李 達(dá) 朱銳杰 李 峰

(陸軍工程大學(xué)野戰(zhàn)工程學(xué)院， 南京 210007)

空間桁架結(jié)構(gòu)是通過節(jié)點(diǎn)將桿件按照一定規(guī)律組合起來的結(jié)構(gòu)形式，每根桿件主要承受軸向力，傳力機(jī)制明確且架設(shè)方便。傳統(tǒng)空間桁架結(jié)構(gòu)由鋼材建造，但由于鋼材的重量大、耐腐蝕性差，制約了鋼制空間桁架結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步應(yīng)用和發(fā)展。纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(FRP)具有輕質(zhì)、高強(qiáng)、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，且隨著拉擠工藝的成熟，可以較低的成本大批量生產(chǎn)力學(xué)性能穩(wěn)定的FRP拉擠型材。此外，在FRP拉擠型材中，連續(xù)纖維主要沿軸向布置，有利于發(fā)揮其較優(yōu)的順纖維方向承載性能。因此，F(xiàn)RP拉擠型材成為空間桁架結(jié)構(gòu)主要承載構(gòu)件的理想選擇，能有效實(shí)現(xiàn)大跨徑，并已廣泛應(yīng)用于建筑體系、橋梁等各類承載結(jié)構(gòu)中[1-3]。

空間桁架結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)力學(xué)性能對整個結(jié)構(gòu)性能具有不可忽略的影響，再加上復(fù)合材料各向異性、弱抗剪等特性導(dǎo)致相互連接上的困難，更使節(jié)點(diǎn)連接成為重中之重。隨著現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，空間桁架結(jié)構(gòu)開始向模塊化、裝配化轉(zhuǎn)型，各種裝配式節(jié)點(diǎn)相繼出現(xiàn)。其中螺栓球節(jié)點(diǎn)具有力學(xué)性能優(yōu)、安裝誤差容忍性好、定位精度高等特點(diǎn)，目前是我國空間桁架結(jié)構(gòu)中使用最廣泛的裝配式節(jié)點(diǎn)形式[4]。為實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料空間桁架結(jié)構(gòu)的全結(jié)構(gòu)耐腐蝕、進(jìn)一步減輕結(jié)構(gòu)自重，并盡可能實(shí)現(xiàn)全結(jié)構(gòu)質(zhì)量均勻分布，螺栓球節(jié)點(diǎn)采用鋁合金為主要用材。

由于螺栓球節(jié)點(diǎn)允許桿件與節(jié)點(diǎn)發(fā)生相對轉(zhuǎn)動，長期以來通常將其作為鉸接節(jié)點(diǎn)處理，認(rèn)為其不具備抗彎能力。實(shí)際上，螺栓球節(jié)點(diǎn)具備一定的轉(zhuǎn)動剛度，是一種介于鉸接和剛接之間的半剛性節(jié)點(diǎn)。范峰等基于半剛性螺栓球節(jié)點(diǎn)的受力性能，利用有限元研究了螺栓球節(jié)點(diǎn)的彎曲剛度特征，得出了節(jié)點(diǎn)的彎矩-轉(zhuǎn)角曲線，與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好[5]。王興忠等對不銹鋼及鋁合金螺栓球節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了抗彎性能的試驗(yàn)研究，對比分析了不同參數(shù)情況下節(jié)點(diǎn)的受彎承載特性及破壞模式，并根據(jù)裝配式節(jié)點(diǎn)分類標(biāo)準(zhǔn)判定鋁合金螺栓球節(jié)點(diǎn)在復(fù)合材料空間結(jié)構(gòu)中應(yīng)作為半剛性節(jié)點(diǎn)考慮[6]。目前針對裝配式節(jié)點(diǎn)性能的研究大多集中于其抗彎性能，對節(jié)點(diǎn)軸向受力性能的研究并不多。

