全 文 ：82 Industrial Construction Vol. 45，No. 11，2015 工业建筑 2015 年第 45 卷第 11 期
泡桐木芯材夹层板螺栓连接节点轴心抗拉试验研究*
董星亮 韩丽婷 刘伟庆 童 刚
(南京工业大学土木工程学院，南京 211816)
摘 要:通过对复合材料泡桐木芯材夹层板单列螺栓连接抗拉性能的试验研究，考察夹层板连接处不同
螺栓直径、螺栓个数、螺栓衬套对连接节点的破坏模式、荷载 －位移关系和抗拉承载力的影响，对连接节点处
的破坏机制进行分析。试验研究表明:螺栓个数、螺栓直径对节点极限承载力有着不同程度的影响;使用螺
栓衬套有效提高了连接节点的抗拉性能;极限承载力与挤压面积呈线性比例关系。
关键词:复合材料夹层结构;螺栓连接;抗拉性能;破坏模式
DOI:10. 13204 / j． gyjz201511016
TEST STUDY OF TENSILE PEＲFOＲMANCE OF BOLT CONNECTION
FOＲ PAULOWNIA COＲE SANDWICH PLATES
Dong Xingliang Han Liting Liu Weiqing Tong Gang
(School of Civil Engineering，Nanjing University of Technology，Nanjing 211816，China)
Abstract:Tensile performance of composite paulownia core sandwich structure was studied by tests． The influence of
diameter of bolt ，numbers of bolts and washer on the failure mode，load-deformation relation and tensile capacity of
connections was investigated，and the failure mechanism of the connections was analyzed． Ｒesults showed that the bolt
number and bolt diameter all affected the limited bearing capacity of the joints to some degree． Washer could improve
effectively the tensile behavior of the joints． Ultimate bearing capacity was approximately linear with the bearing area．
Keywords:composite sandwich structure;bolting;tensile characteristic;failure mode
* 国家自然科学基金重点项目(51238003)。
第一作者:董星亮，男，1989 年出生，硕士研究生。
通信作者:韩丽婷，han-liting@ 163． com。
收稿日期:2015 － 01 － 05
复合材料夹层结构是由两块强度、刚度大的复
合材料面板与疏松或较轻的夹芯层组成的三层板结
构。复合材料夹层结构由于轻质高强、抗弯刚度高、
耐火与耐腐蚀性好等优点被广泛地应用在飞机、桥
梁、房屋等各个领域［1 － 2］。
复合材料连接［3］主要包括机械连接、胶接连接、
缝合连接、Z-Pin连接和混合连接，目前结构连接传递
载荷应用最多的是机械连接和胶接连接，其中机械连
接适用于传递荷载较大部位和结构关键部位。螺栓
连接节点主要分为单剪、双剪连接，有无盖板连接及
其组合。单剪连接会产生节点附加弯曲造成接头的
承载能力和连接效率的降低，而双剪连接不存在偏心
加载下的附加弯曲，因此推荐使用双剪连接，而在使
用单剪连接时，尽可能将其用于排距较大的多排连接
节点，以减少偏心加载下的弯曲应力影响。
目前国外复合材料多以低成本泡沫或巴沙木为芯
材，巴沙树主要生长在美洲热带森林，资源有限，价格
较高［4］。本研究选用的泡桐木是我国最轻的木材之
一，气干密度为 230 ～400 kg /m3，比一般木材轻 40%左
右，轻韧、耐疲劳是其最大的优点;经过干燥的泡桐木，
不易吸湿，且不易发生翘曲变形;燃点高达 450 ℃，具
有较好的耐火性能，同时耐化学腐蚀性能较强。
1 试验概况
试验以螺栓直径、螺栓个数以及使用螺栓衬套
