纖維增強複合片材與混凝土粘結強度的梁式試驗裝置的製作方法

2023-12-02 19:02:41

專利名稱：纖維增強複合片材與混凝土粘結強度的梁式試驗裝置的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及的是一種測試纖維增強複合片材與混凝土粘結性能的試驗裝置， 屬於材料性能測試技術。主要用於建築、橋梁、水利和交通等領域。
背景技術：
FRP(纖維增強塑料)複合材料具有強度高、重量輕、耐腐蝕、耐疲勞以及施工便捷 等優點，在土木工程領域中得到了廣泛的應用。通過FRP複合材料外貼法可以對混凝土結 構進行抗彎、抗剪承載力和抗震加固等，其加固效果的一個主要決定因素就是FRP與混凝 土之間的粘結性能。試驗研究發現，FRP剝離破壞是FRP加固混凝土梁中較為常見的破壞 模式，但是引起FRP剝離破壞的原因各不相同，破壞機理和影響因素較為複雜。為此，國內 外許多專家針對FRP加固混凝土梁的各種破壞模式進行了大量的理論和試驗研究。對於FRP加固混凝土受彎構件，FRP剝離破壞主要有兩種不同的形態(圖1)。一 種是梁端部的FRP剝離破壞，這種破壞主要是由於混凝土與FRP在其端部應力不連續所產 生的應力集中所引起的，國內外許多學者在這方面做了較多的試驗和理論研究工作。另外 一種是混凝土梁中的跨間裂縫引起的FRP與混凝土剝離破壞。試驗研究表明，FRP加固混 凝土梁的跨間剝離破壞也有兩種形式，一是跨中彎曲裂縫引起的FRP剝離破壞，另一種是 跨間彎剪裂縫引起的FRP剝離破壞。這兩種破壞模式的主要區別在於彎曲和彎剪裂縫的形 態和開展對FRP剝離破壞的機理不同。對於彎曲裂縫引起的FRP的剝離破壞，由於裂縫的 底端基本垂直於梁的底面，裂縫的兩邊沒有相對豎向位移，FRP的剝離破壞主要是由於裂縫 的開展所引起的剪應力超出了混凝土的強度所導致的。針對這種形式的破壞機理，國內外 許多學者採用單剪試驗、雙剪試驗，並提出了許多的理論模型，但是這些提出的理論模型並 不能直接應用到梁的加固設計中，尚需要經驗參數予以修正。對於彎剪裂縫引起的FRP剝 離破壞，由於裂縫在開展的過程，其兩邊同時具有豎向相對位移和水平相對位移，在裂縫一 側的混凝土界面產生正(拉)應力和剪應力，使得FRP在較低的應力水平下發生剝離破壞。 這種破壞實際是一種MixedMode模式的破壞形態，目前國內外學者對這種破壞模式的試驗 研究還不完善，還沒有可靠的理論模型來計算mixed mode下FRP與混凝土的粘結強度。同時，在橋梁結構和工業廠房中，FRP加固構件往往經受成千上萬次的循環荷載， 要分析FRP加固梁的疲勞壽命，就需要首先弄清循環荷載下FRP與混凝土的粘結性能。採 用傳統的單剪或者雙剪試驗很難準確模擬FRP與混凝土在混合模式斷裂模式以及在循環 荷載下的剝離破壞過程。其主要原因(1)在模擬混合模式下FRP與混凝土的剝離破壞時， 單剪或者雙剪試驗很難設定FRP片材在平面外的偏移量；(2)採用單剪或者雙剪試驗進行 循環荷載或者靜載下FRP與混凝土粘結性能試驗時，FRP片材受拉端在液壓夾頭處很容易 發生滑移，導致試驗失敗。上述缺點嚴重限制單剪或者雙剪試驗在FRP與混凝土粘結性能試驗中的廣泛應 用。因此，研製適用於研究FRP與混凝土在不同斷裂模式下(剪切模式或者混合模式)、不 同荷載模式下(靜載或者循環荷載)的粘結性能的試驗裝置具有重要的應用價值，對於FRP加固混凝土結構的試驗研究提供了科學的試驗儀器，具有廣闊的應用前景。