然而，空間桁架結(jié)構(gòu)中桁架桿件及節(jié)點(diǎn)主要承受軸力，軸力作用下節(jié)點(diǎn)變形對結(jié)構(gòu)變形帶來的影響不可忽略。Mostafavian等對螺栓球節(jié)點(diǎn)網(wǎng)架進(jìn)行了足尺試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)不考慮螺栓球節(jié)點(diǎn)軸向變形的有限元模型與試驗(yàn)實(shí)測結(jié)果存在較大誤差，而考慮節(jié)點(diǎn)軸向變形后與試驗(yàn)結(jié)果較吻合[7]。Ahmadizadeh等研究了節(jié)點(diǎn)的軸向承載性能，并比較了考慮節(jié)點(diǎn)與構(gòu)件軸向剛度差異和不考慮兩者差異情況下結(jié)構(gòu)變形的有限元結(jié)果，發(fā)現(xiàn)即使在彈性工作階段，兩種計(jì)算結(jié)果相差25%[8]。李峰等對錐頭式螺栓球節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了軸向拉伸與壓縮足尺試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)其在軸向受力下具有較好的線彈性特征，且節(jié)點(diǎn)壓縮剛度顯著大于拉伸剛度，拉伸荷載作用下發(fā)生螺栓拉斷破壞，壓縮荷載作用下發(fā)生錐頭縱向開裂破壞[9]。

在傳統(tǒng)鋼制空間桁架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算中，往往忽略節(jié)點(diǎn)的剛度[10]，這是由于鋼材彈性模量高，鋼制空間桁架結(jié)構(gòu)的整體剛度往往很大，一般可以輕松滿足規(guī)范[10]對于結(jié)構(gòu)變形的要求，而強(qiáng)度成為控制設(shè)計(jì)主要指標(biāo)。然而與鋼材相比，復(fù)合材料空間桁架結(jié)構(gòu)中的FRP型材彈性模量很低，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中往往以剛度控制，對于結(jié)構(gòu)變形的精確計(jì)算尤為重要[11-12]。因此，獲得節(jié)點(diǎn)的軸向剛度特性對復(fù)合材料空間桁架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和計(jì)算至關(guān)重要。

目前鋁合金螺栓球節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)還未形成相關(guān)規(guī)范，節(jié)點(diǎn)采用多種金屬材料組合效果需進(jìn)一步研究；此外，復(fù)合材料空間桁架中鋁合金螺栓球節(jié)點(diǎn)的剛度及變形對結(jié)構(gòu)性能影響更為顯著，因此需獲得鋁合金螺栓球節(jié)點(diǎn)在軸向拉伸和壓縮作用下準(zhǔn)確的力學(xué)性能響應(yīng)，為下一步結(jié)構(gòu)性能計(jì)算打下基礎(chǔ)。鑒于上述問題，擬通過對鋁合金螺栓球節(jié)點(diǎn)中兩種螺栓用材進(jìn)行材性試驗(yàn)，以獲得材料較為準(zhǔn)確的性能參數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果。在此基礎(chǔ)上，對螺栓材料、封板厚度不同的4個鋁合金螺栓球節(jié)點(diǎn)，以及套筒尺寸、封板厚度不同的4個鋁合金螺栓球節(jié)點(diǎn)，分別進(jìn)行軸向拉伸和壓縮試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)現(xiàn)象和荷載-位移曲線，以獲得其相應(yīng)破壞模式及基本受載響應(yīng)。

1 金屬材料材性試驗(yàn)

1.1 試件及試驗(yàn)設(shè)置

螺栓球節(jié)點(diǎn)中螺栓為主要承載構(gòu)件，因螺栓連接處破壞而引發(fā)的重大事故比比皆是，可見螺栓連接處往往就是整個空間桁架結(jié)構(gòu)的薄弱點(diǎn)，它的破壞將直接影響整個結(jié)構(gòu)的安全性，最為常見的缺陷為螺栓擰入長度不足及銹蝕[13-14]?？紤]到螺栓球節(jié)點(diǎn)中螺栓的重要性，擬采用高強(qiáng)鋁合金或高強(qiáng)不銹鋼材料作為螺栓材料。若承載螺栓采用鋁合金材料，可采用7075-T6高強(qiáng)鋁合金，其具備較高的抗拉強(qiáng)度以實(shí)現(xiàn)足夠的強(qiáng)度儲備；若承載螺栓采用不銹鋼材料，可采用S51740高強(qiáng)不銹鋼，并經(jīng)沉淀硬化580 ℃時效處理，以滿足JG/T 10—2009 《鋼網(wǎng)架螺栓球節(jié)點(diǎn)》對高強(qiáng)螺栓的抗拉極限承載力要求。節(jié)點(diǎn)其余部分采用2A12-T4高強(qiáng)鋁合金，以具備較優(yōu)的機(jī)械加工性能和較高的強(qiáng)度。

