一种复合材料型材变刚度连接节点及连接方法 |
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| 申请号 | CN202410106832.5 | 申请日 | 2024-01-25 | 公开(公告)号 | CN117947686A | 公开(公告)日 | 2024-04-30 |
| 申请人 | 广州公路工程集团有限公司; 东南大学; | 发明人 | 严宗雪; 汪昕; 李达; 林敬辉; 吴智深; 彭李立; 梁梦蝶; | ||||
| 摘要 | 本 发明 公开了一种 复合材料 型材 变 刚度 连接 节点 及连接方法，复合材料型材变刚度连接节点包括 纤维 增强复合材料杆件、与纤维增强复合材料杆件的一端插接连接的金属 内衬 、分布在纤维增强复合材料杆件两侧的拼接板和 锁 定组件，纤维增强复合材料杆件和金属内衬均采用横截面为方形的中空管件，金属内衬与纤维增强复合材料杆件之间的连接为厚度渐变连接，纤维增强复合材料杆件的一端内壁设有第一连接斜面，金属内衬的外壁设有与第一连接斜面适配的第二连接斜面，第一连接斜面与第二连接斜面之间粘接设有胶层，金属内衬、纤维增强复合材料杆件以及拼接板开设有用于安装锁定组件的通孔。本发明具有连接节点强度高、破坏延性好和 螺栓 荷载分布均匀的效果。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种复合材料型材变刚度连接节点，其特征在于：包括纤维增强复合材料杆件、与纤维增强复合材料杆件的一端插接连接的金属内衬、分布在纤维增强复合材料杆件两侧的拼接板以及锁定组件，所述纤维增强复合材料杆件和所述金属内衬均采用横截面为方形的中空管件，所述金属内衬与所述纤维增强复合材料杆件之间的连接为厚度渐变连接，所述纤维增强复合材料杆件的一端内壁设有第一连接斜面，所述金属内衬的外壁设有与第一连接斜面适配的第二连接斜面，所述第一连接斜面与所述第二连接斜面之间粘接设有胶层，所述金属内衬、所述纤维增强复合材料杆件以及所述拼接板开设有用于安装锁定组件的通孔。 |
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| 说明书全文 | 一种复合材料型材变刚度连接节点及连接方法技术领域背景技术[0002] 目前，在海洋、潮湿和盐碱地等恶劣环境下，桥梁结构正在面临一个重大的问题，那就是钢材腐蚀。为了防止钢材的腐蚀问题，研究人员已经实施了很多方法，但是都有其局限性。而纤维增强复合材料(FiberReinforcedPolymer，简称FRP)具有高强、质轻、耐腐蚀和耐疲劳等优点，在土木工程领域中得到了越来越多的关注，除了结构加固修补中大量采用的FRP片材和筋材外，由FRP拉挤型材组合而成的全FRP新建结构也日益受到工程界的重视，尤其在桁架结构以及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。目前FRP型材结构节点连接方式主要有胶结连接、螺栓连接与胶栓混合连接，其中螺栓连接具有安装便捷、可拆卸、可靠性高、便于质量检测的优点，是目前常用的连接方式。 [0003] FRP节点薄弱是限制FRP型材桁架发展的关键因素，已有的桁架连接节点无法实现FRP型材节点的高效连接(连接效率仅为20％～30％)，导致FRP型材的高强度得不到有效发挥，材料利用率低，设计结构的轻量化和经济性优势得不到有效体现；并且，FRP各向异性，节点处容易由于应力集中发生局部劈裂破坏，且破坏为脆性，结构安全性能没有保障。此外，FRP螺栓节点还存在不同螺栓间荷载分布不均匀的情况，导致部分螺栓过早破坏而结构破坏。 [0004] 因此，需要一种新的具有能够防止复合材料桁架结构节点过早破坏、提升延性、抑制其荷载分布不均匀的节点连接方案以解决上述问题。 