[发明专利]一种螺栓连接FRP型材构件纤维铺层铺设方法及FRP型材构件

说明书

本发明公开了一种螺栓连接FRP型材构件纤维铺层铺设方法及FRP型材构件，其中，纤维铺层的铺设方法为：步骤一、根据型材构件截面参数以及连接效率，确定连接区域几何参数；步骤二、根据确定的连接区域几何参数，建立连接区域有限元模型，以螺栓连接孔洞的挤压破坏为目标进行优化得到纤维铺层的方向以及铺层比例，其中铺层的方向包括0°、±45°和90°；步骤三、按照步骤二确定的纤维铺层的方向以及铺层比例进行铺设。通过本发明的铺设方法，在提高FRP连接区域承载力的同时，改善了节点的破坏形态，将原来的脆性剪切破坏变为具有一定延性的孔洞挤压破坏，这使得结构破坏时的具有一定的征兆，避免发生突发性的结构破坏。

技术领域

本发明涉及一种螺栓连接FRP型材构件一体化设计方法，属于FRP型材设计方法领域。

背景技术

纤维增强复合材料(FRP)因其轻质、高强、耐腐蚀在工程结构得到了广泛的应用。除了结构加固修补中大量采用的FRP片材和筋材外，由FRP拉挤型材作为建筑材料的新建结构的应用也日益受到工程界的重视，其在桁架桥、大跨空间结构等形式中具有显著的轻量化和耐久性提升的优势。桁架结构中杆件主要承受沿杆件长度方向的拉压力，FRP型材轻质高强特点主要体现在顺纤维方向的抗拉强度高，因此利用FRP型材制成桁架结构更能充分发挥复合材料优异的单向力学性能，提高结构的安全性、降低结构的后期维护费用。但由于FRP型材的单向性能导致复合材料桁架结构往往出现连接效率和材料利用率低的问题，且据统计，在航空航天领域复合材料的破坏70％发生在连接部位。

目前复合材料节点连接的方式主要有胶结连接、螺栓连接、胶栓混合连接等。不同的连接方式各有优缺点：首先螺栓连接具有便于质量检测、可靠性较高、易拆卸、无残余应力、承载力大、抗剥离、施工方便等优点。但是FRP型材挤压屈服强度和抗剪强度较低，各向异性严重，韧性差，缺口敏感度高，受铺层及环境的影响，这些性能都是复合材料构件螺栓连接的限制因素，并且螺栓连接开口容易形成应力集中，造成脆性破坏。同时由于复合材料属于脆性材料，孔边应力集中比金属严重，多栓连接时，栓孔荷载分配更加不均。与螺栓连接相比，胶结连接没有钻孔引起的应力集中，不需连接件，质量轻，连接效率较高，由于以上优点，胶结连接在非主要承力构件上应用较普遍。但是胶结强度离散性大，质量检测较困难，抗剥离能力差，胶层受环境影响易老化，不能拆卸，对施工要求较严格。胶栓混合连接是将胶接和螺栓连接结合使用，能够起到优势互补的作用，合理设计的胶栓混合连接能够使节点的承载力、刚度、延性等各方面性能有所改善，但缺乏可靠有效的理论设计方法，并且施工工艺复杂。所以目前普遍采用的仍是以金属作为连接件的螺栓连接。

目前FRP拉挤型材存在连接效率较低(20～30％)，型材的高强度得不到有效发挥等问题，设计结构的轻量化和经济性优势得不到有效体现，其根本原因之一在于FRP型材设计与FRP节点连接设计相互独立，型材的顺纤维方向高强度与横纤维方向低连接强度不匹配，所以无法将FRP型材作为新材料在土建及交通领域中推广应用。

发明内容

本发明针对目前FRP拉挤型材表现出单向性能好，但呈现出各向异性，而节点连接区域由于受力复杂，往往是整个结构的薄弱部位以及最先发生破坏的地方。为解决上述问题，本发明提供一种螺栓连接FRP型材构件纤维铺层铺设方法及FRP型材构件。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种螺栓连接FRP型材构件纤维铺层铺设方法，其特征在于，纤维铺层的铺设方法为：

步骤一、根据型材构件截面参数以及连接效率，确定连接区域几何参数；

步骤二、根据确定的连接区域几何参数，建立连接区域有限元模型，以螺栓连接孔洞的挤压破坏为目标进行优化得到纤维铺层的方向以及铺层比例，其中铺层的方向包括90°、 0°和±45°。

所述连接区域的几何参数包括螺栓连接孔洞的直径、螺栓连接孔洞的间距及螺栓连接孔洞到连接区域边缘的距离。

步骤二包括：