不同扩孔对FRP板高强螺栓连接力学性能的影响

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FRP材料是一种弹脆性材料,如不能合理设计FRP组合结构或框架体系,将会导致其抗震性能差并发生脆性破坏。通过螺栓来连接FRP板件,并将螺栓孔进行扩孔,利用螺栓在孔内的滑移进行摩擦耗能是一种很好的解决方法,既能使结构具有不错的延性又能明显提高其耗能能力。目前,国内外已有不少对扩孔螺栓连接的相关研究,但关于不同扩孔对FRP板高强螺栓连接力学性能影响的研究还很少。本文首先利用ABAQUS用户材料子程序UMAT赋予FRP材料三维Hashin破坏准则以及损伤演变。然后进行建模,将有限元模拟结果与试验对比,验证了子程序UMAT和建模方法的准确性。最后利用经过验证的有限元建模方法进行了以下三种模拟:FRP板在不同扩孔下的承压型高强螺栓连接;FRP板在不同扩孔下的摩擦型高强螺栓连接;FRP板在不同扩孔下高强螺栓连接的耗能能力。在承压型高强螺栓连接中,选取不同扩孔的14个单搭接单螺栓试件进行有限元模拟,结果表明:所有试件的破坏均为先出现板件局部损伤然后螺栓屈服直至剪断,扩孔并没有改变FRP板承压型高强螺栓连接的破坏形式;圆形扩孔在破坏时孔壁边缘的最大应力值要明显高于槽形扩孔;所有试件的荷载-位移曲线都分为4个阶段:克服摩擦力阶段、螺栓滑移摩擦阶段、孔壁线性承压阶段、试件破坏阶段;圆形扩孔试件在孔壁线性承压阶段的连接刚度随扩孔变大而降低;不同扩孔试件的FRP板出现局部损伤的起始载荷不同,圆形扩孔出现局部损伤的起始载荷更大且损伤起始裂纹更多。在摩擦型高强螺栓连接中,选取不同扩孔的5个双搭接双螺栓试件进行了有限元模拟,结果表明:随着扩孔的增大,试件在螺栓滑移前的连接刚度减小,到达滑移荷载所需的位移增大,但滑移荷载的大小并不变,在圆形孔扩孔中这一现象更为明显;在螺栓滑移过程中,靠近FRP板中部的螺栓孔洞应力集中更明显,另外,槽形扩孔的高应力区域要比圆形扩孔的范围广,最大应力值要比圆形扩孔大。对不同扩孔的高强螺栓连接的耗能进行有限元模拟,结果表明:相比于扩孔孔形,扩孔的大小对FRP板螺栓连接的影响更大。扩孔越大,试件在循环载荷作用下的耗能越大。
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