为参数，设计了 12 组夹层板螺栓连接节点，进行轴
心抗拉试验。通过试验研究夹层板螺栓连接节点的
抗拉承载力、破坏模式及破坏机理，为夹层板螺栓连
接的设计及应用提供参考依据。
1. 1 试验材料
复合材料夹层结构的面板采用乙烯基树脂 /
E －玻璃纤维，芯材采用泡桐木。为提高面板与芯
材的抗剥离能力，采用齿槽式界面，每间隔 25 mm
开槽，槽宽为 2. 2 mm，槽深为 3 mm，采用真空导入
工艺成型［5］。夹层板示意见图 1、表 1。试验测得材
料基本力学性能如表 2 所示。
泡桐木芯材夹层板螺栓连接节点轴心抗拉试验研究———董星亮，等 83
图 1 夹层板示意
Fig． 1 Sketch of sandwich plate
表 1 夹层板尺寸参数
Table 1 The parameters of sandwich plates mm
芯材厚度 c 面板厚度 t 夹层板厚度 h 试件宽度 b
50 5 60 65
表 2 各材料基本力学性能测试结果
Table 2 Test results of basic mechanical behavior
of materials
材料
弹性模量 /
MPa
剪切模量 /
MPa
剪切强度 /
MPa
拉伸强度 /
MPa 泊松比
芯材 4 319 294 3. 34 0. 23
面板 19 120 270 0. 29
紧固件 205 0. 30
螺栓采用普通螺栓 Q235(A3) ，直径选用 8，
10 mm;衬套几何参数如图 2、表 3 所示。
图 2 加强衬套示意
Fig． 2 Sketch of washer
表 3 加强衬套尺寸参数
Table 3 Washer size parameter mm
编号
衬套内径
d1
衬套外径
d2
垫圈外径
d3
端部厚度
a
长度
L
W1 8 11 16 3 60
W2 10 13 18 3 60
1. 2 试件设计
试验设计了复合材料夹层结构螺栓连接节点，该
节点构造简单，是工程中常见的一种连接形式。
螺栓连接结构由于在复合材料面板上开孔切断
了连续的纤维布，削弱了开孔截面的强度，同时复合
材料的脆性使其不具备应力重分布的特点，各螺栓
孔易应力集中，多钉连接钉载分配不均匀。在复合
材料夹层结构螺栓连接中，连接区几何尺寸是影响
节点连接性能的主要因素之一，它决定了结构的受
力薄弱位置和破坏形式［6］。因此通过寻找合理的
连接区参数设计，使其在构造上不出现低强度破坏，
尽量出现较安全的挤压破坏。
端距孔径比直接影响连接的剪切强度，边距孔径
比直接影响连接的拉伸强度。对于夹层板螺栓连接
轴拉试验，剪切或挤压强度以主要受力构件面板的剪
切或挤压破坏失效计算，拉伸强度以轻质芯材泡桐木
拉伸破坏失效计算。Icten 在对复合材料夹层结构单
钉连接拉伸试验中发现:边距与孔径比为 4，端距与
孔径比为 3 时的强度最好［7］。Jam 针对复合材料泡
沫夹芯螺栓连接的研究［8］表明:± 45°铺层有着最高
的强度，90°铺层则强度最低。螺栓连接的面板纤维
铺层中应使 ± 45°的比例大于 40%，90°的比例大于
10%，以增强结构的抗剪强度。
本试验端距 e、排距 p的选取依据文献［3］中层
合板连接区尺寸推荐值以及文献［9］试验研究参考
值。面板铺层为 8 层双向纤维布以呈 0°与 90°以及
呈 ± 45°的间隔镜像铺置，以保证不少于 40%的面
板以 ± 45°铺设。
1. 3 试件尺寸及分组
试验目的是为了研究复合材料夹层板螺栓连接
的极限承载力和破坏形式与螺栓直径、螺栓个数和
使用螺栓衬套的关系。试验分为两大类:无衬套试
验组对比不同螺栓直径和个数;使用衬套试验组对
比同尺寸无衬套试验组。
1. 3. 1 无衬套试验组
选用直径 8，10 mm两种直径的螺栓，分别对单
栓、双栓和三栓进行测试，每种试件数量为 3 个。螺
栓连接端尺寸参数如图 3、表 4 所示。
图 3 节点示意
Fig． 3 The sketch of connection
表 4 试验构件尺寸参数(无衬套)
Table 4 The size parameters of test specimens
(without washer)
编号
螺栓个
数 /个
螺栓直径
d /mm
螺栓孔径
D /mm
端距
e /mm
排距
p /mm
B1M8 1 8 9 45 —
B1M10 1 10 12 60 —
B2M8 2 8 9 45 36
B2M10 2 10 12 60 48
B3M8 3 8 9 45 36