實用新型內容技術問題本實用新型的目的在於針對單剪或者雙剪試驗測試FRP與混凝土粘結 性能的測試技術中存在的缺陷和不足，提供一種能夠準確設定混合模式下偏心距並能實現 循環荷載施加的高精度梁式試驗裝置，適用於研究FRP與混凝土在不同斷裂模式下、不同 荷載模式下的粘結性能。技術方案一種纖維增強複合片材與混凝土粘結強度的梁式試驗裝置，包括前 壓杆高度調節器、後壓杆高度調節器、壓杆、分配梁及鋼梁，分配梁位於鋼梁的上方，前壓杆 高度調節器及後壓杆高度調節器位於鋼梁的側面，在鋼梁上連接有前、後組合構件，所述的 前、後組合構件為鉸接件，在鉸接件上設有鉸接孔，在鉸接孔內設有鉸接杆，前壓杆高度調 節器及後壓杆高度調節器採用高度調節器，所述高度調節器包括底座，在底座上設有壓杆 孔和連接孔，在連接孔內設有連接螺釘，在底座上還設有上支架和下支架，在上支架上設有 壓緊螺栓，在下支架上設有調節螺栓，所述壓杆孔位於上支架與下支架之間，所述壓杆以插 入的方式設在前、後壓杆高度調節器的壓杆孔中且所述壓杆位於壓緊螺栓與調節螺栓之 間，所述前壓杆高度調節器、後壓杆高度調節器及前、後組合構件位於鋼梁的同側。在鋼梁 上連接有固定連扳，在固定連扳上設有固定螺釘；在鋼梁的下方設有壓緊鋼板且壓緊鋼板 通過螺釘與鋼梁連接。與現有技術相比，本實用新型具有如下優點1.單剪試驗中偏心問題的解決傳統單剪試驗時，所施加的拉力與FRP板很難精確控制在同一平面內，原因有 (1)混凝土試件中用於黏結FRP的表面的平整度難以保證，可能存在傾斜；(2)夾持FRP板 時，液壓夾頭懸於試件上方，採用吊錘將液壓夾頭中縫與試件粘結界面對正，試驗者的操作 熟練程度將直接影響對正情況；(3)為防止FRP板滑移，在FRP板加載端夾持處放置兩塊鋁 板，鋁板厚度的偏差將導致所施拉力與試件粘結界面不在同一平面內。為了保證所施加的拉力為軸心拉伸荷載，本實用新型採用高度調節器，通過調節 螺栓使得壓杆與FRP板相切，從而消除初始幾何偏心。在試驗過程中，FRP片材緊貼壓杆， 在壓杆處形成鉸，從而保證FRP板承受的是軸心拉伸荷載。2.準確設定混合模式下偏心距的問題的解決準確設定混合模式下的偏心距一直是困擾試驗研究者的難點，本實用新型採用高 度調節器，通過調節螺栓上下移動壓杆使得FRP板與混凝土粘結界面存在一定初始幾何偏 心。在試驗過程中，FRP片材緊貼壓杆外側，在壓杆處形成鉸，從而保證FRP板承受的是軸 心拉伸荷載且始終保持既定偏心。3.現有技術中液壓夾頭中FRP板由於夾持不力而滑移問題的解決由於FRP板較薄，隨著施加荷載的增大，FRP板與液壓夾頭在夾持處容易產生滑 移。本實用新型從以下兩點解決該問題(1)將單剪試驗中的拉伸荷載轉化為作用在分配 梁上的豎向壓力荷載，無需液壓夾頭夾持FRP板；(2)採用環氧樹脂膠將纖維複合片材與鋼 梁相膠結，並加蓋壓緊鋼板從而徹底消除滑移現象。4.循環荷載施加困難的問題的解決[0017]在進行循環荷載下FRP與混凝土粘結性能的單剪試驗時，由於所施拉伸荷載與試 件重心不在同一直線上，多次循環後試件會產生側向偏離，從而使得作用在FRP板端的拉 力產生偏心，加快剝離破壞的發展速度。同時，在循環荷載的作用下，FRP板在液壓夾頭處 易產生滑移，如果夾頭夾得過緊甚至會造成夾頭區FRP板的局部破壞。本實用新型採用組 合梁裝置，通過分配梁施加循環荷載，有效解決試件重心偏移以及FRP板的滑移和局部破 壞的問題。