為獲得7075-T6高強(qiáng)鋁合金和S51740高強(qiáng)不銹鋼的基本力學(xué)性能，對其進(jìn)行材料性能測試。試驗(yàn)根據(jù)GB/T 228.1—2010《金屬材料 拉伸試驗(yàn) 第1部分：室溫試驗(yàn)方法》的規(guī)定，金屬材性試驗(yàn)試棒采用5d0(d0為圓棒試件直徑)標(biāo)準(zhǔn)圓棒試件，其中有效段距離為50 mm，拉伸斷裂在該范圍內(nèi)試驗(yàn)有效。材性試驗(yàn)取7075-T6高強(qiáng)鋁合金和S51740高強(qiáng)不銹鋼試棒各6個，分別編號為AL-1～6和SS-1～6。試驗(yàn)在室溫為18 ℃的萬能電子試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，并采用CBY150-5型引伸計(jì)測量棒材拉伸過程中的變形，試驗(yàn)速率不大于0.1 mm/min。

1.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

試驗(yàn)結(jié)束時，7075-T6高強(qiáng)鋁合金試件破壞較為突然，斷口未發(fā)生明顯現(xiàn)象，破壞聲較低沉；而S51740高強(qiáng)不銹鋼試件破壞斷口頸縮現(xiàn)象明顯，破壞聲較清脆[6]。受引伸計(jì)量程限制，試驗(yàn)可得到7075-T6高強(qiáng)鋁合金和S51740高強(qiáng)不銹鋼材料在應(yīng)變區(qū)間為[0,8%]上的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線，如圖1所示。曲線大致可分為4段：1)線性段，應(yīng)力-應(yīng)變呈線性關(guān)系，一般以0.01%的塑性殘余應(yīng)變對應(yīng)的應(yīng)力(f0.1)為分界點(diǎn)；2)“拐彎段”，一般以0.02%的塑性殘余應(yīng)變對應(yīng)的應(yīng)力(f0.2)為曲線拐彎段，通常以該點(diǎn)位對應(yīng)的應(yīng)力稱為規(guī)定塑性延伸強(qiáng)度；3)強(qiáng)化段，其值與金屬的本身特性有關(guān)，一般采用強(qiáng)化系數(shù)作為衡量標(biāo)準(zhǔn)；4)下降段，試件接近極限應(yīng)力，變形加快，應(yīng)力有所下降。可以看出，7075-T6高強(qiáng)鋁合金和S51740高強(qiáng)不銹鋼材料應(yīng)力-應(yīng)變曲線均無屈服平臺段，且高強(qiáng)鋁合金應(yīng)力-應(yīng)變曲線組的離散性明顯大于高強(qiáng)不銹鋼。

a—7075-T6高強(qiáng)鋁合金； b—S51740高強(qiáng)不銹鋼。圖1 應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.1 Stress-strain curves

采用作圖法，在圖1上求得各試件的彈性模量E、比例極限應(yīng)力f0.1，規(guī)定塑性延伸強(qiáng)度f0.2、抗拉強(qiáng)度fu、斷后伸長率At、斷后收縮率As。7075-T6高強(qiáng)鋁合金和S51740不銹鋼材性數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示。而2A12-T4高強(qiáng)鋁合金的相關(guān)材料參數(shù)可見本課題組前期研究結(jié)果[9,15]，見表1。

表1 各試件材性參數(shù)結(jié)果Table 1 Material parameter results of specimens

根據(jù)GB/T 3191—2010《鋁和鋁合金擠壓棒材》及GB/T 1200—2007《不銹鋼棒》，可得7075-T6、2A12-T4高強(qiáng)鋁合金和S51740高強(qiáng)不銹鋼均滿足要求。從抗拉強(qiáng)度和斷后伸長率來看，S51740高強(qiáng)不銹鋼在強(qiáng)度和韌性方面均明顯優(yōu)于7075-T6、2A12-T4高強(qiáng)鋁合金，但其成本也較高。當(dāng)螺栓球節(jié)點(diǎn)用于連接空間桁架結(jié)構(gòu)關(guān)鍵受拉桿件時，建議采用S51740高強(qiáng)不銹鋼作為螺栓材料；當(dāng)螺栓球節(jié)點(diǎn)用于連接小拉力桿件或受壓桿件時，此時螺栓僅起到了連接作用，而非主要承載作用，建議采用7075-T6高強(qiáng)鋁合金以降低成本。

