新发表论文丨FRP拉挤型材梁柱节点：研究现状、性能评估和设计方法

板件与板件之间的连接是拉挤型材构件连接的基本形式，是构件之间连接的基础。目前主要的基本连接形式包括螺栓连接、胶粘连接和胶栓混合连接三类，同时一些研究关注于新型的连接方式，如金属件增强的螺栓连接、扩孔增强的螺栓连接、使用热塑性复材的复材焊接等。

螺栓连接是拉挤型材中最为常见、应用最为广泛的基本连接形式之一，常用于主要结构件的连接中，许多研究人员都对螺栓连接展开了充分深入的研究，其设计方法被广泛收纳于欧洲规范、美国规范、中国规范等各国设计规范之中。

现有文献对单螺栓连接进行了大量的研究，研究了FRP板厚度、板宽、边距和加载角度对拉挤型材单螺栓连接的影响，如图2所示。他们观察到净截面破坏、剪出破坏和承压破坏破坏是常见的破坏模式，并根据实验观察和数据提出了设计公式。结果表明：螺孔承压破坏承载力最高且延性较好，其次为剪出破坏，最后为净截面破坏。

对于多螺栓连接，其破坏模式与单螺栓连接类似，但研究除了关注几何参数对受力的影响，还包括其与单螺栓连接的差异。已有研究表明，双螺栓连接可以均匀承担荷载，但三螺栓连接或四螺栓连接时荷载分布则并不均匀，端部螺栓往往会承担更大比例的荷载进而提前发生破坏。因此，由于拉挤型材缺乏足够的延性，多螺栓连接的承载力并不是单螺栓连接的简单叠加，而应该考虑不同螺栓之间的荷载分布差异进行设计。

胶栓混合连接是指综合使用螺栓连接和胶粘连接的连接方式，相比于单独使用一种连接方式，其具有独特的力学性能。已有学者对其破坏机理进行了研究，发现胶粘混合连接在受力初期主要是粘接胶在受力，粘接胶破坏后转为螺栓承受主要荷载且胶层有一定贡献，并最终发生螺栓的剪出破坏。试验中，胶栓混接和螺栓连接的承载力为20%~30%的板材拉伸强度，胶粘连接的则为10%，且胶栓混接的最终承载力与螺栓连接的大致相当。结构胶对胶栓混合连接的极限承载力贡献有限，这是因为传统的粘接胶刚度较大，难以与螺栓连接良好地协同受力。

通过使用延性胶，胶层和螺栓的荷载分配将会得到显著改善。不同模量的粘接胶会有不同的荷载分布行为，刚性粘接胶能够承担98%的外部荷载，而柔性粘接胶仅承受40%的荷载，此时胶栓混合连接的承载力几乎相当于螺栓连接和胶粘连接的总和，且具有优秀的耗能能力。但目前土木工程中的主流设计方法还是难以准确考虑胶层的力学贡献，有待进一步发展。

上述常见的螺栓连接、胶粘连接和胶栓混合连接三种连接方式是研究和应用最为广泛的主流连接方式，但由于拉挤型材的各向异性导致的应力集中较大、单向纤维构造决定的剪切能力较差及准脆性材料特性导致的塑性不足等问题，典型连接方式的力学性能往往不尽人意。为此，许多研究人员提出了一些新颖的、板件之间的连接方式。

基于常规的螺栓连接，许多研究人员使用螺孔增强方法进行了改进。研究表明，使用共同成型的金属环、分布式纤维增强的金属环或金属垫圈，可以显著分散螺孔处荷载，减小应力集中并提升承载能力。

在使用金属连接件的基础上，引入扩孔增强技术实现过盈配合，也可以提升螺栓连接的承载力。扩孔增强技术能够较好的减少开孔附近的初始缺陷，能够显著提升连接的疲劳性能和螺孔的局部承压性能。但该技术目前主要应用于航空航天之中，大型构件中应用较小。