5. FRP與組合梁有效黏貼問題的解決黏結FRP前首先組合混凝土梁試件和鋼梁，混凝土梁試件端部上側通過鉸接件與 鋼梁鉸接，混凝土梁試件端部下側通過固定連扳與鋼梁固結為整體並保證混凝土梁試件底 面與鋼梁底面在同一平面內，採用環氧樹脂膠粘結FRP片材，梁式試件豎直放置直至環氧 樹脂膠固化，從而保證FRP平整、平順地黏貼於界面上。6.梁式試驗裝置佔用體積小(150mmX150mmX 1010mm)，可利用MTS伺服液壓試驗 機進行不同斷裂模式下、不同荷載模式下FRP與混凝土粘結性能試驗研究，試驗操作簡便 易行。7.鋼梁設計原理清晰、構造簡單，採用不鏽鋼材料製作，可反覆利用。通過改變鋼梁的截面尺寸、分配梁的跨度可設計出多組梁式試驗裝置，適用範圍廣。

圖1是FRP加固混凝土梁中FRP剝離破壞示意圖，包括圖(a)、圖(b)、圖(c)，其 中，30是FRP片材，31是端部FRP剝離，32是跨間FRP剝離，33是彎曲裂縫，34是彎剪裂縫， 35是裂縫附近界面剪應力，36是界面正應力。圖2是本實用新型的結構示意圖。圖3是本實用新型的A-A剖視圖。圖4是混凝土梁試件示意圖。圖5是鋼梁結構示意圖。圖6是調節器結構示意圖。
具體實施方式
以下結合附圖對本實用新型作進一步說明一種纖維增強複合片材與混凝土粘結強度的梁式試驗裝置，包括前壓杆高度調 節器、後壓杆高度調節器、壓杆11、分配梁8、滾軸支座23及鋼梁2，分配梁8位於鋼梁2的 上方，滾軸支座23位於鋼梁2的下方，前壓杆高度調節器及後壓杆高度調節器位於鋼梁2 的側面，在鋼梁2上連接有前、後組合構件，所述的前、後組合構件為鉸接件3，在鉸接件3上 設有鉸接孔13，在鉸接孔13內設有鉸接杆14，前壓杆高度調節器及後壓杆高度調節器採用 高度調節器7，所述高度調節器7包括底座21，在底座21上設有壓杆孔19和連接孔17，在 連接孔17內設有連接螺釘18，在底座21上還設有上支架10和下支架20，在上支架10上 設有壓緊螺栓22，在下支架20上設有調節螺栓12，所述壓杆孔19位於上支架10與下支架 20之間，所述壓杆11以插入的方式設在前、後壓杆高度調節器的壓杆孔19中且所述壓杆 11位於壓緊螺栓22與調節螺栓12之間，所述前壓杆高度調節器、後壓杆高度調節器及前、後組合構件位於鋼梁2的同側。 在本實施例中，在鋼梁2上連接有固定連扳6，在固定連扳6上設有固定螺釘15 ； 在鋼梁2的下方設有壓緊鋼板5且壓緊鋼板5通過螺釘與鋼梁2連接。鋼梁由六塊外側鋼板以及兩塊橫隔板通過螺栓組裝而成，首先加工八塊鋼板，在 指定位置攻絲，將前後側板通過左右側板及兩塊橫隔板連接起來，然後採用螺釘固定上下 側板。加工鉸接件和固定連扳，並在指定位置攻絲，鉸接件左端通過鉸接孔、鉸接杆與混凝 土試件連接，右端通過三個螺釘與鋼梁連接；固定連扳左端通過兩個固定螺釘與混凝土試 件連接，右端通過兩個螺釘與鋼梁連接。對於壓杆高度調節器，首先預製鋼板並在指定位置 攻絲並預留壓杆孔，然後將支架焊接在鋼板上並安裝調節螺栓、壓緊螺栓，壓杆插入壓杆孔 以及混凝土試件預留豁口處，由調節螺栓調節偏心距並由壓緊螺栓卡緊。壓杆高度調節器 通過三個連接螺釘安裝在混凝土試件上。固定FRP板的壓緊鋼板按尺寸加工並在指定位置 攻絲即可，壓緊鋼板通過八個螺釘與鋼梁連接。本實用新型的不同斷裂模式下、不同荷載模式下FRP與混凝土粘結性能的組合梁 式試驗包括組合梁試件準備階段，安裝調試階段，試驗階段。現結合試驗裝置做詳細說明 (1)組合梁試件準備階段澆築混凝土梁試件(圖4)並養護至試驗所需齡期，取同配比的 六個混凝土梁試件作為一組。