2 鋁合金螺栓球節(jié)點(diǎn)軸向拉伸試驗(yàn)

2.1 試件及試驗(yàn)設(shè)置

鋁合金螺栓球節(jié)點(diǎn)根據(jù)所連接空間桁架結(jié)構(gòu)中桿件的尺寸大小，可采用封板式或錐頭式的連接方式。當(dāng)FRP拉擠管直徑較大時，由于節(jié)點(diǎn)與管徑的尺寸差距，可采用錐頭式連接方式；當(dāng)FRP拉擠管材與節(jié)點(diǎn)尺寸相當(dāng)時，可采用封板式連接方式。本文研究的封板式鋁合金螺栓球節(jié)點(diǎn)由4部分組成：球體、封板、套筒及螺栓，其中螺栓為節(jié)點(diǎn)在拉伸荷載作用下的主要承載部件。鋁合金螺栓球節(jié)點(diǎn)按照J(rèn)G/T 10—2009中的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，節(jié)點(diǎn)各部分關(guān)鍵尺寸及空間組成如圖2所示?？紤]采用7075-T6高強(qiáng)鋁合金及S51740高強(qiáng)不銹鋼兩種材料螺栓，以及板厚度對節(jié)點(diǎn)拉伸性能的影響，試驗(yàn)選取兩種封板厚度。綜上，選取節(jié)點(diǎn)拉伸、壓縮試件各4個，其試件編號及基本尺寸如表2所示，兩種試件的尺寸一樣。

表2 拉伸、壓縮試驗(yàn)的試件編號及尺寸Table 2 Specimen number and dimensions of tensile test mm

a—螺栓球節(jié)點(diǎn)各部分關(guān)鍵尺寸； b—螺栓球節(jié)點(diǎn)各部分空間組成。圖2 封板式鋁合金螺栓球節(jié)點(diǎn)Fig.2 Sealed plate type aluminum alloy bolt ball joint

試驗(yàn)采用WE-1000A電液伺服式萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行加載，加載條件按照GB/T 228.1—2010進(jìn)行，采用位移控制，加載速率為0.5 mm/min。為實(shí)現(xiàn)施加拉伸荷載，設(shè)計(jì)了如圖3所示夾具，夾具采用淬火45號鋼，底部為實(shí)心夾持段，用以與加載機(jī)夾持，并依靠巨大摩擦力施加拉伸荷載，夾具與節(jié)點(diǎn)相連部分為內(nèi)部開螺紋圓柱，用以與封板外側(cè)螺紋相連，因此該加載工況與節(jié)點(diǎn)在結(jié)構(gòu)中的實(shí)際工作條件一致。為盡可能考慮偏心對節(jié)點(diǎn)變形的影響，在節(jié)點(diǎn)對稱位置分別設(shè)置激光引伸計(jì)(LE)和電子位移計(jì)(ED)，用以測量軸向變形，并進(jìn)行數(shù)據(jù)對比，消除偏心誤差。加載機(jī)上部為鉸接接頭，兩端夾持力為500 kN。為消除節(jié)點(diǎn)各部分初始連接間隙并檢查全部試驗(yàn)裝置可靠性，首先進(jìn)行50 kN的預(yù)加載，荷載卸載至0 kN后進(jìn)行正式加載，直至試件發(fā)生破壞。