B3M10 3 10 12 60 48
1. 3. 2 螺栓衬套试验组
在不改变连接区长度的前提下，选用内径 8，
10 mm两种刚性衬套，分别对直径 8，10 mm 的螺栓
84 工业建筑 2015 年第 45 卷第 11 期
进行加强，对单栓、双栓和三栓试验进行测试，每种试
件数量为 3个。螺栓连接端尺寸参数如表 5所示。
表 5 试验构件尺寸参数(衬套)
Table 5 The size parameters of test specimens (with washer)
编号
螺栓个
数 /个
螺栓直径
d /mm
螺栓孔径
D /mm
端距
e /mm
排距
p /mm
B1M8W 1 8 12 45 —
B1M10W 1 10 14 60 —
B2M8W 2 8 12 45 36
B2M10W 2 10 14 60 48
B3M8W 3 8 12 45 36
B3M10W 3 10 14 60 48
1. 4 试验方法
采用轴心受拉试验，考察螺栓直径、个数和有无
衬套下的抗拉承载力、变形及破坏模式。
轴心受拉试验示意如图 4 所示，加载装置采用
万能试验机，确保试件处于轴心受拉状态，试验加载
拉伸速度 2 mm /min。
2 试验结果
2. 1 试验现象及破坏形态
在加载初期，受拉构件均处于弹性阶段，螺栓与
夹层板接触面挤压，接触面开始变形;随着荷载的增
大，构件变形渐趋明显，受力方向上的面板纤维挤压
1—端部固定;2—泡桐木;3—玻璃纤维复合材料;
4—螺栓;5—钢制夹具。
图 4 节点连接示意
Fig． 4 Sketch of connection
断裂，螺栓杆出现变形，沿 45°方向上的面板纤维翘
起，如图 5 所示，受拉构件进入塑性阶段;随着位移
增大，螺栓杆与夹层板接触面进一步挤压变形，最终
端部的芯材被推出破坏或面板挤压接头失效。
图 5 面板纤维示意
Fig． 5 Photo of Panel
单栓连接、双栓连接、三栓连接的节点破坏如图
6、图 7 所示。
a—单栓破坏模式;b—双栓破坏模式;c—三栓破坏模式;d—螺栓弯曲变形。
图 6 无衬套轴拉试验组节点破坏模式
Fig． 6 Failure modes of bolt countection for paulownia core sandwich plates without washer
a—单栓破坏模式;b—双栓破坏模式;c—三栓破坏模式;d—螺栓及衬套弯曲变形。
图 7 加强衬套试验组节点及螺栓破坏形态
Fig． 7 Failure modes of bolt connection for paulownia core sandwich plates with washer
无衬套试验组均出现面板挤压后泡桐木芯材推
出破坏;使用螺栓衬套试验组在单栓连接中出现面
板挤压后芯材推出破坏，双栓和三栓连接中出现面
板挤压破坏，其中 B3M10W中 2 号试件出现泡桐木
拉伸破坏，如图 8 所示。
2. 2 荷载 －位移曲线
图 9—图 11 分别为 3 组螺栓 M10 的单栓、双
栓、三栓试验的荷载 －位移曲线，螺栓 M10 试验荷
载 －位移曲线与螺栓 M8 曲线趋势类似，此处不再
重复。从试验曲线可见:试件受力过程中首先处
于弹性阶段，抗弯刚度变化较小，后进入塑性，螺
栓屈服，夹层板进一步挤压，挤压面变形，直至节
点失效。
泡桐木芯材夹层板螺栓连接节点轴心抗拉试验研究———董星亮，等 85
图 8 泡桐木拉伸破坏
Fig． 8 Tensile failure of Paulownia
a—B1M10;b—B1M10W。
—■—B1M10 － S1;—●—B1M10 － S2;—▲—B1M10 － S3;
—□—B1M10W － S1;—○—B1M10W － S2;—△—B1M10W － S3。
图 9 单栓荷载 －位移曲线
Fig． 9 Loading-displacement curves of one bolt
2. 3 节点受拉承载力
2. 3. 1 无衬套试验组
不同参数下的连接节点抗拉试验值如表6、表 7所
示。由表 6、表 7可见:螺栓个数的增加使节点连接承
载力提升较大，螺栓直径的增大使节点承载力有一定
的提升，并且提升比例随着螺栓个数的增加而增大。
2. 3. 2 螺栓衬套试验组
对比表 6 与表 7 可见:在螺栓直径和个数相同
的情况下，使用螺栓衬套的试验组比同尺寸无衬套
试验组承载能力提升了 22% ～31%。
3 复合材料夹层板螺栓连接节点破坏机制及影响
因素分析
