专利名称：测试frp筋应力松弛特性时试件端部加强锚夹的方法
技术领域：
本发明属于复合材料结构及力学性能测试领域，涉及一种试件端部加强锚夹的方法。
背景技术：
传统的钢筋混凝土结构在使用过程中会出现裂纹或微裂纹，当遭遇海水或含盐的雪水(为化雪而撒盐形成含盐雪水)或含腐蚀性的气液时会使钢筋锈蚀，从而导致结构承载能力的下降或完全丧失；在周围存在高频电磁场时，钢筋会由于偶流效应产生热量，导致热应力而使混凝土开裂破坏；广泛应用于水利水电工程、深基础、地下结构、边坡稳定、矿井巷道支护等等中的钢锚杆可能由于与地下水和地层的化学成分相互作用而腐蚀，严重影响锚杆的使用寿命；另外钢锚杆重量大，制造、运输和安装困难，且对需要回采的矿井巷道钢锚杆易损坏刀具。
针对钢筋或钢锚杆存在的这些缺点，为提高工程结构的耐久性，降低结构的全寿命成本，工程师和科学家已进行了很多探索，譬如采用不锈钢钢筋或涂敷环氧树脂钢筋代替传统的钢筋等等， 一定程度上解决了一些问题，但仍未能彻底解决问题。由于纤维增强聚合物(FiberReinforced Polymer,以下简记为FRP)具备材料性能的可设计性、比强度高、耐腐蚀、不导电、不导磁、易于切割等优越性能，因此用其制作的筋材和锚杆成为较彻底地解决上述问题的一条有效途径；但FRP属于脆性材料，且各向异性，不同纤维增强时其模量差别也较大，FRP筋及锚杆与混凝土、 土体或岩体的锚固性能也不同于钢筋及钢锚杆，要将其应用到实际工程中去有一系列基础性的问题和应用层面的问题需要研究。
FRP筋由于其强度较高而常作为预应力筋使用，FRP锚杆应用中也是施加预应力的，因此了解其应力松弛特性是应用FRP筋(锚杆)的一项基础性工作，相应地建立一套有效测试其应力松弛特性的测试方法就显得十分必要和有意义了。
文献中有关FRP筋应力松弛特性测试的试件端部的夹持及加强方式没有成熟的方案，采用夹片式锚具，很难消除锚具的滑移，若企图根据引伸计的指示通过不断补偿进行修正，势必引入系统误差，且多次补偿常引起试件的提前破坏；采用胶接型锚具，很难消除胶粘剂的蠕变影响，且对试验机的适应性差；因此发展一种新的、更有效的试件制备方法就显得十分必要了。
发明内容
本发明的目的在于提供一种测试FRP筋应力松弛特性时试件端部加强锚夹的方法，其在试件端部引入了梯度过渡段，以消除在靠近自由段的夹持端部附近区域存在的明显的应力集中，同时加强段设有外螺纹，与含有内螺纹的夹具配合固定，其是一种消除或显著减小FRP筋在进行应力松弛试验时在试件的端部锚夹区域发生的滑移和蠕变等影响测试结果的诸因素的有效方法，也可作为一种测试FRP筋拉伸性能的试件端部加强的方法，其优点是金属夹板可重复使用。
为达到以上目的，本发明所采用的解决方案是
一种测试FRP筋试件时端部加强锚夹的方法，其通过在试件端部的加强段设置一段梯度过渡段，以消除该处的应力集中，且过渡段设置外螺纹，其与含有内螺纹的夹具的螺纹相配合以消除端部锚夹区域的滑移和蠕变。
进一步，其通过在试件端部缠绕一段浸渍了树脂的实现梯度过渡的纤维布，在树脂固化前接着用细的绳束按预定的螺距在缠绕玻璃布的区段绕出一条外螺纹，外螺纹与夹具的内螺纹相匹配。
该夹具为金属夹板，预制的、涂有脱模剂的两块金属夹板扣合到缠出的螺纹上，通过涂覆了脱模剂的销钉及螺栓定位、锁紧。
