摘 要：对锥颈式玻璃钢内、外法兰进行了静力纯弯试验，研究了GFRP内、外法兰的抗弯承载力、抗弯刚度及破坏模式与法兰板厚度、锥颈高度，螺栓边距之间的关系，提出了提高GFRP法兰节点抗弯承载力和刚度的构造措施。
关键词：锥颈式GFRP法兰；抗弯刚度；极限承载力；破坏模式
0 前 言
玻璃纤维树脂基复合材料(Glass-Fiber Reinforced Plastics，GFRP)俗称玻璃钢，其基体是环氧树脂，增强材料是玻璃纤维。自1940年问世以来以其优异的力学性能，在国防、航空、造船、汽车、建筑等领域有着广泛的应用。
玻璃钢具有质量轻、强度高、耐腐蚀以及力学性能、耐腐蚀性能、电绝缘性能、可设计性能、工艺性能和可维护性良好等特点，非常适于单管通信塔应用。节点连接问题是玻璃钢材料应用单管通信塔需考虑的关键问题[1]。单管通信塔节点主要承受弯矩荷载，目前尚无统一的相关规范作为参考标准，因此，有必要对其节点抗弯性能进行试验研究。
1 试验目的
玻璃钢法兰节点抗弯性能试验的目的：①测定内、外法兰的极限承载力；②记录试件在加载过程中的变形；③观察记录法兰节点的破坏模式，包括破坏的产生及破坏的发展等。
2 试验方案
2.1 试件设计
本次试验共设计5个试件，其中试件A、B为内法兰，试件C、D、E为外法兰，节点的具体构造示意图见图1。5个试件的管径及壁厚相同，区别在于法兰盘的厚度及法兰颈高度及底部的厚度，考虑到制作产生的误差，具体的节点细部尺寸根据实测值确定，试件编号及相关测定尺寸见表1。
a.内法兰b.外法兰
图1 玻璃钢法兰节点构造示意图
表1 试件编号及尺寸
注：经实测，对于手糊试件，每一铺层的平均厚度为0.5 mm。
2.2 材料及制作工艺
制作试件所采用的材料为1∶1玻纤布/E42环氧树脂，采用手糊工艺制作。
2.3 加载装置
本试验采用两点纯弯加载方式，采用2个15 t千斤顶，分别在上横梁两端施加相反的竖向力，两千斤顶使用同一油路，加载时可实现同步等量加载，从而通过上横梁形成力偶，再用葫芦吊平衡上横梁重力，使法兰节点处于纯弯工况。试验装置立面图如图2所示。
图2 试验装置立面图
2.4 加载步骤
为了探究不同螺栓预紧力、法兰厚度及法兰颈高度参数下节点的抗弯刚度和抗弯极限承载力，以及螺栓、法兰板及法兰颈的受力状态，本试验先采用应变法施加螺栓预拉力，然后分级施加弯矩荷载，直至试件破坏。各组试件的螺栓初应变施加值见表2，具体加载步骤见表3。
表2 各组试件螺栓预应变施加值
表3 试件加载步骤
图3 内法兰A应变片布置图
2.5 测量方案
1)位移测量点。为了得到试件整体的弯矩-曲率曲线，在试件顶部外法兰板上对称布置量程为100 mm的位移计。
2)应变测量点。应变测量主要分布在以下3个区域：①分别在受拉和受压区法兰板附近玻璃钢外侧管壁布置单向应变片，用于监测及记录加载过程中玻璃钢管壁拉压两侧的应变；②分别在受压和受压区法兰颈1/4、3/4、1倍高度处布置单向应变片，用于监测及记录加载过程中玻璃钢法兰颈的应变[4]；③法兰板的受力比较复杂，故在拉压两侧法兰板布置三向应变片，其中相互垂直的两个应变片方向分别与法兰板的径向纤维和周向纤维对齐，并且应变花在上下法兰盘表面对称布置；④为了研究螺栓的应力状态，在螺栓的两侧对称地布置单向应变片，为避免螺栓应变片数据线受螺栓孔壁挤压破坏，在螺帽上开孔用于引线，并在螺杆上削槽用于贴片。