3. 1 节点破坏机制分析
复合材料夹层板螺栓连接节点均发生了不同程
a—B1M10;b—B1M10W。
—■—B1M10 － S1;—●—B1M10 － S2;—▲—B1M10 － S3;
—□—B1M10W － S1;—○—B1M10W － S2;—△—B1M10W － S3。
图 10 双栓荷载 －位移曲线
Fig． 10 Loading-displacement curves of two bolts
a—B3M10;b—B3M10W。
—■—B1M10 － S1;—●—B1M10 － S2;—▲—B1M10 － S3;
—□—B1M10W － S1;—○—B1M10W － S2;—△—B1M10W － S3。
图 11 三栓荷载 －位移曲线
Fig． 11 Loading-displacement curves of three bolts
度的面板挤压破坏。连接节点的挤压破坏首先从螺
栓孔附近的面板纤维挤压断裂、轻质芯材同时受剪
直至试件端部的芯材推出破坏或面板挤压破坏，接
头失效。采用螺栓衬套有效加强了螺栓刚度，螺栓
86 工业建筑 2015 年第 45 卷第 11 期
表 6 无衬套轴拉试验组试验数据
Table 6 The tensile test results of sandwich plates
without washer
编号
抗拉承载力 /
kN
承载力平均值 /
kN
极限位移 /
mm
B1M8 22. 492 37. 558
B1M8 22. 558 24. 138 34. 265
B1M8 27. 365 24. 488
B1M10 27. 086 37. 961
B1M10 26. 079 26. 732 38. 212
B1M10 27. 030 35. 194
B2M8 41. 637 32. 834
B2M8 41. 659 41. 648 30. 178
B2M8
B2M10 56. 521 37. 164
B2M10 46. 420 51. 075 37. 423
B2M10 50. 285 34. 687
B3M8 62. 041 34. 622
B3M8 60. 162 62. 551 29. 894
B3M8 65. 450 30. 503
B3M10 70. 943 32. 230
B3M10 75. 278 72. 617 41. 796
B3M10 71. 631 39. 250
表 7 螺栓衬套轴拉试验组试验数据
Table 7 The tensile test results of sandwich plates
with washer
编号
抗拉承载力 /
kN
承载力平
均值 /kN
极限位移 /
mm
平均提升
比例 /%
B1M8W 30. 164 43. 515
B1M8W 29. 459 30. 848 38. 857 27. 80
B1M8W 32. 921 46. 837
B1M10W 31. 102 45. 318
B1M10W 30. 224 32. 738 45. 812 22. 47
B1M10W 36. 887 43. 037
B2M8W 56. 648 33. 643
B2M8W 52. 325 54. 746 32. 846 31. 45
B2M8W 55. 264 37. 791
B2M10W 63. 049 40. 596
B2M10W 68. 342 65. 084 33. 577 27. 43
B2M10W 63. 860 39. 189
B3M8W 78. 545 32. 307
B3M8W 72. 214 76. 836 32. 048 22. 84
B3M8W 79. 749 33. 459
B3M10W 94. 956 33. 221
B3M10W 88. 139 90. 687 40. 744 24. 87
B3M10W 88. 966 41. 107
弯曲变形减小，芯材不易被推出。
3. 2 节点承载力影响因素
通过对试验结果和节点破坏机制分析可知:
当采用单栓连接时，螺栓直径由 8 mm 提高到
10 mm，承载力提升仅为 6% ～ 10%;当采用双栓连
接和三栓连接时，螺栓直径的增加使得承载力提升
16% ～22%，可见螺栓直径对于双栓、三栓连接承载
力影响远大于对单栓连接的影响。
双栓和三栓连接的承载力较单栓连接分别提高
了 0. 7 ～1 倍和 1. 5 ～ 1. 8 倍。夹层板连接多为芯材
剪切、面板纤维挤压断裂破坏，螺栓个数的增加使得