混凝土梁試件端部上側通過鉸接件與鋼梁鉸接，混凝土梁試 件端部下側通過固定連扳與鋼梁固結為整體並保證混凝土梁試件底面與鋼梁底面在同一 平面內，採用環氧樹脂膠在組合梁底側粘貼FRP片材，混凝土梁豁口處纖維複合片材不塗 環氧樹脂膠，保持纖維具有自由彎折性能。梁式試件豎直放置直至環氧樹脂膠固化，從而保 證FRP平整、平順地黏貼於界面上。然後在鋼梁底側加蓋壓緊鋼板擰緊八組螺釘保證FRP 板與鋼梁粘結牢固。沿著受拉方向在纖維複合片材的表面黏貼電子應變片。(2)安裝調試 階段在MTS伺服液壓試驗機加載端安裝分配梁，將組合梁試件安置於滾軸支座上，調整好 組合梁與分配梁的位置後拆除固定連扳。在混凝土梁試件上安裝前、後壓杆高度調節器，將 壓杆插入壓杆孔，過調節螺栓調節壓杆，當壓杆調至所需偏心時採用壓緊螺栓固定住壓杆 的位置(圖3)。將電子應變片連接至應變採集儀兵調試儀器。(3)試驗階段通過分配梁 對組合梁施加荷載，使用MTS伺服液壓試驗機內置傳感器實時監控並記錄荷載與位移，使 用應變採集儀記錄電子應變片全程應變。
權利要求一種纖維增強複合片材與混凝土粘結強度的梁式試驗裝置，其特徵在於，包括前壓杆高度調節器、後壓杆高度調節器、壓杆(11)、分配梁(8)及鋼梁(2)，分配梁(8)位於鋼梁(2)的上方，前壓杆高度調節器及後壓杆高度調節器位於鋼梁(2)的側面，在鋼梁(2)上連接有前、後組合構件，所述的前、後組合構件為鉸接件(3)，在鉸接件(3)上設有鉸接孔(13)，在鉸接孔(13)內設有鉸接杆(14)，前壓杆高度調節器及後壓杆高度調節器採用高度調節器(7)，所述高度調節器(7)包括底座(21)，在底座(21)上設有壓杆孔(19)和連接孔(17)，在連接孔(17)內設有連接螺釘(18)，在底座(21)上還設有上支架(10)和下支架(20)，在上支架(10)上設有壓緊螺栓(22)，在下支架(20)上設有調節螺栓(12)，所述壓杆孔(19)位於上支架(10)與下支架(20)之間，所述壓杆(11)以插入的方式設在前、後壓杆高度調節器的壓杆孔(19)中且所述壓杆(11)位於壓緊螺栓(22)與調節螺栓(12)之間，所述前壓杆高度調節器、後壓杆高度調節器及前、後組合構件位於鋼梁(2)的同側。
2.根據權利要求1所述的纖維增強複合片材與混凝土粘結強度的梁式試驗裝置，其特 徵在於，在鋼梁(2)上連接有固定連扳(6)，在固定連扳(6)上設有固定螺釘(15)。
3.根據權利要求1所述的纖維增強複合片材與混凝土粘結強度的梁式試驗裝置，其特 徵在於，在鋼梁⑵的下方設有壓緊鋼板(5)且壓緊鋼板(5)通過螺釘與鋼梁(2)連接。
專利摘要纖維增強複合片材與混凝土粘結強度的梁式試驗裝置，包括前壓杆高度調節器、後壓杆高度調節器、壓杆、分配梁及鋼梁，分配梁位於鋼梁的上方，前、後壓杆高度調節器位於鋼梁的側面，在鋼梁上連接一對鉸接件，鉸接件上設有鉸接孔，鉸接孔內設有鉸接杆，前、後壓杆高度調節器採用高度調節器，高度調節器包括設有連接孔和壓杆孔的底座，連接孔內設有連接螺釘，底座上還設有上支架和下支架，上支架中設有壓緊螺栓，下支架中設有調節螺栓，壓杆孔位於上支架與下支架之間，所述壓杆插入前、後壓杆高度調節器的壓杆孔中且位於壓緊螺栓與調節螺栓之間，所述前壓杆高度調節器、後壓杆高度調節器及一對鉸接件位於鋼梁的同側。
文檔編號G01N19/04GK201637656SQ20102016398
公開日2010年11月17日 申請日期2010年4月20日 優先權日2010年4月20日
發明者周甲佳, 梁堅凝, 潘金龍, 羅敏 申請人:東南大學