针对常规的胶粘连接，热塑性复合材料的焊接连接（也称“熔融连接”）或许是可行的替代方式之一。常见的热塑性连接方式包括电阻焊接、感应焊接、超声波焊接等。

• 电阻焊接是使用电流的焦耳定律加热指定区域的热塑性复材使之熔融并再次固化，可以实现复杂的、大尺寸的构件之间的连接，但是焊接时间较长、能量消耗大。

• 感应焊接则基于电磁感应原理，使用外部电磁场让内嵌物发热进而实现熔融连接，适用于中大尺寸的节点，但一般需要较大的设备，焊接时间和能量消耗中等。

• 超声焊接是通过高速振动摩擦产热进而熔融连接，由于设备限制与超声波穿透能力有限，其只能由于小尺寸构件的连接，但其焊接时间快、能量消耗低。

为了保证连接的强度和工艺稳定性，热塑性焊接工艺一般需要两大工艺要素：加压与加热。不同的材料和工艺参数都对焊接强度有着影响，许多研究集中于该方面并得到了较好的焊接工艺与强度指标，其中热塑性焊接的单搭接剪切强度最高可达到50MPa，一般也可达到20MPa，但其界面拉伸强度一般较差。此外，可通过合适的热塑性薄膜进行热固性复合材料的焊接，已有研究使用聚醚酰亚胺（Polyetherimide，简称PEI）薄膜和超声焊接工艺连接了环氧树脂基CFRP板，并实现了23.6MPa的单搭接强度。

拉挤型材结构的节点形式多种多样，根据其构造要求可分为桁架节点、梁柱节点、柱脚节点等，不同的节点承受不同的荷载，如图5所示。桁架节点主要承受轴力，柱脚节点主要承受轴力和弯矩，梁柱节点主要承受剪力和弯矩。在各类节点中，梁柱节点受力复杂，破坏模式多样，得到了研究人员的关注，进行了大量研究。本工作对梁柱节点进行了全面的综述，并将现有的梁柱节点根据其结构形式分为三种类型：直接连接、连接板连接和套筒连接。

直接连接是拉挤型材最简单和最广泛使用的方法，其载荷直接通过螺栓或胶层在连接处传递，其主要的构造形式是对各构件进行简单的搭接形成连接面，进而对不同构件进行连接。该连接形式能够参考钢结构的节点进行拉挤型材的节点设计，但由于FRP的特性也容易发生与钢结构完全不同的节点破坏模式。

冯鹏等综合使用胶粘连接和钢螺栓连接，提出了槽型材与方管背靠背的直接连接方式，通过试验验证了该节点的三阶段破坏过程：弹性阶段、准塑性阶段、软化阶段。该连接形式成功应用于桁架桥及框架式冷却塔之中，具有较好的工程应用价值。Zarafi等提出了裁切方管和方管的直接连接方式，并进行了相关试验，将其成功应用于门式刚架结构之中。Ascione等提出了直接胶粘连接的节点构造，其试验表现出显著的线弹性行为，破坏发生突然且荷载急剧下降。

目前而言，很少结构仅使用胶粘剂进行节点连接，这主要是因为胶粘连接失效模式复杂、缺乏可靠的预测模型和设计方法、容易受环境影响等。整体上，直接螺栓连接需要注意节点处的构件搭接问题，是一种简单便捷、效率较高的连接方式，其能够为结构提供一定的承载能力，多螺栓连接的渐进式破坏也能实现伪延性破坏，配合使用胶粘剂能够显著提高连接的刚度。但该连接方式需要在构件上进行钻孔，客观上削弱了构件并引起了应力集中，对各向异性的拉挤型材造成复杂的受力状态和多样的破坏模式。

表1 直接连接的构造形式、力学性能和破坏模式

使用连接板的螺栓连接也是拉挤型材构件广泛应用的连接形式之一，相比直接螺栓或胶粘连接，其无需注意连接处的构件搭接问题，而是使用一个连接板进行荷载传递，能够适用于不同构件之间复杂节点的连接。该连接形式主要参考了钢结构使用连接板的连接形式。

从1980年至今，许多研究人员提出了各种各样的基于连接板的连接形式，如角件连接、加肋角件连接、T型件连接、三角管件连接、组合式角件连接、板件连接等，得到了各种各样的力学性能。但整体上，该连接形式容易出现连接件的破坏和螺栓处破坏，整体的力学性能表现一般。

综合来说，使用连接件进行节点设计的主要灵感来源于钢结构，是研究较多、应用较广的连接形式之一，而由于拉挤型材本身的各向异性与准脆性等特点，其破坏模式与钢结构有较大区别，这也意味着应该结合拉挤型材的材料特点对其连接进行设计。

表2 连接板连接的构造形式、力学性能和破坏模式

套筒连接是指使用封闭的套筒对拉挤型材进行连接的一种连接方法，其特点在于能够避免FRP梁柱的局部参与受力而发生翼缘或腹板局部破坏，而通过结构构造让更多部分的材料参与整体受力，进而提供更大的连接刚度与强度。

Smith、Singamsethi等和Carrion等使用复合材料铺层制作FRP套筒，进行拉挤型材的连接，得到了较好的力学性能，并罕见地出现了拉挤型材梁受压区的破坏。但该制作工艺繁琐，难以广泛应用于实际工程。为此，吴超等、Martins等和Ascione等提出了装配式的钢套筒连接方案，并取得了良好的效果。由于套筒形式差异较大，在试验中也出现了各种各样的破坏模式，其设计方法依旧有待深入研究。

