研究拉挤成型和拉绕成型GFRP复合材料的伪延性行为：承受拉伸作用的单剪螺栓连接

《COMPOSITE STRUCTURES》：Characterizing pseudo-ductile behavior of pultruded and pullwound GFRP composites: Single-shear bolted connections subjected to tension

　　李兴平|刘天桥|甄世龙|薛伟晨|杜秀丽|杨飞

摘要：拉挤玻璃纤维增强聚合物复合材料在土木工程中的应用日益增多，但其在连接处的脆性断裂引发了安全担忧。本研究通过实验、数值模拟和分析方法，探讨了单剪螺栓连接的伪延性行为。具体而言，研究了先进的制造技术——拉绕工艺，该工艺能够形成多方向纤维结构，并将这种拉绕处理的GFRP性能与传统拉挤GFRP进行了对比。通过实验测试分析了GFRP试件的渐进式剪切破坏特征，发现拉绕复合材料显著提升了材料的横向性能以及连接的伪延性。研究还建立了包含粘聚界面和三维Hashin破坏准则的有限元模型，并对其进行了验证。该模型能够准确预测峰值强度，与实验数据的偏差小于10%，同时还能反映材料的渐进式损伤机制。分析表明，伪延性受纤维缠绕比例和角度的影响，其中角度具有更为显著的作用。

引言：拉挤玻璃纤维增强聚合物复合材料因具有高比强度和刚度、出色的耐腐蚀性、电磁透明性以及较高的制造效率，已被广泛应用于各种苛刻环境中的结构设计中。从人行桥的优美跨度、冷却塔的坚固框架，到光伏阵列的超轻支撑结构以及风力发电机叶片的复杂结构，这些材料都展现出传统材料如钢材和混凝土所无法具备的独特性能。然而，拉挤GFRP复合材料的广泛应用却因其固有的脆性断裂问题而受到限制。与结构钢等延性材料不同，后者在失效前会经历较大的屈服和塑性变形，而拉挤GFRP复合材料通常在达到灾难性断裂之前仅表现出弹性应力-应变关系。这种毫无预警的突然脆性断裂给土木工程师带来了巨大挑战。由于缺乏明显的屈服阶段以及通过塑性变形耗散能量的能力，这类材料的结构安全性、冗余性和韧性都引发了严重担忧。长期以来，这种固有脆性一直被视为拉挤GFRP复合材料的主要缺陷，极大地限制了其在对人员安全要求极高的承重结构中的应用。

正是由于拉挤GFRP复合材料的这一固有脆性，伪延性行为的概念便成为一项重要的工程目标。伪延性虽然不同于金属的延性，但它描述的是一种材料或结构能够呈现稳定、渐进式破坏模式的响应特性。与突然的灾难性承载能力丧失不同，具有伪延性的结构会经历一系列内部损伤过程，如基体微裂纹、纤维与基体脱粘、界面分层以及局部纤维断裂等，这些过程共同导致非灾难性的载荷-位移响应。伪延性行为表现为在峰值之后仍能保持稳定的平台期，结构在此期间仍能承受相当大的载荷，有时甚至可达其峰值承载能力的50%以上，同时还会发生显著变形。在单调加载和循环加载条件下，与金属不同，复合材料的伪延性依赖于不可逆的损伤，如基体开裂、纤维与基体脱粘以及分层现象，这些会导致刚度下降并产生“挤压型”滞回效应，这与金属由于位错滑移而产生的稳定、可重复的滞回效应有所不同。对于GFRP复合材料及其结构而言，伪延性行为能够带来前所未有的结构韧性和安全冗余性，使其在发生大变形之前就能发出视觉上的预警信号，从而使其性能更符合基于性能的地震和结构设计原则。