圖3 拉伸試驗(yàn)裝置及夾具Fig.3 Tensile test device and fixture

2.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

試驗(yàn)加載初期，各參數(shù)基本呈線性增長，但螺栓球節(jié)點(diǎn)變形很小，肉眼很難觀察到；繼續(xù)加載，當(dāng)荷載達(dá)到極限承載力時，伴隨一聲巨響，試件發(fā)生破壞，試驗(yàn)結(jié)束。鋁合金螺栓球節(jié)點(diǎn)拉伸試驗(yàn)所得荷載-位移曲線如圖4所示。4個試件的荷載-位移曲線中，兩種測量方法結(jié)果較為吻合，表明測量結(jié)果的正確性。試件Thick-AL及Thin-AL發(fā)生螺栓拉斷破壞，如圖5a所示，破壞位置為球體與螺栓螺紋的第一嚙合處，高強(qiáng)螺栓斷裂部分可輕松從球體擰出，螺栓球內(nèi)螺紋無明顯變形；試件Thin-SS發(fā)生封板剪切破壞，如圖5b所示；試件Thick-SS發(fā)生螺栓球內(nèi)螺紋剪切破壞，如圖5c所示，可見螺栓球的內(nèi)螺紋被平齊切斷。由于7075-T6高強(qiáng)鋁合金材料延性不足，因此采用7075-T6高強(qiáng)鋁合金螺栓的節(jié)點(diǎn)拉伸荷載延性段較短，而采用S51740高強(qiáng)不銹鋼螺栓的節(jié)點(diǎn)具有明顯的延性段，其在FRP空間桁架結(jié)構(gòu)中使用具有顯著優(yōu)勢。此外，由于S51740高強(qiáng)不銹鋼螺栓的抗拉承載力高于螺紋抗剪承載力，鋁合金球體部分螺紋發(fā)生剪切破壞，且破壞較為突然，屬于脆性破壞。因此鋁合金螺栓球與高強(qiáng)不銹鋼螺栓配合使用時，需設(shè)置足夠的螺紋段長度，以保證螺紋的抗剪承載力大于螺栓的拉伸承載力。

a—7075-T6高強(qiáng)鋁合金； b—S51740高強(qiáng)不銹鋼。圖4 拉伸試驗(yàn)荷載-位移曲線Fig.4 Load-displacement curves of tensile test

a—螺栓拉斷破壞； b—封板剪切破壞； c—球內(nèi)螺紋剪切破壞。圖5 拉伸試驗(yàn)破壞模式Fig.5 Failure modes in tensile test

將4種螺栓球節(jié)點(diǎn)在拉伸荷載作用下的荷載-位移曲線匯總于圖6中，可見采用S51740高強(qiáng)不銹鋼螺栓節(jié)點(diǎn)的承載力及延性明顯優(yōu)于采用7075-T6高強(qiáng)鋁合金螺栓節(jié)點(diǎn)，高強(qiáng)鋁合金材料由于斷裂應(yīng)變較低，發(fā)生塑性變形后不久即發(fā)生破壞，這對于結(jié)構(gòu)是不利的，因此承受關(guān)鍵拉伸荷載的節(jié)點(diǎn)不可采用7075-T6高強(qiáng)鋁合金螺栓。由于不銹鋼材料彈性模量約為鋁合金材料的3倍，采用S51740高強(qiáng)不銹鋼螺栓節(jié)點(diǎn)的初始剛度顯著大于7075-T6高強(qiáng)鋁合金螺栓節(jié)點(diǎn)。當(dāng)節(jié)點(diǎn)部件進(jìn)入塑性后，節(jié)點(diǎn)拉伸剛度顯著降低。此外，封板厚度h2對節(jié)點(diǎn)的初始剛度及承載力也有顯著影響，減小封板厚度將大大降低節(jié)點(diǎn)初始剛度。節(jié)點(diǎn)采用薄封板與7075-T6高強(qiáng)鋁合金螺栓時，螺栓與封板共同進(jìn)入塑性，從而節(jié)點(diǎn)延性得到一定程度的提高。

圖6 4種鋁合金螺栓球節(jié)點(diǎn)拉伸試驗(yàn)荷載-位移曲線Fig.6 Load-displacement curves of four aluminum alloy bolt ball joints in tensile test

綜上可知，由于螺栓材料和封板厚度的不同，在拉伸荷載作用下會導(dǎo)致鋁合金螺栓球節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生三種不同類型的破壞模式：螺栓拉斷破壞、封板剪切破壞、球內(nèi)螺紋剪切破壞，且S51740高強(qiáng)不銹鋼螺栓在一定程度上能提高鋁合金螺栓球節(jié)點(diǎn)的承載力及延性。4種節(jié)點(diǎn)拉伸試驗(yàn)的極限承載力和破壞模式等對比見表3。

表3 拉伸試驗(yàn)結(jié)果對比Table 3 Comparisons of tensile test results

3 鋁合金螺栓球節(jié)點(diǎn)軸向壓縮試驗(yàn)

3.1 試件及試驗(yàn)設(shè)置

本節(jié)研究封板式鋁合金螺栓球節(jié)點(diǎn)壓縮性能，其組成部分與拉伸試驗(yàn)試件相同，其中在壓縮荷載作用下套筒為主要承載部件，同時封板的厚度對節(jié)點(diǎn)力學(xué)性能也存在影響，因此壓縮試件取兩種套筒尺寸及兩種封板厚度，其基本尺寸如表2所示。

