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采用拉挤FRP材料的螺栓连接设计的普通和螺纹轴承强度
文章信息
文章历史：2017年2月16日收到，2017年9月21日修订，2017年10月2日接受，2017年10月10日在线提供。
摘要
提出了测试28批5或10个名义上相同的样品的结果，以表征螺栓连接有无螺纹时横向无限制的销轴承强度。对于测试系列，法兰材料取自254x254x9.53 mm Pultexreg; SuperStructural 1525系列形状。使用纤维增强聚合物（FRP）材料测量强度，该材料与拉挤方向成0°或90°。使用四种钢螺栓尺寸的M10，M12，M16和M20，并且当螺纹具有不同的标准齿（螺距）几何形状时。为了与普通引脚强度进行比较而移除此变量，使用三个非标准螺纹轮廓执行了12个批次的独特测试系列。使用平均值和特征强度评估具有螺栓的销轴承强度的影响，后者根据EN 1990确定。一个关键的发现是在即将到来的美国LRFD标准中计算螺纹的拟议缩减系数为0.6平原值的特征强度是可以接受的。其他研究结果对于确定销轴承强度非常重要，对于我们具有知识和理解，以便在失效模式承受时，为螺栓连接中的阻力准备通用设计程序。
copy;2017作者。由Elsevier Ltd.出版。这是CCBY许可下的开放获取文章。
关键词：拉挤玻璃钢材料，轴承强度，代码和设计指南，螺纹螺栓连接
1.介绍
拉挤成型是一种复合材料加工方法，可生产纤维增强聚合物（FRP） 材料的连续薄壁部分[1,2].标准结构形状模拟钢型材（I，H，箱形，腿 角等），用于土木工程，例如，非摇摆支撑框架结构[3].会员可通过传 统的不锈钢螺栓连接在一起[1–6].这些连接提供了易于组装和低长期维 护，并且能够立即传递主承载接头中经历的动作。采用拉挤FRP（PFRP） 的螺栓连接的安全可靠设计对于确保良好的结构性能至关重要，并且将 涉及对故障模式的基本了解[6,7].由于PFRP层压板的正交各向异性和分 层性质，这些失效模式可以显着变化[7].最终失效时的损坏和失效模式
（极限状态设计）[6]）取决于连接细节[6]，材料和紧固件规格，如几何形状，纤维增强结构，螺栓类型，间隙孔尺寸，螺栓装载，螺栓收紧等等。众所周知[7] 轴承失效（对于与轴承钢螺栓相邻的层压板中的局部压缩失效）是在失效的PFRP螺栓连接中观察到的不同失效模式之一[6,7].这种失效机理在设计上是优选的，因为它有可能产生渐进的伪延性响应[8].如果可行的话，可以避免其他明显的失效模式，包括净张力，解理和剪切，因为如果没有一定程度的有益损伤容限，它们更有可能产生灾难性的后果[8].有利的损伤容限是指FRP在没有最终失效的情况下经历明显的材料破坏。螺栓连接继续具有对材料损坏之前的强度的可接受的抵抗力。
在PFRP框架中设计和验证螺栓连接的细节是一项复杂的工作，在2009年，知识方面存在相当大的差距[9].一个关键的知识差距是美国的设计师/制造商[1,2]将允许螺栓螺纹在轴承中.该设计细节对具有PFRP结构形状的螺栓连接的承载强度的影响（如果有的话）是未知的.此外,当轴承中有光滑的螺栓杆时，销轴承值与螺纹轴承值之间的任何关系尚未建立.根据定义，销轴承强度适用于没有横向约束的情况由于螺栓紧固。虽然术语“销轴承”应限于轴承中光滑螺栓杆的情况,但在本文中也将用于螺纹情况，因为这种轴承强度的测量是在没有 横向约束的情况下进行的。以前使用双搭接接头或试样标本的研究报告了使用普通光滑钢销进行测试时原始材料的销轴承强度[10–15].这种对知识和理解的新贡献的具体主题是对测量的轴承强度进行比较[6] 没有[12,14] 螺栓螺纹存在。
2.销轴承强度
横向无约束的销轴承失效涉及分层裂缝的发生和直接在接触螺栓下 方的PFRP材料的破碎。实证研究[7,8] 已经表明，螺栓连接在轴承（销或其他）中失效的强度和响应对螺栓直径，材料厚度，纤维取向和结构，间隙孔尺寸和环境调节敏感。另外，当通过螺栓扭矩施加横向约束时，发现明显更高的轴承强度[6,10].这是由于刚度约束与泊松比效应引起的 固有厚度变形相反。正是局部“膨胀”形式的变形产生局部拉伸厚度应力场，最终引发PFRP层之间的分层断裂，这是最终的失效[16].很难充分考虑组装螺栓连接中对轴承强度的所有实际影响，特别是因为粘弹性（蠕变）松弛[14]将显着降低设计工作寿命期间的螺栓张力，如果不是更高,可能是50年。