芯材和面板承剪面积增大，承载力提高也较大。
试验中采用螺栓衬套的形式加强螺栓与夹层板接
触面，在增大接触面的同时约束了螺栓变形，使面板与
芯材的变形、受力更均衡。试验结果表明:采用加强衬
套的方式使得试件的承载力提高了 22% ～31%。
3. 3 承压面积对接头强度的影响
将 12 组试验按照有无衬套分为两组考察复合
材料泡桐木芯材螺栓连接极限承载力与螺栓数 n ×
孔径 D ×夹层板厚度 h 的关系，得到相互关系如图
12 所示。
■无衬套试验值;▲衬套试验值;
———无衬套拟合值;－－－ 衬套拟合值。
注:x = nDh。
图 12 极限承载力随承载面积变化曲线
Fig． 12 Curves of change in ultimate bearing capacity with bearing area
通过数值拟合方法得到极限承载力与承压面积
的线性关系为:
无衬套:P = 31. 83nDh + 6. 352，Ｒ2 = 0. 975
衬套:P = 33. 51nDh + 6. 220，Ｒ2 = 0. 994
式中:P为极限承载力，N;n 为螺栓个数;D 为孔径，
mm;h为夹层板厚度，mm。
试验数据拟合的方差较小，可以较好地反映本
文夹层板泡桐木芯材螺栓连接接头强度变化规律。
4 结束语
1)复合材料夹层板螺栓连接抗拉试验的破坏
模式表现为:面板纤维挤压断裂，螺栓杆弯曲，最终
面板发生挤压破坏或泡桐木芯材推出破坏。
2)复合材料夹层板螺栓连接不宜采用单栓连
接形式，应尽量采用双栓、三栓连接形式;螺栓直径
参数的影响在单栓中对承载力影响较小，在双栓、三
栓中有了较为明显的提高。
3)采用螺栓衬套的方式可有效提高构件连接
的承载能力。
(下转第 129 页)
再生微粉混凝土抗碳化性能的试验研究———冯 太，等 129
入 4. 5%Na2SiO3·9H2O 和粉料研磨细化这两种活
性激发方法能够对再生微粉混凝土试件产生一定的
活性激发效果，使其抗碳化性能得到提高;当掺量为
20%时，加入 3. 5% Ca(OH)2 和粉料研磨细化两种
活性激发方法对提高试件的抗碳化性能有明显的作
用;当掺量为 30%时，三种活性激发方法均无明显
的作用。同时对比图 3—图 5 可以看出:随着再生
微粉掺量的增加，试件的碳化深度也逐渐增加，说明
活性激发方法对混凝土试件的抗碳化性能造成的有
利影响逐渐减弱。
原因分析:再生微粉的碱性激发机理主要是
提高体系液相中 OH －的浓度［11］，体系中碱度的提
高能够加快再生微粉中存在活性的 SiO2 和 Al2O3
的解体，提高混凝土水化反应速率，从而产生凝胶
产物提高混凝土的抗碳化性能。再生微粉中钙离
子含量高，体系液相中的氢氧化钙浓度增加，也有
利于再生微粉的活性反应。当再生微粉混凝土中
加入氢氧化钙，一定含量的氢氧化钙有利于活性
激发，当其浓度过高时也有可能发生碱骨料反应，
对混凝土造成不利影响;同样对于加入偏硅酸钠
以后，体系液相碱性增加，促进活性成分的水化反
应。随着再生微粉掺量的增加，这种活性激发效
果降低。对于采用研磨细化加工的活性激发方
法，机械研磨使得再生微粉的比表面积增大，从而
增大了再生微粉与体系液相的接触面积，加快了
反应速率。
3 结束语
1)在其他条件相同的情况下，使用 10%再生微
粉等量替代水泥能够提高混凝土试件的抗碳化性
能，当再生微粉掺量增加至 20%和 30%时混凝土试
件的抗碳化性能明显减弱。
2)再生微粉的掺量为 10%时，加入碱性激发剂
4. 5%Na2SiO3·9H2O和粉料研磨细化处理这两种活
性激发方法可以对再生微粉混凝土试件产生一定的
活性激发效果;掺量为 20%时，加入 3. 5% Ca(OH)2
和粉料研磨细化两种活性激发方法对提高试件的抗
碳化性能有明显的作用;当掺量为 30%时，三种活
性激发方法均无明显的作用。
3)随着再生微粉掺量的增加，活性激发方法对
混凝土试件的抗碳化性能造成的有利影响逐渐减弱。
就本试验而言，掺入 10%再生微粉并且使用碱性激
发剂 4. 5%Na2SiO3·9H2O 或进行粉料研磨细化处理
对提高再生微粉混凝土的抗碳化性能最有利。
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(上接第 86 页)
4)泡桐木芯材复合材料夹层板螺栓连接极限
承载力与挤压面积线性拟合式可较好地预测该试验
节点连接的抗拉强度。
参考文献
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