多釘搭接接頭極限承載力的影響因素比較分析

關鍵詞：螺栓連接；多釘搭接接頭；極限承載力；螺栓失效機制

中圖分類號：TQ050.4；U270.4 文獻標志碼：A 文章編號：1001-5922（2024）12-0076-04

對螺栓連接部位進行力學特性研究，具備重要的工程實際應用價值。對此，部分學者也進行了很多研究，如利用深度學習神經網絡強大的非線性映射能力對復合材料螺栓連接失效載荷的影響參數進行非線性擬合，對螺栓里阿尼額的失效峰值進行預測[1]。以復合材料結構單螺栓連接為研究對象，利用有限元仿真技術模擬螺栓的擰緊過程[2]。建立單搭接螺栓連接的有限元仿真模型，對不同鋪層下單釘單剪接頭的承載過程的損傷模式和失效形式進行了分析[3]?；诖?，本試驗對多釘搭接接頭極限承載力影響因素的研究。

1試驗部分

1.1泡沫夾芯板的制備

（1）通過鋸床對復合材料層合板和PVC夾芯進行切割，在切割時要注意降溫慢速切割，避免在高速摩擦的作用下對試件灼傷；

（2）將層合板需要涂抹膠水那側用粗糙砂紙進行打磨，增大層合板與膠水的接觸面積。用丙酮將打磨好的層合板和泡沫夾芯清洗干凈并自然風干；

（3）按比例將環氧樹脂AB膠進行混合，然后通過羊毛刷在層合板和夾芯表面均勻刷上膠水，然后依次將上下面板與夾芯位置對齊，并用G字夾壓緊靜置固化，固化時間為24h；

（4）通過臺式鉆床對制備的夾芯板進行開孔，通過圓銼刀去除孔周圍的毛刺和斷裂纖維。

1.2單搭接和多搭接接頭試件的制備

搭接接頭主要由復合夾芯板和金屬連接板構成，通過M10螺栓進行連接，參數見表1。

1.3斜削雙搭接接頭試件制備

在實際工程應用中，除簡單的單搭接接頭和雙搭接接頭外，還常使用斜削雙搭接接頭的連接方式，因此還需要對該連接接頭進行分析[5-6]。斜削雙搭接接頭試件斜削長度L為120mm，金屬連接件前端厚度t2為2mm，其余材料參數與單雙搭接接頭一致。幾何形狀見圖1。

2結果與討論

2.1單搭接接頭預緊力的影響

螺栓預緊力的影響見圖2。

由圖2可知，隨螺栓預緊力的增加，接頭極限承載力表現出先增加后降低的變化趨勢。當預緊力從1kN增加至10kN時，接頭極限承載力從51.4kN提升至57.3kN。繼續增加螺栓預緊力，接頭承載力下降至54.2kN。出現這個變化的主要原因在于，在預緊力較大的情況下，孔周附近的基體率先發生失效，使得接頭強度有一定降低[9]。再加上復合材料的泡沫夾芯材料的強度較低，對預緊力的變化更加敏感，因此預緊力發生變化，接頭極限承載力也隨之發生變化[10-11]。進一步對預緊力為5、15kN的應力分布情況進行分析，結果見圖3。

由圖3可知，高預緊力夾芯板孔周附近的高應力區明顯更大。因此在實際應用過程中，夾芯板的多釘單搭接連接結構應格外注意預緊力大小的影響。

2.2雙搭接接頭預緊力的影響結果

預緊力的影響見圖4。

由圖4可知，隨預緊力的增加，雙搭接接頭極限承載力與單搭接接頭極限承載力的變化一致。當螺栓預緊力為10kN時，接頭極限承載力達到最高，為70.8kN。繼續增加螺栓預緊力，雙搭接接頭反而出現一定的降低。以上變化就說明了，適當提升預緊力對雙搭接接頭強度有積極的影響，但過大的預緊力會導致接頭出現局部失效，使螺栓連接強度有一定降低[14]。尤其對于部分材料為夾芯板結構的復合材料，預緊力的影響則更加明顯[15-16]。