在准备美国负载和阻力系数设计（LRFD）预标准[6] 对于具有PFRP结构形状的框架的设计,起草小组同意，（平面）销轴承强度（没有横向约束或夹紧力）是设计计算中每个螺栓的强制承载强度。轴承阻力（Rbr）[6].这种独特的失效模式的强度公式是
. (1)
式(1) 需要特定的销轴承强度,它是相对于拉挤方向测量的。当连接力平行于拉挤方向时，取向theta;为0°（纵向或纵向），当正交时，取向为90°（横向或横向）。轴承的投影面积由材料的厚度（t）乘以螺栓或销的直径（d）给出。使用式(1)需要自己的“独特的”强度属性，强度表征是通过使用例如第3节中介绍的测试方法获得的测试结果进行反算来获得的。[10–15].参考[6] 通过应用美国材料与试验协会（ASTM）标准提供如何确定的指导，0°引脚承载强度将用于公式1。(1) 对于相对于拉挤方向具有0°和5°之间取向的连接力。对于螺栓轴承力的所有其他合成方向，从gt; 5°到90°的90°销轴承。在设计计算中选择强度[6].使用式(1)，当螺纹存在时计算轴承失效模式的连接强度，LRFD标准将指定减少的特征值的因子，这是针对普通螺栓的情况。预标准中没有给出减少因子[6]， 因为轴承承载强度的条款是为了在轴承中没有螺纹设计而起草的。
3.实验方案
本文报道的结果来自针对轴承强度测定的综合测试程序，第一作者在博士论文中有详细介绍[17].使用的标本，如图1所示，标称尺寸为80平方毫米，9.53毫米厚。样品取自Pultexreg; SuperStructural 1525系列宽法兰（WF）形状的法兰突出部分，尺寸为 254X 254X9.53mm，由Creative Pultrusioxns Incx.（CP），Alum Bank，Pennsylvania[1]。PFRP具有热固性聚酯（FR1级）基体，玻璃纤维增强材料为单向（UD）粗纱的替代层和
45°/ 90°/- 45°/随机短切四层垫，是Vectorplyreg;公司的产品E-TTXM 4008。PFRP纤维结构由垫层与UD的非恒定厚度层散布，并覆盖有外表面聚酯纱（非结构）。
法兰材料的机械性能，如CP的设计手册中所列[1]在纵向（0°）方 向上：压缩模量（D695）为;抗压强度（D695）为 最大轴承强度（ D953）为 。类似地，对于横向（90°）压缩模量（D695）为;抗压强度（D695）为;最大轴承强度（D953）为。括号中的标识符表示使用的ASTM标准测试和此列表数据[1].据称是基于随机抽样和生产批次测试的“平均”值。
样品的制备需要切割材料，使用带有水冷却剂的金刚石边圆锯，以最大限度地减少加工10080mm的坯料引起的损坏。最终半切口试样的主要尺寸示意图如图1所示。孔中心位于宽度（w）的中心，距离为40 mm。端部距离恒定为80mm，并且具有足够的长度，使得端部轴承底部表面不会不利地影响由于轴承力导致失效的局部变形。钻孔过程首先使用整体硬质合金10毫米短钻头钻孔，使用整体硬质合金10毫米或16毫米四槽铣刀进行铣削。孔间隙直径为12.2（M10），13.4（M12），18.4（M16）和22.4毫米（M20）。由于轴承强度随孔径的增加而减小，因此需要最大间隙，这是由1/16英寸（1.6 mm）的标称孔间隙给出的[1,2,6,17]，加上最大制造公差[18] M10为0.6 mm，其他螺栓直径为0.8 mm。
在工具出口侧提供支撑，以最小化表面破裂和不希望的分层损坏，以及使用可溶性油来减少过度的工具磨损。使用圆内插（或轨道钻孔） 的钻孔方法，在1800rpm和100mm / min的进给速率下，这使得推力最小化，这是在复合材料层压板中产生钻孔引起的分层的已知关键因素[19].钻孔后，通过平面切割完成具有半圆形切口的样品，以获得80mm的样品高度（图1中的）。制造过程确保了可重复的几何精度并且没有分层损坏。在最终平面切割操作之前，通过内部微米的检查和孔尺寸测量证实了这一点。最大的变化是间隙孔的尺寸不足0.02毫米。使用外部微米测量每个法兰试样的厚度，精确至0.01mm，范围为9.54至10.26mm;标称厚度为9.53毫米（3/8英寸）。批量装置的厚度 在列(2)中报告（在表1-4.）