在大多数拉挤GFRP结构中，连接部位是载荷传递和重新分配的关键所在。它们的性能在很大程度上决定了整个结构系统的整体强度、稳定性和破坏特性。对于拉挤GFRP结构而言，螺栓连接因其被工程师广泛认可、安装简便、易于检查以及长期可靠性高，而依然是最常用的连接方式。然而，这些连接部位也正是拉挤GFRP结构最易受损的地方。拉挤工艺使得绝大多数高强度纤维沿材料的纵向排列，这使得材料具有明显的各向异性。更重要的是，这种各向异性导致材料的横向和剪切性能远远低于纵向性能。例如，横向抗拉强度和面内剪切强度可能仅为纵向抗拉强度的1/24和1/19。需要指出的是，钻孔制作螺栓孔会切断连续的纤维，并在孔边造成初始损伤，这会直接影响螺栓连接的破坏路径和承载能力。螺栓连接通常会承受复杂的多轴应力，可能会出现多种破坏模式，如拔出、网状拉伸、剪切断裂以及解理断裂等，而这些破坏模式往往在失效后无法再承受任何载荷。拉挤复合材料中螺栓连接的机械抵抗能力主要来自纤维、基体以及界面，而这些部分通常只表现出弹性响应。此外，这类材料还缺乏金属所具有的塑性变形能力；一旦局部损伤（如纤维断裂、界面脱粘）超过临界值，裂纹就会迅速扩展，且无法通过应力重新分布来维持载荷。因此，螺栓连接的破坏通常被视为突发性脆性破坏。由于连接部位是GFRP结构中最容易发生脆性破坏的地方，所以螺栓连接的伪延性对于结构安全至关重要。

因此，提升GFRP结构的伪延性必须与其螺栓连接的性能相结合。Mosallam和Bank针对全尺寸拉挤GFRP门式框架所做的开创性研究在这方面起到了关键作用。他们在研究中观察到了框架的非线性行为，并将其归因于连接部位发生的渐进式伪延性损伤，而非构件本身的问题。这一发现为实现延性GFRP结构提供了有效途径，即通过设计具有延性特性的连接部件。后续的研究也进一步证实了这一方法，Feng等人证明，螺栓连接处的渐进式破坏能够使整个拉挤GFRP框架展现出伪延性行为。此外，还有研究人员通过改变纤维结构，比如引入多方向纤维，使得破坏模式从脆性剪切断裂转变为稳定的渐进式压碎破坏，即螺栓前方的材料会经历逐渐的压碎过程，这一过程可从载荷-位移曲线中的明显峰值后平台期看出来。基于Hashin破坏准则，人们还开发出了能够模拟从损伤起始到最终断裂这一复杂破坏过程的渐进式损伤模型。这些研究共同表明，通过合理设计，比如确保足够的端部距离和边缘距离，就可以使破坏模式转变为更为稳定的渐进式行为。

不过，现有研究存在两个局限性。首先，大部分研究集中在GFRP复合材料的压碎破坏上，而实际应用中较为常见的剪切断裂现象，则需要在伪延性方面进行定量研究。其次，目前关于伪延性连接的研究仅限于传统的拉挤GFRP复合材料，所采用的策略要么是在制造完成后进行修改，要么是在拉挤过程中采用替代的多方向纤维铺层。至于那些能够提供固有多方向纤维的制造技术，现有研究尚未充分探讨。

为克服拉挤工艺的固有局限，人们开发了各种先进的制造技术。例如，编织工艺就被用来创造复杂的多方向纤维结构。编织工艺涉及以可控方式将多根纱线相互交织，然后将其浸渍树脂并固化，通常采用树脂传递模塑或真空灌注工艺。这一工艺可以通过设计来提升材料的横向和剪切性能。拉绕工艺和拉编工艺则将拉挤工艺中连续、高速的拉伸机制与丝束缠绕和编织工艺的多方向纤维布置能力完美结合在一起。在拉绕工艺中，提供主要纵向强度的纵向纤维会被以预定角度施加的横向纤维所补充，从而形成具有固有双向纤维结构的复合型材。而拉编工艺则只需用编织机替换原来的缠绕机即可实现。无论是拉绕还是拉编，都能制造出具有凸角形状的型材，如圆形截面和箱形截面。在本研究中，由于设备条件限制，主要聚焦于拉绕工艺。

与传统编织工艺相比，拉绕工艺在自动化程度和质量控制方面更具优势。从力学性能角度来看，引入横向纤维可以直接提升对连接性能至关重要的横向性能以及层间/面内剪切性能。例如，Alajarmeh等人的最新研究就发现，拉绕工艺能够提升GFRP复合材料的横向模量，进而改善轴向受压柱的局部屈曲性能。此外，本研究团队也证明，拉绕工艺可以有效降低拉挤GFRP型材的各向异性，从而在材料和结构层面提升其横向和剪切强度及模量。最为重要的是，本研究团队之前针对拉挤和拉绕处理的GFRP短柱所做的研究，已经直接证明了拉绕复合材料的伪延性潜力。另一项研究也证实，拉绕结构中的损伤容限属于材料层面的现象。综合现有研究结果可以推断，这种提升的损伤容限和伪延性在螺栓连接中应该会有更为显著的表现。尽管伪延性连接的重要性已得到公认，拉绕工艺也被认为是提升材料横向和剪切性能的有效手段，但目前尚无研究将这两者结合起来探讨。因此，关于拉绕GFRP复合材料的多方向纤维结构与其螺栓连接的破坏模式及伪延性性能之间的关系，仍然存在一个重要的研究空白。

