Study of Static and Fatigue Performance of Basalt Fiber Reinforced Polymer Multi--Bolted Connections

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由于如木材、石材、混凝土以及钢材等现有材料建造的当前结构存在着许多问题:重量大、腐蚀严重、性能退化以及其他一些老龄化问题,使得对于新材料的需求显得尤为迫切。这些问题不仅影响结构的正常使用、结构的服役年限以及维护成本,而且还会带来大量的安全和事故隐患。所有的这些问题促使人们开始研究高性能的新型建筑材料,例如纤维增强(FRP)复合材料。FRP复合材料的主要特点是轻质、耐腐蚀以及高强。由于FRP材料具有耐极端荷载的性能,故在海洋环境以及化工厂中得到广泛应用,通常在这些环境里结构的最大问题是钢材的腐蚀问题并伴随着较高的维护成本。此外,FRP在加固梁、柱以及桥面板等结构构件方面也有广泛应用,其中在1980年,FRP复合材料以GFRP及CFRP板材的形式第一次应用于加固混凝土结构中。除上述应用外,FRP型材的应用也越来越受到工程界的重视。  桁架结构与由实体构件组成的结构相比,具有轻质、安装迅速简单、可为结构提供刚度以及承受重大荷载的特点,这使得桁架结构在19世纪就成为研究一个热点。桁架结构广泛应用于桥梁、屋架、塔架、车库等结构中。因为桁架结构只承受轴向荷载,所以FRP型材以其优异的单向力学性能成为桁架结构最佳的选择。因此,与钢结构相比,由全FRP型材制造的桁架结构具有较高的性能、较轻的质量以及较好的耐腐蚀性并且满足结构承载力要求。  连接节点的承载能力决定了结构的承载力,因此对FRP连接节点处的性能有全面的了解是很关键的。早在19世纪60年代中期,美国就开始对FRP连接节点性能展开了研究,特别是针对螺栓连接,因为尤其是在航空产业中,螺栓连接要求特定的或者适当的设计方法。FRP连接处的承载能力以及强度受许多变量的影响,例如材料性质、连接类型以及几何构造参数。  FRP复合材料一个最大的优点是在连接区域处可以代替钢连接件(连接板以及螺栓)。本文对114个全BFRP试验构件(即BFRP板材以及螺栓)就其双剪行为及多排螺栓连接性能进行了试验研究。试验还进一步就一些参数对构件承载能力的影响进行了研究,例如:螺栓的个数(4、6、8以及10个)、螺栓类型(不锈钢螺栓、BFRP及混杂钢-FRP螺栓)、螺栓排列,螺栓直径(6、8及12mm)、孔洞样式、连接技术(胶接、螺栓连接、胶栓混合连接以及注浆式螺栓连接),以及外部粘贴BFRP层等参数分别对BFRP连接节点处承载力的影响。结果表明:BFRP螺栓可以替代钢螺栓并且不影响构件的承载能力以及破坏模式。对于混杂螺栓虽然表现出较低的极限承载能力,但是在极限荷载作用后表现出了更多的延性。  除了静力性能外,本文又对44个不同螺栓类型(不锈钢螺栓、BFRP及混杂钢-FRP螺栓)以及不同连接技术采用BFRP螺栓(螺栓连接、胶栓混合连接以及注浆式螺栓)的BFRP构件进行了常幅疲劳荷载作用下的研究。最大疲劳荷载的范围是静力极限荷载的30~80%。结果表明混杂螺栓构件比钢螺栓以及BFRP螺栓构件具有更高的疲劳寿命。
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