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user: 3. 结果与分析 3.1. 胶接接头拉伸胶合强度的结果与分析 将荆条试样在试验机上以1 mm/min的拉伸速度进行拉伸试验，测得对接接头、搭接接头、嵌接接头、交错对接接头及斜接接头的最大拉伸载荷，据此计算各接头的拉伸胶合强度(见表1)。 对接接头、搭接接头、斜接接头的拉伸胶合强度直接运用材料力学理论 [ 14 ] 计算。交错对接、嵌接接头则利用截面法 [ 14 ] 分析得出，首先在对接截面达到正应力临界值而开裂，此后搭接部位继续承载直至破坏，因此拉伸胶合强度均为搭接切应力。 由表1看出：搭接接头、交错对接接头、嵌接接头、斜接接头承受的最大拉伸载荷依次为1.226 kN、1.30 kN、1.422 kN、1.568 kN，这4种接头的破坏应力主要为胶合切应力，对接接头承受的最大拉伸载荷仅0.418 KN，破坏应力为正应力。胶接接头该拉伸试验结果表明：1) 接头胶接层承受剪切应力时的胶合强度远高于对接接头的正拉强度；2) 嵌接、交错对接接头的对接部分会先开裂、主要靠搭接部分承受荷载直至破坏，与利用截面法分析接头受力的理论结论是一致的，因此接头设计要尽量使其承受切应力；3) 斜接接头的应力有垂直于胶合面的正应力和平行于胶合面的切应力两种。这两种应力都随斜面夹角α的减小而减小，因此，设计斜接时，应使夹角α尽量小，此时胶合面上的应力小，同时，当α < 45˚时，剪应力大于拉应力，因此本研究取α = 10˚~14˚，对提高胶接强度有力；4) 由于搭接接头、交错对接接头、嵌接接头、斜接接头四种接头的破坏应力主要为胶合切应力，最大拉伸载荷实测值近似，且直径相近、搭接长度相同，因此该四种接头的拉伸胶合强度(最大拉伸载荷除以搭接面积)基本相同。同时需指出，由于斜接接头的斜截面上既有正应力、又有切应力，并且切应力方向沿斜截面方向，与嵌接、交错对接等接头的剪应力方向(沿施力方向)不同，因此斜接接头的拉伸胶接强度与嵌接、交错对接等接头不具有可比性，即应力数值不能作为比较接头拉伸胶接强度的指标。 Table 1 Mean value of tensile property index of bonding join 接头类型/joint type 测试指标/testing index 对接接头 Butt joint 搭接接头 Lap joint 交错对接接头 Staggered butt joint 嵌接接头 Rabbet joint 斜接接头 Scarf joint 平均直径 Mean diameter/mm 10.695 10.115 10.538 10.864 10.085 最大拉伸载荷 Maximum tensile load/KN 0.418 1.226 1.3 1.422 1.568 破坏应力 Breaking stress 正应力 direct stress 切应力 shear stress 切应力 shear stress 切应力 shear stress 正应力/切应力 direct/shear stress 拉伸胶合强度 Tensile bonding strength/Mpa 4.66 6.04 6.14 6.51 0.83/3.98 表1. 胶接接头拉伸性能指标均值汇总 3.2. 胶接接头扭转强度及切变模量的结果与分析 将直径相近的荆条试样在扭转试验机上分别以10˚/min，60˚/min的扭转速度测得嵌接接头、交错对接接头、斜接接头的最大扭矩和扭转角(标距为100 mm)，依据材料力学理论 [ 14 ] 计算各种接头的扭转胶合强度和切变模量，测试结果见表2。 由荆条不同接头的扭转性能指标测试结果表明：斜接接头、交错对接接头、嵌接接头的扭转胶合强度分别为11.611 MPa、11.563 MPa、10.130 mPa；斜接接头、交错对接接头、嵌接接头的切变模量分别为1.210 GPa、1.305 GPa、1.078 GPa。说明三接头的扭转胶合强度基本相同，切变模量基本相同。