为了比较普通和螺纹销的影响，每批测试总共16批10个样品。从标准A4（3 1 4）不锈钢螺栓上切下装载销，对于标准的“现成”螺纹，（粗） 螺距为1.5（M10），1.75（M12），2.0（M16）和2.5 mm （M20）。据观察，四个标准螺距不是恒定的，这个额外的变量可能会对表征销承载力的影响。由于螺距的贡献是未知的，因此使用非标准螺距进行了12批5个试样的独特研究。ISO公制（M）螺栓的基本螺纹形式类似于（美国） 统一粗调（UNC）指定螺栓，其使用每英寸螺纹（TPI）而不是螺距。与螺栓螺纹相关的各种主要尺寸在中定义图2.参数研究中的四个螺距P为1.5,1.75,2和2.5 mm。未重新测试标准大小的音高，并且这些音高由行条目标识表3和表4用粗体字体。为了直接与测试结果进行比较表1和表2 孔间隙尺寸（即dn 是恒定的）没有变化。非标准螺纹销在内部制备。使用金属车床上的螺纹切削装置从A4（3 1 4）不锈钢棒上切下它们。使用螺距计确定轮廓的精度。标准螺栓上的螺纹轮廓通常使用轧制螺纹工艺而不是切割螺纹来形成，不同之处在于，由于钢被移位成形而不是被移除，因此轧制螺纹可能比切割螺纹方法更硬。相同的基本线程模板如图所示图2用于提供ISO度量标准配置文件。不认为标准和非标准螺纹加工的差异对第4节中给出的销轴承强度测量有任何影响。平均销钉直径测量值精确到0.01 mm记录在柱子中（1 ）在表1-4.
每个静态测试使用压缩模具进行，样品夹具如图所示图3和具有250kN称重传感器的DARTEC 9500伺服液压试验机。该测试配置用于测量销轴承强度的优点将在下面详细讨论[14]， 要么[17].先前测试系列中的一个潜在弱点[12,14] 使用压缩带有样品夹具的模具是孔的中心可能不会与销的质心轴直接对齐。图3显示了弹簧（左侧），微米（右侧）和样品架（中间）的夹具布置，[17] 能够使支架与其试样对中。此外，为了容纳螺纹销（以减少对模具组的损坏），新的V型缺口顶部固定装置（见图3）介绍了由工具 钢（量规板）制成的。测试[17] 还需要制造间隔块以适应较小的试样尺寸（与先前试样尺寸96 73 mm相比较）[14]），并重新填充样品架中的抗弯曲侧板，以保持较厚的PFRP材料。
负载完全在平面内传递到缺口试样中，以确保x可以发生纯粹的轴承损坏。在0.01mm /s 的恒定冲程速率下施加压缩，并且National Instruments数据采集设备每秒记录一次负载和冲程。失效载荷，对于方程式(1)中的。被定义为最大测试负载，并且在此讨论了该选择的理由[14].最大压缩力包括顶板和摇臂夹具的自重0.321 kN，部分见于图3顶部.
图1.销轴承试样几何形状示意图 图2.ISO公制粗螺纹基本轮廓
图3.带有样品夹具的压缩模具，用于销轴承强度测试。
图4.普通和螺纹销的典型负载冲程图：（a）平面和0°;（b）螺纹和0°;（c）平原和90°;（d）螺纹和90°。
图5.带轴承销的轴承试样观察到的失效：（a）平面;（b）有线。
表格1.普通销轴承强度测试结果。
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针直径，d（mm） |
平均厚度， |
平均最大值失败负荷， |
平均销轴承强度， |
标准差， |
变异系数， |
特征强度， |
|
吨（mm） |
Rbr,mn (kN) |
br 2 Fh (毫米) |
(SD) （N /毫米 2） |
（简历） （％） |
Fk,h （N /毫米 ） |
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(1) |
(2) |
(3) |
(4)<!-- 剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料 资料编号：[609906]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word |
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