CN106523501A - 一种frp构件连接专用双杆大帽螺栓 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种FRP构件连接专用双杆大帽螺栓，包括栓帽、左螺杆、右螺杆和垫板，所述左螺杆和右螺杆的顶部并排固定在栓帽上，所述栓帽、左螺杆和右螺杆一体成型且左螺杆和右螺杆的直径相等，所述栓帽的横截面积是左螺杆的横截面积的2至10倍，在垫板上设有与左螺杆和右螺杆相配合的穿孔，所述垫板通过穿孔套设在左螺杆和右螺杆上，在左螺杆上配有左螺母，在右螺杆上配有右螺母；于采用左螺杆和右螺杆双螺杆，大大减小了在FRP构件中单个开孔的直径，从而减小了对FRP材料中纤维的切断；同时由于栓帽和垫板的面积较大，从而使得FRP构件中开孔处的应力得到了一定程度上的分散，避免了局部出现应力集中现象的发生。
Description
技术领域
本发明属于FRP构件连接技术领域，具体涉及一种FRP构件连接专用双杆大帽螺栓。
背景技术
纤维增强复合材料(Fiber Reinforced Polymer,简称FRP)是由纤维材料(碳纤维、玻璃纤维等)和基体材料(不饱和聚酯、环氧树脂与酚醛树脂等)按照一定比例混合后经过特别模具挤压、拉拔而形成的高性能型材料。FRP的抗拉强度明显高于钢筋,与高强钢丝抗拉强度差不多,一般是钢筋的2倍甚至达10倍。与此同时，FRP的比强度很高，即通常所说的轻质高强，因此采用FRP材料可有效减轻结构自重，其重量一般为钢材的20％。在耐久性和耐腐蚀性方面，FRP材料的性能同样优越。FRP以其优异的力学性能和适应现代工程结构向大跨、高耸、重载、轻质发展的需求，正在被广泛应用于桥梁工程、各类民用建筑、大跨空间结构、地下工程中，是现在各国优先发展的战略性非金属结构材料。
在航空航天领域复合材料的破坏中70％发生在连接部位，连接部位对复合材料结构的整体性有重要影响，在土木工程纤维增强复合材料的应用中也遇到了同样的问题。土木工程中所用的主要为拉挤成型复合材料，其主要采用螺栓连接的方式进行连接，但是对于FRP型材来说，由于FRP材料多为各向异性材料，沿纤维铺层方向上的强度和弹性模量较高，垂直与纤维铺层方向上的强度和弹性模量都很低，所以其抗剪能力较差，同时FRP材料中的层和复合材料之间的层间剪切强度、拉伸强度都较低，因此，当发生破坏时，破坏模式与FRP材料的几何尺寸和纤维铺层有重要的关系。若采用普通的螺栓连接由于需要直径较大的螺栓，这样不仅会切断FRP材料中的纤维，使构件的整体强度减弱，而且会造成构件之间传力不均，形成应力集中，容易造成脆性破坏。
从目前国内外的研究状况来看，针对传统螺栓连接开孔导致FRP材料中纤维间断，局部出现应力集中的问题还没有出现有效的应对方法，阻碍了FRP型结构的发展。
发明内容
本发明目的是为解决上述现有技术中存在的问题而提出了一种FRP构件连接专用双杆大帽螺栓，本发明为解决上述问题所采取的技术方案是：一种FRP构件连接专用双杆大帽螺栓，包括栓帽、左螺杆、右螺杆和垫板，所述左螺杆和右螺杆的顶部并排固定在栓帽上，所述栓帽、左螺杆和右螺杆一体成型且左螺杆和右螺杆的直径相等，所述栓帽的横截面积是左螺杆的横截面积的2至10倍，在垫板上设有与左螺杆和右螺杆相配合的穿孔，所述垫板通过穿孔套设在左螺杆和右螺杆上，在左螺杆上配有左螺母，在右螺杆上配有右螺母。
优选的，所述左螺杆和右螺杆均由光杆段和螺纹段组成，所述光杆段位于螺纹段上部。
优选的，所述左螺杆和右螺杆的螺纹旋转方向相反。
本发明所具有的有益效果为：
(1)由于采用左螺杆和右螺杆双螺杆，大大减小了在FRP构件中单个开孔的直径，从而减小了对FRP材料中纤维的切断；同时由于栓帽和垫板的面积较大，从而使得FRP构件中开孔处的应力得到了一定程度上的分散，避免了局部出现应力集中现象的发生。
(2)与普通螺栓如10.9级，M＝20级的螺栓相比，螺杆数量增多且直径变小、栓帽横截面积变大且厚度变薄，本双杆大帽螺栓的整体用材与相对应的普通螺栓的用材相同，在不增加成本的前提下，适应了FRP构件连接专用双杆大帽螺栓的制作；
(3)与传统的单杆螺栓相比，双杆大帽螺栓在安装时，在外荷载作用下不易发生松动和脱落，连接紧密，特别是左螺杆和右螺杆的螺纹旋转方向相反的情况进一步防止了脱落现象的发生。
(4)由于栓帽和垫板相对于传统的螺栓面积大，增大了与FRP构件的接触面积，提高了连接的承载力，避免了连接处发生极限破坏和FRP构件开孔两侧发生维方向的剪切破坏，使连接点受力更加合理，适用于各种受力构件。
(5)由于较大面积垫板的使用，使得两个FRP构件连接更加紧密，在重复合载作用下，不易发生松动和疲劳破坏，同时，在安装和维护过程中便于拆卸和反复利用。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为图1的俯视图；