所有应变观测点布置情况如图3所示。螺栓削槽示意图及应变螺栓照片见图4。
图4 螺栓切削示意图及照片[5]
3 试验现象
3.1 试验现象
本次试验的试件包括内法兰和外法兰，预加载结束后开始正式加载，由于内法兰和外法兰在强度、刚度和破坏模式上存在一定区别，故分类描述两类试件加载过程中的现象。
1)内法兰A。①荷载施加到40 kN·m的时候，法兰板发出“嘶嘶”声，伴随偶尔短促的“哧”的类似断裂声，法兰盘间张口5 mm,并向受压侧延伸；②荷载施加到60 kN·m的时候，受拉侧法兰盘间已经没有接触，张口距离达到1 cm,试件弯曲变形很明显；③荷载施加到80 kN·m的时候，开裂声音变得很密集，拉区上下法兰盘最大间距达2 cm，受拉区顶端法兰板严重弯曲，法兰板边缘接触相抵；受压区下半段管壁外侧开始分层，剥离，鼓出；④荷载施加到100 kN·m的时候，受拉区上下法兰盘间最大距离达2.5 cm左右，受拉区法兰板断裂破坏，法兰板以各拉区螺栓为中心，沿周向及径向两个方向断裂,受压区纤维层严重剥离脱落。
2)外法兰C。①荷载施加到40 kN·m的时候，法兰板发出“嘶嘶”声，伴随间歇性的“磕嘣”声；②荷载施加到50 kN·m的时候，出现“磕嘣”声的频率加快，变形稳定后“磕嘣”声停止，此时试件整体弯曲变形已经比较明显；③荷载施加到100 kN·m的时候，布置在受拉区(南面)的位移计指针已经滑出法兰盘，布置在受压区(北面)的位移计指针已经贴住法兰颈根部，变形已经非常大；④荷载施加到110 kN·m的时候，变形已非常大，受压区下半段法兰颈中部被压坏，鼓出裂缝，但法兰盘及法兰颈根部无宏观裂纹产生，法兰盘与法兰颈之间的角度变化很大，虽然受压裂纹才刚刚局部产生，但由于变形过大，继续加载已无意义。
试件E在加载早期管壁发生脆性撕裂破坏，认为该试件加工不合格，排除在分析范围之外。
3.2 变形及破坏模式
通过对试件A-E加载过程及卸载后试件的观察与记录，发现试件的变形与破坏模式主要包括：法兰板弯曲变形导致试件受拉侧张口过大；法兰板剪切破坏(如图5左所示)；受压区纤维受压分层破坏(如图5右所示)；螺孔周围基体受压破坏等。
图5 GFRP法兰节点变形及破坏模式
3.3 抗弯刚度
内法兰A、B的弯矩曲率曲线如图6所示，外法兰C、D弯矩-曲率曲线如图7所示。
图6 内法兰A、B弯矩-曲率曲线 图7 内法兰C、D弯矩-曲率曲线
3.4 极限强度
根据试件的弯矩-曲率曲线，除去不合格的试件E,得出试件A～D的极限抗弯强度如表4所示。
表4 试件极限抗弯承载力 MPa
4 结论及建议
1)本次试验所采用的GFRP内、外法兰节点的抗弯承载力能满足设计荷载，但抗弯刚度不足；
2)整个试验过程中，螺栓基本上没有塑性变形；
3)同一管径及壁厚的GFRP法兰节点，外法兰抗弯极限承载力高于内法兰；
4)GFRP法兰节点在弯矩荷载下的破坏模式有螺孔周围挤压破坏，法兰板剪切破坏，受压区材料受压分层破坏等；
5)为增大法兰节点的抗弯刚度，应尽量减小法兰板受弯，可以使螺孔越靠近法兰颈根部越好，必要时可以采用沉孔设计；加大螺栓预紧力也可以增大法兰的抗弯刚度，但预紧力增大也可能造成螺孔周围树脂基体提前受压破坏，可以采取的措施是增大法兰板位置纤维体积比，同时增大垫圈的厚度及面积，必要时可以采用整体钢板加劲。
