一种新型复合材料连接技术—预紧力齿连接

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1、一种新型复合材料连接技术—预紧力齿连接1-构造与传力机理欧得宝翻译摘要：为解决现有复合材料连接技术连接效率较低的问题，本文提出了一种新型复合材料连接技术-预紧力齿连接。在对该连技术构造进行详细介绍的基础上通过接头单齿、多齿承载力实验以及正应力对层间剪切强度的增强实验对该连接技术的连接效率与传力机理进行了研究，研究表明：（1）齿长与齿宽以及施加预紧力的大小是单齿承载力的主要因素。（2）该连接的压缩连接效率最大达到了66.3%，拉伸连接效率最大达到了58.4%，而传统的复合材料连接技术的连接效率最高才40%。

2、（3）拉挤型单向纤维复合材料具有较高的层间抗剪能力与正应力可以显著提高复合材料层间抗剪强度是该连接技术可以传递较高荷载的主要原因。由此本文提出连接技术具有良好的力学性能，因此可广泛的应用于工程。关键词：复合材料预紧力齿连接连接效率传力机理复合材料由于轻质、高强、耐腐蚀等优点，在土木工程中得到广泛的应用，但应用主要集中在承载能力低、跨径较小的结构。这除了和复合材料结构一次性投入成本高、制备工艺与设计计算理论不完善等有关外，缺乏有效的连接技术也是限制复合材料在土木工程中推广的重要因素。目前复合材料构件的连接技

3、术从原理上可以区分为螺栓连接、胶接、胶—螺混合连接与摩擦连接等几种形式。（1）螺栓连接：螺栓连接从成孔方式上可以区分为钻孔成型与编织成型两种，所谓钻孔成型的螺栓连接是指在成型的复合材料型材上钻孔形成螺栓孔,该工艺可应用于各种截面形式的复合材料构件连接，但由于成孔过程破坏了纤维连续性，接头的承载力较低，一般只能应用于荷载等级较小的人行天桥或轻型屋面等[1][2][3][4]，如：美国E.T.Techtronics公司制作的复合材料人行桁架桥，桥长25m，通行荷载只有3t[5]。编织成型的螺栓连接是指先利用纤

4、维丝围绕螺栓杆缠绕编织成螺栓孔,在浸透树脂后固化成复合材料型材.该工艺成型的螺栓孔可以保持纤维的连续性，接头强度得到显著提高[6][7]。但编织工艺难以将接头与大型构件一次成型，因而也难以在大型工程结构中应用。（2）胶接：目前胶接从构造上可以区分为盖板连接与套筒连接等几种形式，虽然该连接方式对构件没有任何削弱，但是盖板连接的端部剪应力与剥离应力集中导致连接所能够传递荷载有限[8][9]。钢套筒内部灌胶的连接方式降低了端部剪应力与剥离应力集中程度，可以承受较高的荷载，已成功应用于预应力索、斜拉索的锚固[10

5、][11][12][13][14][15]。但只能应用于承受拉力的筋材，适用范围有限，并存在明显的老化问题。（3）胶—螺混合连接：该连接技术就是在接头上同时采用了胶接与螺栓连接两种方式，当螺栓与螺栓孔壁间存在间隙，在胶层破坏时螺栓承担荷载较小，接头承载力提高有限。当增加胶层厚度、改变制作工艺时，可以提高螺栓在混合接头中的承载比例，但是也只能使构件强度发挥到50%左右[16][17]。(4)摩擦型连接[18]。摩擦型连接主要是指使用机械夹持式锚具夹紧FRP筋，依靠锚具与FRP筋间摩擦力和咬合力实现锚固。但F

6、RP筋的横向抗剪强度较低，尤其是在应力集中处易发生由部分纤维丝断裂导致的FRP筋整体断裂，因此难以在土木工程中大规模应用。基于径向压应力可以有效提高材料抗剪强度基本原理,本文提出了一种新型复合材料连接技术—预紧力齿连接。文中详细介绍了该连接技术的构造组成与预紧力施加工艺，通过试验证明了该接头具有较高的连接效率，分析了高效传力的机理。1、预紧力齿连接的构造与施加工艺所谓的复合材料预紧力齿连接是指在复合材料型材接头位置加工环状或条状齿，并在连接复合材料型材的金属件上加工相匹配的齿，在将金属件与复合材料装配后，

7、通过一定方法给复合材料齿上施加一定的径向压力，最后通过复合材料齿根位置层间抗剪能力以及接触面上的摩擦力共同传递外荷载。图1预紧力齿连接示意图L;yi图2复合材料管接头示意图图3复合材料板接头示意图复合材料管材预紧力齿连接接头的预紧力可以通过两种方法施加：一是通过环向高强螺栓的张拉施加,其施工过程如下:首先在加工带有内齿的外部钢套时在钢套外缘加工三个耳朵（图4）；而后将钢套沿耳朵中部切成三等份，同时在耳朵上设置螺栓孔；其次将三等份的外金属套安装到复合材料管上；最后在在耳朵上安装高强螺栓，通过扭矩扳手扭紧螺母

8、，使螺栓杆中产生拉应力、金属套筒与复合材料界面上产生压应力（图5）。第二种方法是通过盈配合来施加预紧力，即先预制没有耳朵的、带有内螺旋齿的外部钢套以及外螺旋齿的复合材料管；而后通过旋转将将金属套筒安装到复合材料管上；其次，加工外径略大于复合材料内径的内金属管，过盈量根据施加预紧力的大小计算得到；最后通过压力施加装置将内金属管压入复合材料管中，这样通过内金属管挤压复合材料管形成界面上的预紧力（图6）。图6过盈配合施加预紧力示意图