图3为垫板的结构示意图；
图4为本发明的使用状态图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进一步描述。
如图1，图2和图3所示，本发明包括栓帽3、左螺杆2、右螺杆4和垫板5，所述左螺杆2和右螺杆4的顶部并排固定在栓帽3上，所述栓帽3、左螺杆2和右螺杆4可以为一体成型制作，左螺杆2和右螺杆4的直径相等，所述栓帽3的横截面积是左螺杆2的横截面积的2至10倍，在垫板5上设有与左螺杆2和右螺杆4相配合的穿孔7，所述垫板5通过穿孔6套设在左螺杆2和右螺杆4上，在左螺杆2上配有左螺母1，在右螺杆4上配有右螺母6。
为了保证左螺杆2和右螺杆4与FRP构件更好地接触，所述左螺杆2和右螺杆4均由光杆段和螺纹段组成，所述光杆段位于螺纹段上部，使用时保证光滑段位于FRP构件穿孔内，这样同时也避免了当FRP构件发生剪切力时对螺纹的创伤而影响螺母1,6的安装。
在使用过程中为了防止双杆大帽螺栓松动，所述左螺杆2和右螺杆4的螺纹旋转方向相反。
如图4所示，本发明在使用时，首先在两个FRP构件9,11上制作出与左螺杆2和右螺杆4向配合的光滑孔，将左螺杆2和右螺杆4自上而下穿过两个FRP构件9,11的光滑孔，然后将垫板5套在左螺杆2和右螺杆4上紧贴FRP构件的底部，最后旋紧左螺母1和右螺母6即可。为了使得连接更加稳固，一般使用两个双杆大帽螺栓8,10并排对两个FRP构件9,11进行连接加固。
双杆大帽螺栓的截面尺寸应根据所需要具体计算确定。下面给出一具体算例，算例中普通螺栓和双杆大帽螺栓两者的用钢量基本相同。
普通螺栓采用10.9级，M＝20的高强度摩擦型螺栓配套使用的栓接结构用1型大六角螺母；双杆大帽螺栓的栓帽3两端的半圆部分半径如表1所示，下表中为便于比较，栓帽3的长方体部分选取固定长度为70mm(如可以用长×宽×厚：70mm×12mm×6mm)，栓帽3的长方体部分的长度随对比普通螺栓尺寸的变化而变化，双杆大帽螺栓的垫板5两端的半圆部分的半径与栓帽3两端的半圆部分相同，为了描述方便，所述左螺杆2和右螺杆4的尺寸相同且与对比普通螺栓螺杆的长度相等，因此统称为螺杆；普通螺栓和双杆大帽螺栓的尺寸参数对比如表1所示：
表1FRP构件连接专用双杆大帽螺栓规格(以10.9级，M＝20的高强度摩擦型螺栓为基准)
在螺栓连接构件的分析中通常采用的是细化的实体有限元模型，因此选取了如下几种单元：空间八节点SOLID45实体单元，预应力单元Prets179，目标单元Targe170和接触单元Contact174单元。SOLID45单元被用于三维的实体模型，有八个节点，每个节点有三个自由度：X、Y、Z方向的位移。这种单元能够施加温度荷载，具有塑性、延性、应力硬化、大变形、大应变的性能。双杆大帽螺栓的预拉力可使用ANSYS中的预拉力单元Prets179来施加。计算结果如下表所示：
| 类型 | 有限元结果(KN) |
| 普通螺栓 | 236.743 |
| 双杆大帽螺栓 | 307.251 |
从上述算例结果可见，在用钢量基本相同的情况下，本发明的双杆大帽螺栓具有高的强度和承载力；与传统的螺栓相比，螺杆半径较小，栓帽较大，可以大大减小FRP构件的开孔直径，从而减小对FRP材料中纤维的切断，从而使得FRP构件中开孔处的应力得到了一定程度上的分散，避免了局部出现应力集中现象的发生。本发明的结构形式是成立的，结构布置科学合理，受力性能优良，是切实可行的。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，但这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (3)
1.一种FRP构件连接专用双杆大帽螺栓，其特征在于，包括栓帽、左螺杆、右螺杆和垫板，所述左螺杆和右螺杆的顶部并排固定在栓帽上，所述栓帽、左螺杆和右螺杆一体成型且左螺杆和右螺杆的直径相等，所述栓帽的横截面积是左螺杆的横截面积的2至10倍，在垫板上设有与左螺杆和右螺杆相配合的穿孔，所述垫板通过穿孔套设在左螺杆和右螺杆上，在左螺杆上配有左螺母，在右螺杆上配有右螺母。
2.根据权利要求1所述的FRP构件连接专用双杆大帽螺栓，其特征在于，所述左螺杆和右螺杆均由光杆段和螺纹段组成，所述光杆段位于螺纹段上部。
3.根据权利要求1或2所述的FRP构件连接专用双杆大帽螺栓，其特征在于，所述左螺杆和右螺杆的螺纹旋转方向相反。
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