試驗(yàn)采用WE-1000A電液伺服式萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行加載，加載條件按照GB/T 7314—2017《金屬材料 室溫壓縮試驗(yàn)方法》進(jìn)行，采用位移控制，加載速率為0.5 mm/min。由于套筒上存在銷釘孔，進(jìn)入塑性變形階段開孔處更易變形，因此在壓縮荷載作用下節(jié)點(diǎn)會發(fā)生一定偏轉(zhuǎn)，為獲取節(jié)點(diǎn)平均意義上的壓縮變形，在節(jié)點(diǎn)對稱位置分別采用激光引伸計(jì)和電子位移計(jì)，以測量對稱位置變形，如圖7所示。為更好模擬螺栓球節(jié)點(diǎn)在FRP空間桁架結(jié)構(gòu)中的使用條件，在封板外套一個與拉伸試驗(yàn)中相同的夾具，再將試驗(yàn)機(jī)上端鉸接端替換為方形壓板。為消除節(jié)點(diǎn)各部分初始連接間隙并檢查全部試驗(yàn)裝置可靠性, 首先進(jìn)行彈性預(yù)加載50 kN，荷載卸掉后進(jìn)行正式加載，當(dāng)試件發(fā)生破壞或塑性變形過大時停止試驗(yàn)。

圖7 壓縮試驗(yàn)裝置Fig.7 Compression test device

3.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

試驗(yàn)加載初期，螺栓球節(jié)點(diǎn)變形較小，各參數(shù)基本呈線性增長；隨著荷載的增加，螺栓球節(jié)點(diǎn)壓縮變形較大；當(dāng)荷載達(dá)到極限承載力時，伴隨一聲悶響，試件發(fā)生破壞，試驗(yàn)結(jié)束。鋁合金螺栓球節(jié)點(diǎn)壓縮試驗(yàn)所得荷載-位移曲線如圖8所示。從4個試件荷載-位移曲線來看，兩種測量方法結(jié)果具有一定的吻合度，但相對于拉伸試驗(yàn)，兩曲線誤差較大，這是由于壓縮后封板及套筒變形的不均勻造成的，但兩種測量方法的均值曲線能夠較好地反映螺栓球節(jié)點(diǎn)壓縮變形響應(yīng)。試件B-Thin及S-Thin均發(fā)生封板剪切破壞，如圖9a、b所示，可以看出：套筒均嵌套進(jìn)封板，使得封板剪切破壞，而套筒變形不大；試件B-Thick及S-Thick均由于套筒明顯變形而停止加載，如圖9c、d所示，其中試件B-Thick套筒上出現(xiàn)裂紋，套筒與封板連接處有明顯的凹痕。

a—大套筒試件； b—小套筒試件。圖8 壓縮試驗(yàn)荷載-位移曲線Fig.8 Load-displacement curves of compression tests

a—B-Thin封板剪切破壞； b—S-Thin封板剪切破壞；；c—B-Thick套筒壓縮破壞； d—S-Thick套筒壓縮破壞。圖9 壓縮試驗(yàn)破壞模式Fig.9 Failure modes in compression test

將4種鋁合金螺栓球節(jié)點(diǎn)在壓縮荷載作用下的荷載-位移曲線匯總于圖10中，可見：套筒大小及封板厚度對鋁合金螺栓球節(jié)點(diǎn)的初始剛度均有較大影響；當(dāng)封板厚度較薄時，封板發(fā)生突然性的剪切破壞，螺栓球節(jié)點(diǎn)瞬間失去承載力；當(dāng)封板厚度較厚時，套筒發(fā)生明顯塑性變形，卸載后的曲線斜率與曲線初始斜率相同，反映出與材性試驗(yàn)中材料進(jìn)入塑性卸載后的現(xiàn)象一致。當(dāng)采用大套筒時，封板的剪切承載力大于小套筒的承載力，這是由于套筒與封板不同接觸面積影響了封板內(nèi)應(yīng)力分布，大套筒傳遞的一部分接觸壓力被封板分擔(dān)，所以使用大套筒情況下封板的承載力高。

圖10 4種鋁合金螺栓球節(jié)點(diǎn)壓縮試驗(yàn)荷載-位移曲線Fig.10 Load-displacement curves of four aluminum alloy bolt ball joints in compression test