综合来说，套筒连接能够让更多的材料参与受力，很好地避免了拉挤型材局部受力的问题，能够较好地避免过早的局部破坏，进而实现更大的刚度与强度，许多试验和工程应用都验证了这一点。但套筒连接普遍存在一些问题，一方面需要结合具体型材定制而难以大批量生产，装配式的节点也难以组装和维护，另一方面大部分研究使用钢套筒和螺栓连接，这会使得模量较低的拉挤型材与钢套筒接触位置产生较大的应力集中。

表3 套筒连接的构造形式、力学性能和破坏模式

节点是结构的重要组成部分之一，但是目前缺乏对连接节点的综合评价方法。已有文献对节点提出了各种要求，本研究整合已有研究，提出了五个关键指标：强度效率、重量效率、空间利用率、节点刚度和经济成本。由于一些文献中缺失部分基本材性数据，为了便于统计，拉挤型材的密度取为1900kg/m3，钢材的密度取为7850kg/m3。拉挤型材的纵向模量取为23GPa，纵向强度为300MPa。若部分数据缺失较多，则不进行计算分析。

式中，α_L是强度效率，L_j是连接的极限荷载，L_c是被连接基材的破坏荷载，此处指FRP梁受弯的破坏荷载，α_w是重量效率，W_c是被连接基材的重量，W_j是节点的重量，α_V是空间利用率，V_c是被连接基材的体积，V_j是节点的体积，α_K是节点刚度，K_ini是连接的初始转动刚度，L_b和EI_b是FRP梁的跨度（取为1m）和抗弯刚度，α_c是经济成本，C_i是第i种材料的经济成本，A_b是被连接梁构件的截面积。

基于上述统计分析，可以发现：直接连接在空间利用率、重量效率和材料成本方面表现良好，但强度效率和节点刚度较低；连接板连接，有充足的研究数据支持，展现出良好的重量效率，但节点刚度低；套筒连接在强度效率和节点刚度方面表现优异，但重量效率较低。

表4 不同连接方式的评估结果

拉挤型材梁柱节点的强度和刚度是广受关注的两大指标，在此进行更深入的讨论。参考欧洲标准对于钢结构节点的分类方法，对已有文献中的节点进行分类，结果如下所示。可以发现，大部分梁柱节点属于铰接节点或半刚性节点，且强度利用率较低。

另一方面，考虑半刚性节点的贡献有利于拉挤型材结构的设计。考虑半刚性节点的均布荷载梁，其最大挠度相比简支铰接梁能够减少29%~80%，最大弯矩也能够减少13%~50%。

本研究回顾了拉挤型材连接和节点的发展与力学性能，特别关注拉挤型材的板板连接和梁柱节点。通过文献综述和数据分析，得出以下结论：

• 板板连接：总结了板板连接的特点、破坏模式及研究前景，主要包括螺栓连接、胶粘连接、胶栓混合连接和一些新型连接方式。螺栓连接是土木工程中应用最广泛、研究最深入的连接方式，但板材螺栓孔的局部破坏往往导致材料强度利用率有限，有待进一步改进。其他新型的连接方式，如带金属嵌入件或扩孔增强的螺栓连接以及热塑性焊接方法，在许多方面都具有相当大的发展潜力；

• 梁柱节点：总结了梁柱节点的连接方法，包括直接连接、连接板连接、套筒连接。分析了各种节点的结构构造、受力性能和破坏模式，建立了包含近200个试验数据的梁柱节点数据库；

• 性能评价方法：提出了强度效率、重量效率、节点刚度、空间利用率和材料成本的五大评价指标。对近200个梁柱节点进行了数据分析，定量地说明了各种节点的综合性能。直接连接具有最小的体积和重量，连接板连接具有中等的性能，套筒连接具有最大的强度和刚度；现有的大多数梁柱节点在屈服前为半刚接节点，屈服后为铰接节点，破坏时的强度利用率较低。此外，本研究还说明了半刚接节点梁在典型荷载条件下的受力特点；

• 现有设计方法：现行标准对拉挤型材梁柱节点的设计方法缺乏，仅欧洲标准对连接件连接提出了一些建议。节点设计方法有待进一步完善。

本文对近三十年来拉挤型材梁柱节点的研究进行了综述，并对今后的研究方向进行了展望。未来，需要进一步推进高性能连接方法、节点评价方法和节点设计方法的研究。

论文详细信息：

Tang, J., Feng, P., & Wang, Q. (2025). Beam-column joints of FRP pultruded profiles: state-of-the-art review, performance evaluation, and design method. Composite Structures, 370, 119250.