔间隙太大高效诱导轴承失效模式。

4所示。结论

在本文中,我们调查的影响采取间隙在PFRP single-bolted连接结构成员。不同大小的避难所从紧密配合间隙3.0毫米和0.5毫米的间隔。实验结果的地方破坏载荷、结构断裂负载,和失效模式分析了几何参数(即。避难所许可)。发现了以下结果。(1)标本,一般来说,失败有两个连续的失效模式。轴承失效模式出现,shear-out故障模式。因此,样本的几何参数,即 和 需要保持足够无论采取间隙值。对于每一个情况下,轴承故障是主要失效模式。(2)当避难所许可的范围在0毫米到3毫米,没有明显的趋势是明显的关于结构断裂载荷。然而,当地的破坏载荷如果采取间隙的增加而减少。不同结构断裂载荷和局部破坏载荷采取间隙时更大的增加。(3)施工能力可以确保维持一个最低采取间隙。Eurocomp设计代码建议采取间隙是( )螺栓直径的(5%),但这推荐间隙可能不是在实践中有效。(4)推荐的避难所的间隙中发现Eurocomp和中国北车标准是不适合在安全方面由于小间隔从本地破坏载荷结构断裂负载。1.6毫米的避难所间隙(1/16)。先前的研究中发现(15)是合适的,并允许韧性失败。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

这项工作是支持的能源研究和开发韩国研究所的能源技术评估和规划(KETEP)授予由韩国政府贸易部,工业和能源(没有。20161120200190)。