这是由于三种接头的实测最大扭矩近似，扭转强度、切变模量均与最大扭矩成正比，因此直径相近情况下三种接头的扭转强度、切变模量基本相同；并且扭转受力时荆条试样横截面上的应力分布是圆形截面的外边缘上距圆心最远的点应力最大，且三种接头圆截面的外边缘均有胶缝，因此外边缘胶缝首先开裂、导致试样破坏，说明作为扭转构件使用时宜选较细的荆条，其接头外缘产生的应力小，不易开裂，对提高扭转强度有利。 有接头的荆条试件与无接头试样比较：无接头试样的扭转胶合强度为26.49 MPa [ 15 ]，明显高于有接头的试样；而无接头试样的切变模量为1.068 GPa，与有接头试样的切变模量基本相同。说明接头仅降低扭转胶合强度，而对扭转变形没有影响。 Table 2 Mean value of torsion property index of bonding join 接头类型 测试指标 交错对接接头 Staggered butt joint 嵌接接头 Rabbet joint 斜接接头 Scarf joint 无胶接接头 [ 16 ] Non junction 平均直径 Mean diameter/mm 9.976 10.212 10.269 9.369 平均最大扭矩 Mean values of maximum torque/N·m 2.242 2.031 2.433 4.274 扭转强度 Torsional strength/MPa 11.563 10.130 11.611 26.49 切变模量 Shear modulus/GPa 1.305 1.078 1.210 1.068 表2. 胶接接头扭转性能指标均值汇总 注：无胶接扭转性能指标引见参考文献 [ 15 ]。 3.3. 胶接接头弯曲胶合强度及弹性模量的结果与分析 3.3.1. 胶接接头弯曲断裂点与破坏应力分析 依据荆条胶合接头试验时的视频和现场观察断裂情况得知，三种接头承受弯曲荷载时，断裂点D总是出现在接头胶合的薄弱部位：斜接接头断裂点是近似椭圆胶合面的长轴端点；交错对接接头断裂点是对接半圆胶合面的顶点；嵌接接头断裂点是外侧对接圆弧胶合面的顶点；如表3所示。 由表3看出，沿方向一加载，即沿试样长度方向的胶接面放置成水平面或与水平方向成倾斜面，并施加与水平胶接面垂直的荷载，此时以中轴线为界，上部胶缝受压、下部胶缝受拉，断裂点均出现在试样下边缘，从接头下边缘断裂可以判定胶接接头的破坏应力为弯曲正应力，弯曲正应力沿横截面高度的分布是试样横截面胶缝下边缘点的正应力最大，其应力值超过了胶缝临界值，导致下边缘胶合薄弱点开裂，接着裂缝逐渐加速扩展，最终瞬时扩展至全截面，导致试样破坏，因此试验断裂点与弯曲正应力理论最大值是吻合的；试样失效类型主要为混合失效，由表3可看出：荆条接头承受表3图示弯曲载荷(方向一)时多沿胶层与界面下边缘开裂(交错对接接头、斜接接头)，或是下边缘开裂后试样弯曲相互挤压导致试样沿纹理开裂失效(斜接接头、嵌接接头)。方向二加载，即沿试样长度方向的胶接面放置成铅直面或与铅直方向成倾斜面，并施加与铅直胶接面平行的荷载，此时胶合面主要承受剪力，因此破坏应力均为弯曲切应力，弯曲切应力沿横截面高度的分布是中性轴处最大，与实测断裂点一致；试样失效类型仍为混合失效，荆条接头承受表3图示弯曲载荷(方向二)时在中轴附近出现水平向裂纹(交错对接接头、斜接接头)，或因受力接头薄弱处相互挤压出现剥皮现象甚至整体断裂(嵌接接头、交错对接接头)。因此三种接头的弯曲胶合强度，沿不同方向加载破坏应力有别。 Table 3 Break point and failure condition of three types of bonding join 接头类型 Joint type 交错对接接头 Staggered butt joint 斜接接头 Scarf joint 嵌接接头 Rabbet joint 方向一 Direction 1 加载图示 Loading graphics 断裂点D Break points D 破坏试样 Break samples 失效类型 Type of failure 混合失效 方向二 Direction 1 加载图示 Loading graphics 断裂点D Break points D 方向二 Direction 1 破坏试样 Break samples 失效类型 Type of failure 混合失效 表3. 