本研究旨在填补这一空白。具体而言，它着眼于两个此前未被量化的方面，即GFRP螺栓连接中的剪切断裂伪延性行为，以及具有固有多方向纤维结构的拉绕GFRP复合材料的连接性能。为实现这一目标，本研究在材料层面和结构构件层面开展了实验和数值模拟，以评估拉挤和拉绕GFRP复合材料中单剪螺栓连接的渐进式破坏行为。本研究的主要目标及创新点有三：第一，首次对拉挤和拉绕GFRP复合材料的螺栓连接行为进行了比较实验分析；第二，定量识别并表征渐进式剪切断裂模式；第三，建立并验证一个可靠的数值模拟框架。

材料与试件：本研究共分析了五种由E玻璃纤维和乙烯基酯树脂制成的不同GFRP箱形截面型材，其中包括四种拉绕处理的箱形截面型材（分别记为Box-1、Box-2、Box-3和Box-4），以及一种传统拉挤工艺制成的箱形截面型材（记为Box-5），如图2a所示。这些型材由中国中福碳纤维芯缆科技有限公司制造。需要指出的是，无论是拉挤工艺还是拉绕工艺制成的型材，都不包含任何连续纤维铺层。纤维结构：数值模拟：材料特性分析实验结果表明，层间行为和渐进式损伤在实现伪延性方面起着关键作用。为了深入理解这些机制并开发出预测工具，研究者首先在材料层面建立了有限元建模框架，并对其进行了验证。数值模拟：螺栓连接在针对基本材料性能建立了并验证了建模方法之后，该框架又被用于模拟全尺寸的螺栓连接试验。这一步是为了验证有限元模型能否准确捕捉复杂的结构相互作用、渐进式损伤以及试验中观察到的宏观伪延性响应。分析方法虽然数值模型能够提供详细的分析结果，但实际工程设计更依赖于分析公式。本节旨在评估两种常用设计标准在预测所测试连接结构的剪切断裂强度方面的适用性。根据ASCE 74 [28]，剪断强度由公式(3)给出，而根据CEN/TS 19,101 [29]，则由公式(4)给出：Rsh=1.4e1-dn2?t?FLTRsh=1.5e1-dn2?t?FLT其中e1为边缘距离（此处e1 = 18毫米）；dn为螺栓孔的公称直径。

多螺栓连接的伪塑性
迄今为止，实验和数值分析主要集中于单螺栓连接。为了评估这些研究结果对典型结构接头的适用性，研究人员利用经过验证的有限元模型来研究在多螺栓配置中是否仍存在伪塑性机制。以双搭接螺栓连接为例（见图16），构建了有限元模型，以展示五种不同类型的GFRP材料的伪塑性行为。

双搭接板的测试结果

结论
本研究探讨了拉挤成型和缠绕成型GFRP复合材料中单剪切螺栓连接的伪塑性行为。主要研究结果如下：
1）本研究首次直接对比了拉挤成型和缠绕成型GFRP螺栓连接的效果，定量证明了缠绕成型技术能显著提升材料的伪塑性性能。材料本身具有多方向纤维结构，这提升了其横向抗拉强度。

作者贡献说明
李兴平：撰写——初稿、可视化、方法论、研究、正式分析、概念设计。刘天桥：撰写——初稿、项目管理、方法论、研究、资金获取、正式分析、概念设计。甄世龙：方法论、研究。薛伟辰：撰写——审稿与编辑、方法论。杜秀丽：项目管理、方法论。杨飞：方法论、资金获取。

利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究成果。

致谢
本研究得到了陕西省重点研发计划（2024SF2-GJHX-55）、建筑材料非金属优异与创新中心（2022TDA1-1）以及重庆市自然科学基金（CSTB2023NSCQ-MSX0158）的支持。