发明内容[0006] 为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案： [0007] 第一方面，本发明提供了一种复合材料型材变刚度连接节点，包括纤维增强复合材料杆件、与纤维增强复合材料杆件的一端插接连接的金属内衬、分布在纤维增强复合材料杆件两侧的拼接板以及锁定组件，所述纤维增强复合材料杆件和所述金属内衬均采用横截面为方形的中空管件，所述金属内衬与所述纤维增强复合材料杆件之间的连接为厚度渐变连接，所述纤维增强复合材料杆件的一端内壁设有第一连接斜面，所述金属内衬的外壁设有与第一连接斜面适配的第二连接斜面，所述第一连接斜面与所述第二连接斜面之间粘接设有胶层，所述金属内衬、所述纤维增强复合材料杆件以及所述拼接板开设有用于安装锁定组件的通孔。 [0008] 进一步，所述第一连接斜面和所述第二连接斜面的切割斜率≤10％。通过进行一定切割，且切割时需确保切割面平整，使得壁厚为逐渐变化。由于金属内衬的壁厚变化与纤维增强复合材料杆件的壁厚变化保持一致，这种节点具有通用性，可自由调整其长度。 [0009] 进一步，所述金属内衬的内壁尺寸小于所述纤维增强复合材料杆件的内壁尺寸。如此，使得节点部分局部加厚，提升了节点的强度。 [0010] 进一步，所述金属内衬在朝向纤维增强复合材料杆件的一端具有定位凸环，便于将金属内衬插入纤维增强复合材料杆件时具有较好的定位效果。 [0012] 进一步，所述拼接板的厚度为纤维增强复合材料杆件的壁厚的至少一半。作为示例的，拼接板的形状可以为长方形。拼接板的具体形状可根据工程实际应用情况来调整。 [0014] 进一步，所述胶层的厚度设置为1～2mm。 [0015] 进一步，通孔设有若干个，多个所述的通孔为分排等间距分布。 [0016] 优选的，通孔的开孔位置与纤维增强复合材料杆件的端部距离大于四倍的通孔孔径，通孔之间的距离大于四倍的通孔孔径。 [0017] 进一步，所述锁定组件为螺栓螺母组件。 [0018] 第二方面，本发明还提供了上述的复合材料型材变刚度连接节点的连接方法，包括以下步骤： [0019] 1)对纤维增强复合材料杆件的一端内壁进行切割形成第一连接斜面，对金属内衬的外壁进行切割形成第二连接斜面； [0020] 2)对第一连接斜面和第二连接斜面进行打磨，采用表面清洗剂擦拭粘接区域表面并涂抹粘接材料，将金属内衬与纤维增强复合材料杆件插接连接，位于第一连接斜面与第二连接斜面之间的粘接材料形成胶层； [0021] 3)在步骤2)所得的组合件两侧放置拼接板并对齐进行开孔； [0022] 4)利用锁定组件将拼接板、步骤2)的组合件以及待连接构件进行连接。 [0023] 与现有技术相比，本发明提供了一种复合材料型材变刚度连接节点及连接方法，具备以下有益效果： [0024] 1、螺栓荷载分布均匀。本发明在节点连接区域的纤维增强复合材料杆件与金属内衬都为变截面，截面刚度随着杆件的长度变化而改变，这种变刚度设计可以有效抑制与杆件端部距离最远的一排螺栓处过高的承荷比例，使得荷载分布在螺栓间更为均匀，从而提升节点性能。 [0025] 2、连接节点强度高。单纯的纤维增强复合材料由于剪切性能薄弱，所以节点强度低，且破坏脆性，本发明的节点部分为采用纤维增强复合材料与金属组合，且局部有加厚，利用了金属材料较高的剪切强度，从而大幅提升节点的强度。 [0026] 3、破坏延性好。纤维增强复合材料为线弹性材料，节点的破坏也为脆性，本发明的节点部分为采用纤维增强复合材料与金属组合，利用了金属材料较高的延性，从而提升节点的延性。 [0028] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。 [0029] 图1为本发明的立体结构示意图； [0030] 图2为本发明的半剖面图； [0031] 图3为纤维增强复合材料杆件的结构示意图； [0032] 图4为金属内衬的结构示意图； [0033] 图5为本发明的零件爆炸图。 [0034] 附图标记：1、纤维增强复合材料杆件；11、第一连接斜面；2、金属内衬；21、第一连接斜面；22、定位凸环；3、拼接板；4、锁定组件；5、胶层；6、通孔。 具体实施方式[0035] 下面将对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。 [0036] 实施例1 [0037] 参考图1～图5，本实施例提供了一种复合材料型材变刚度连接节点，包括纤维增强复合材料杆件1、与纤维增强复合材料杆件1的一端插接连接的金属内衬2、分布在纤维增强复合材料杆件1两侧的拼接板3以及用于连接固定的锁定组件4。所述纤维增强复合材料杆件1和所述金属内衬2均采用横截面为方形的中空管件，所述金属内衬2与所述纤维增强复合材料杆件1之间的连接为厚度渐变连接，所述纤维增强复合材料杆件1的一端内壁设有第一连接斜面11，所述金属内衬的外壁设有与第一连接斜面11适配的第二连接斜面21，所述第一连接斜面11与所述第二连接斜面21之间粘接设有胶层5，所述金属内衬2、所述纤维增强复合材料杆件1以及所述拼接板3开设有用于安装锁定组件4的通孔6。 [0038] 在一些具体的实施方式中，所述第一连接斜面11和所述第二连接斜面21的切割斜率≤10％。通过进行一定切割，且切割时需确保切割面平整，使得壁厚为逐渐变化，如此，纤维增强复合材料杆件的端部具有内凹的四棱台状的插接口，金属内衬则具有与之对应的四棱台状的插接头。由于金属内衬的壁厚变化与纤维增强复合材料杆件的壁厚变化保持一致，这种节点具有通用性，可自由调整其长度。 [0039] 在一些具体的实施方式中，所述金属内衬2的内壁尺寸小于所述纤维增强复合材料杆件1的内壁尺寸。如此，使得节点部分局部加厚，提升了节点的强度。 [0040] 在一些具体的实施方式中，如图4所示，所述金属内衬2在朝向纤维增强复合材料杆件1的一端具有定位凸环22，便于将金属内衬插入纤维增强复合材料杆件时具有较好的定位效果。 [0041] 在一些具体的实施方式中，所述金属内衬2和所述拼接板3的材质为较为耐腐蚀的铝合金或不锈钢。 [0042] 在一些具体的实施方式中，所述拼接板3的厚度为纤维增强复合材料杆件1的壁厚的至少一半。作为示例的，拼接板的形状可以为长方形。拼接板的具体形状可根据工程实际应用情况来调整。 [0043] 在一些具体的实施方式中，所述胶层5采用环氧胶。作为示例的，可用Olin聚氨酯改性环氧树脂DER791。 [0044] 在一些具体的实施方式中，所述胶层5的厚度设置为1～2mm。 [0045] 在一些具体的实施方式中，参考图1和图5，通孔6设有若干个，多个所述的通孔6为分排等间距分布。优选的，通孔的开孔位置与纤维增强复合材料杆件的端部距离大于四倍的通孔孔径，通孔之间的距离大于四倍的通孔孔径。 [0046] 在一些具体的实施方式中，所述锁定组件4为螺栓螺母组件。 [0047] 参考图1～图5，该复合材料型材变刚度连接节点的连接方法包括以下步骤： [0048] 1)对纤维增强复合材料杆件1的一端内壁进行切割形成第一连接斜面11，对金属内衬2的外壁进行切割形成第二连接斜面21； [0049] 2)对第一连接斜面11和第二连接斜面21进行打磨，直至可以看到纤维露出，其打磨厚度大概为0.1mm，然后采用与胶层配套的表面清洗剂(如鹰牌金型清洗剂)擦拭粘接区域表面并涂抹粘接材料，将金属内衬2与纤维增强复合材料杆件1插接连接，位于第一连接斜面11与第二连接斜面21之间的粘接材料胶结固化后形成胶层5； [0050] 3)在步骤2)所得的组合件两侧放置拼接板3并对齐进行开孔； [0051] 4)利用锁定组件4将拼接板3、步骤2)的组合件以及待连接构件进行连接。 [0053] 此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。 |
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