2.3斜削雙搭接接頭

斜削試件預緊力對接頭極限承載力的影響見圖5。

由圖5可知，斜削雙搭接的極限承載力隨預緊力增加的變化趨勢也與前2種連接方式一致，也在預緊力為10kN的條件下達到極值65.0kN，過大的預緊力反而對接頭極限承載力產生不良影響。以上變化說明了在實際工程應用中，對于夾芯板多釘螺栓連接結構，需要謹慎施加螺栓預緊力，避免因預緊力過大引起接頭局部受損，對其承載力產生不良影響[19-20]。

2.43種連接方式對比分析

2.4.1極限承載力

極限承載力對比見圖6。

由圖6可觀察到，雙搭接接頭和斜削雙搭接接頭的極限承載力均明顯高于單搭接接頭試件。這是因為雙搭接接頭為對稱結構，可以有效避免因偏心載荷引起的螺栓傾斜及二次彎曲現象，對接頭承載力有明顯的提升作用。而斜削雙搭接接頭被削去了部分金屬連接件材料，因此極限承載力較雙搭接試件降低了約9.5%。但斜削雙搭接材料可在一定程度上節約材料，因此在實際工程應用中，需要根據需求進行選擇。

2.4.2排距的影響

排距的影響見圖7。

由圖7可知，隨排距的增加，3種連接方式極限承載力的變化趨勢基本一致。斜削雙搭接接頭試件排距從3增加至5時，極限承載力快速增加。而排距從5增加至6時，極限承載力增長速率變慢。這就說明排距對斜削雙搭接接頭承載能力的促進作用隨著排距的增加在減弱。因此在實際工程應用中，對于夾芯板多釘螺栓連接結構，需要根據結構的實際尺寸及受力情況選擇適合的螺栓排距，對承載能力和材料用料間的關系進行平衡。

2.4.3列距的影響

列距的影響見圖8。

由圖8可觀察到，隨列距的增加，3種試件極限承載力也隨之增加。2種雙搭接接頭試件極限承載力的變化趨勢基本一致，而單搭接接頭試件極限承載力上升趨勢最大。通過對失效程度進行對比可知，列距對斜削雙搭接接頭的極限承載力影響最小，對單搭接接頭的影響最大。列距對斜削雙搭接接頭承載能力的影響明顯高于排距的影響，因此在實際工程應用中，除了需要考慮螺栓孔的排距，還需要對列距進行規劃。

3結語

（1）3種連接方式的搭接接頭在靠近加載端的螺栓孔失效程度和范圍均大于其余螺栓孔，且失效模式均從靠近加載端螺栓孔開始萌發，失效區域和應變能由內向外傳遞和擴展；

（2）單搭接接頭在載荷偏心作用下產生附加彎矩，使得試件出現二次彎曲和螺栓傾斜的現象，降低了試件的承載能力。而雙搭接接頭和斜削雙搭接接頭結構對稱，對極限承載力產生積極的影響。但雙搭接接頭較單搭接接頭多了一塊連接板，使得重量有一定增加，因此在實際工程應用中，需要根據需求選擇；

（3）適當增加螺栓預緊力可以有效提升連接接頭的極限承載力，但過高預緊力會造成接頭出現局部失效的情況，因此在實際工程應用中，需要注意螺栓預緊力的施加；

（4）排距和列距均對多釘搭接接頭極限承載力存在一定的影響，隨列距和排距的增加，搭接接頭極限承載力隨之增加，但排距對斜削雙搭接接頭承載能力的促進作用隨排距的增加在減弱。通過對比發現，多釘單搭接接頭的極限承載力受列距的影響較其余2種連接方式更大。在實際工程應用中，需要結合實際尺寸及受力情況，權衡材料的利用率及承載力的關系，制定出最適合的螺栓排距和列距。