三种接头断裂点与失效情况 3.3.2. 胶接接头的弯曲胶合强度及弹性模量的结果与分析 将直径为10 mm左右的荆条斜接接头试样，在试验机上以2 mm/min的加载速度、跨距180 mm、沿2个方向进行弯曲试验，测得胶接接头承受的最大荷载，依据试验标准 [ 13 ] 计算接头的抗弯弹性模量；按照材料力学理论 [ 14 ] 计算方向一加载的弯曲胶合正应力；方向二加载，根据三种接头胶合面形状以及力学理论推导得出，中性轴处胶合切应力计算公式分别为： 斜接接头 τ max = 8 Q max 3 A 交错对接接头 τ max = 2 Q max A ⋅ l 1 + 2 3 d l 1 + d 嵌接接头 τ max = 2 Q max A ⋅ l 3 + 2 3 d l 3 + d 式中：t 胶 ——胶合缝的弯曲剪切力(MPa)；Q max ——胶接试样断裂时的剪力(N)；A——试样圆形截面面积(mm 2 )；嵌接接头总长度 l 3 = l 1 + 2 l 0 ，l 0 ——嵌接长度(m)取5 mm，l 1 ——搭接长度(mm)。 荆条胶接接头的弯曲胶合强度及弹性模量测试结果汇总见表4。由表4看出：沿方向一加载，斜接接头、嵌接接头、交错对接接头的弯曲胶合正应力分别为72.77 MPa、52.97 MPa、38.97 MPa。沿方向二加载，斜接接头、嵌接接头、交错对接接头的弯曲胶合切应力分别为6.31 MPa、3.56 MPa、1.72 MPa。接头弯曲胶合强度结果表明：由于最大弯曲载荷均是斜接接头 > 嵌接接头 > 交错对接接头，弯曲胶合强度均与最大弯曲载荷成正比，因此斜接接头的弯曲胶合强度最好。而相同接头不同加载方向的最大弯曲载荷均是方向二 > 方向一，说明木质弯曲胶接接头的破坏主要是正应力所致，因此使用中尽量使接头按方向二的位置放置，以提高接头的承载力。 Table 4 Mean value of bending property index of bonding join 接头类型 Joint type 平均直径Mean diameter/mm 平均最大载荷 Mean value of maximum load/KN 破坏应力 Breaking stress 弯曲(胶合)强度 Flexural bonding strength/MPa 断裂点D Break points D 平均弹模 Mean value of modulus/GPa 错对接接头 Staggered butt joint 方向一 Direction 1 10.51 0.10 正应力 38.97 5.61 方向二 Direction 2 9.94 0.15 切应力 1.72 8.45 斜接接头 Scarf joint 方向一 Direction 1 10.65 0.27 正应力 72.77 20.14 方向二 Direction 2 10.88 0.44 切应力 6.31 13.53 嵌接接头 Rabbet joint 方向一 Direction 1 11.71 0.18 正应力 52.97 7.99 方向二 Direction 2 11.22 0.38 切应力 3.56 11.26 无胶接接头 [ 17 ] Non junction 9.25 21.90 正应力 169.41 14.51 表4. 胶接接头弯曲性能指标均值汇总 注：无胶合接头的数据引自参考文献 [ 15 ]。 根据三种接头的抗弯弹性模量结果表明：沿方向一加载，斜接接头、嵌接接头、交错对接接头的弹性模量分别为20.14 GPa、7.99 GPa、5.61 GPa。沿方向二加载，斜接接头、嵌接接头、交错对接接头的弹性模量分别为13.53 GPa、11.26 GPa、8.45 GPa。因此三种接头中，斜接接头的弹性模量最好。 将三种接头试样与无接头试样进行比较：无接头试样的抗弯强度是正应力169.41 MPa，明显高于有接头试样的正应力；而无接头试样的弹性模量为14.51 GPa，高于嵌接接头、交错对接接头，与斜接接头的弹性模量没有明显差异，说明斜接接头仅降低弯曲胶合强度，而对弯曲变形没有影响。