綜上可知，由于套筒大小和封板厚度的不同，在壓縮荷載作用下會導(dǎo)致鋁合金螺栓球節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生兩種不同類型的破壞模式：套筒壓縮破壞及封板剪切破壞，且增加套筒大小和封板厚度能提高鋁合金螺栓球節(jié)點(diǎn)的承載力。4種節(jié)點(diǎn)拉伸試驗(yàn)的極限承載力和破壞模式等對比見表4。

表4 壓縮試驗(yàn)結(jié)果對比Table 4 Comparisons of compression test results

對比軸向拉伸與壓縮試驗(yàn)的破壞模式可知，拉伸破壞發(fā)生的位置主要為螺紋附近，螺紋的切口性質(zhì)加上拉伸荷載引起的復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)，導(dǎo)致鋁合金螺栓球節(jié)點(diǎn)在拉伸荷載作用下容易出現(xiàn)突然性或脆性破壞。而在壓縮荷載作用下，套筒逐步被壓縮從而承載面積有所增加，且壓縮導(dǎo)致的復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)對于套筒承載是有利的，所以通過合理設(shè)計(jì)套筒承壓面積及封板厚度，鋁合金螺栓球節(jié)點(diǎn)在壓縮荷載作用下能實(shí)現(xiàn)較大承載力及延性。

4 結(jié)束語

本文首先對7075-T6高強(qiáng)鋁合金和S51740高強(qiáng)不銹鋼兩種節(jié)點(diǎn)螺栓用材進(jìn)行了材性試驗(yàn)，獲得其基本力學(xué)性能參數(shù)；隨后針對不同尺寸參數(shù)的鋁合金螺栓球節(jié)點(diǎn)試件，開展了節(jié)點(diǎn)軸向拉伸和壓縮試驗(yàn)，獲得了不同工況下節(jié)點(diǎn)剛度響應(yīng)規(guī)律及破壞模式，結(jié)論如下：

1)7075-T6高強(qiáng)鋁合金和S51740高強(qiáng)不銹鋼兩種金屬材料，其應(yīng)力-應(yīng)變曲線線形基本相似，沒有類似于低屈服點(diǎn)鋼材的屈服平臺段，大致可分為線性段、拐彎段、強(qiáng)化段、下降段4段，其中S51740高強(qiáng)不銹鋼在彈性模量、強(qiáng)度及延性方面均優(yōu)于7075-T6高強(qiáng)鋁合金。

2)鋁合金螺栓球節(jié)點(diǎn)承受拉伸荷載時，螺栓為主要承載構(gòu)件，當(dāng)采用7075-T6高強(qiáng)鋁合金螺栓時，由于鋁合金抗拉承載力低、延性差，鋁合金螺栓球節(jié)點(diǎn)發(fā)生螺栓拉斷破壞且曲線延性段較短；當(dāng)采用S51740高強(qiáng)不銹鋼螺栓時，節(jié)點(diǎn)初始剛度較大，螺栓進(jìn)入塑性后，鋁合金螺栓球節(jié)點(diǎn)發(fā)生封板剪切破壞及球內(nèi)螺紋剪切破壞，曲線延性段較長且承載力有所提高，而節(jié)點(diǎn)拉伸剛度顯著降低。此外，增加封板厚度能顯著提高螺栓球節(jié)點(diǎn)的初始剛度。

3)鋁合金螺栓球節(jié)點(diǎn)承受壓縮荷載時，套筒為主要承載構(gòu)件，當(dāng)封板厚度較薄時，由于封板抗剪承載力較低，鋁合金螺栓球節(jié)點(diǎn)發(fā)生封板剪切破壞；當(dāng)封板厚度較厚時，由于套筒承壓時可承受很大的塑性變形，鋁合金螺栓球節(jié)點(diǎn)發(fā)生套筒壓縮破壞。套筒承壓面積的大小對螺栓球節(jié)點(diǎn)受壓承載力影響較大，是螺栓球節(jié)點(diǎn)承壓設(shè)計(jì)的主要控制參數(shù)。此外，所有鋁合金螺栓球節(jié)點(diǎn)試件均表現(xiàn)出較好的受壓延性變形，且當(dāng)套筒進(jìn)入塑性后，節(jié)點(diǎn)壓縮剛度顯著降低。