该纤维布的形状为上宽下窄的梯形状，上部的宽度是基准长度加过渡段长度，下部的宽度取基准长度，纤维布的长度与宽度根据试件的直径及夹具的长度、内螺纹的直径、双向纤维布的厚度计算，布的长度能够保证缠绕于试件后的外径比夹具内螺纹的直径大2~3mm为宜。
该纤 维布为玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维、玄武岩纤维布。
该金属夹板采用铝合金，其上内螺纹螺距为4 5mm。
由于采用了上述方案，本发明具有以下特点本发明的端部加强锚夹方法，其可应用于FRP筋的应力松弛试验，解决了端部锚夹区域发生的滑移和蠕变等影响测试结果的问题；其也可应用于FRP筋拉伸性能试验，且所用夹具可重复利用。
图1为本发明实施例试件端部加强锚夹方式示意图。图2为图1中A-A剖面线的剖视图。图3为纤维布形状示意图。
图4为采用本发明加工的试件进行松弛试验时的示意图。
具体实施例方式
以下结合附图所示实施例对本发明作进一步的说明。
若在试件的端部直接利用夹片式锚具锚夹，不管预先在试件的端部采用缠绕纤维布加强还是套一层软金属来加强，均无法避免夹片与锚杯之间以及夹片与夹持部位的筋材之间的相对滑移，从而使试验段的变形无法恒定，依此测试的应力松弛数据不能真实反映FRP筋材的应力松弛特性，且由于FRP筋材抗挤压能力较差，在锚夹部位还容易造成挤压破坏，使试验失效；端部若采用胶接型锚具，通常需要较长的胶接段，而胶粘剂的蠕变较大，势必也将端部的位移量引入到了试验中，影响试验段的变形恒定，使试验结果变得不再可靠。
为此提出了一种全新的进行松弛试件端部加强及锚夹的方法，并应用了发明人先前提出的发明专利《FRP筋/锚杆拉伸性能测试中加强试件端部的方法》(申请号200810201342.4)的部分内容，端部加强采用了梯度过渡段，以避免端部出现明显的应力集中。
本发明通过采用新的端部加强及锚夹方法，实现了松弛试验时端部近似为零的滑移，蠕变的影响也限制在了金属夹块及试验机系统的蠕变的影响范围内，通常由于金属件应力水平较低，其蠕变的影响可忽略不计。这样一来，进行应力松弛试验时，当加至相应应力水平后试验段的变形总量可保持恒定，使试验可顺利开展。另外，由于同时釆用了过渡段，避免了由于筋材在端部加强位置处截面的突变而引起的应力集中，从而本发明的加强锚夹系统还可应用于FRP筋的拉伸性能的测试。
端部加强及锚夹的方法如下在试件筋材1的两端分别缠绕一段浸渍了树脂的可实现梯度过渡的纤维布2 (可以是玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维、玄武岩纤维布等)，在树脂固化前接着用细的绳束按预定的螺距在缠绕玻璃布的区段绕出一条外螺纹21，要求该螺纹21与带内螺纹31的金属夹板3的螺纹31相匹配，随即将预制好的、涂了脱模剂的两块金属夹板3扣合到缠出的螺纹21上，并用预先备好的、同样涂覆了脱模剂的销钉及螺栓4将两块金属夹板3定位、锁紧，待两端均处理完毕并在室温下固化后可考虑进一步置于烘箱中进行后处理U0。C， 2小时)，至此试件l加工基本结束。随后视试验机的情况可拆开一端的金属夹板3，也可将两端的夹板3全部拆开并做适当处理，待试件1在试验机上夹持时再重新通过螺栓4将夹板3紧固，使螺栓4处于一定的预紧力的作用下，紧紧地使金属夹板3与复合材料的螺纹段咬合在一起。
如图l-图2所示，试件的制作步骤如下
首先，选择同一批次一定数量的完好筋材备用；
第二，按照试件长度尺寸用切割机切割出相应长度的筋材l;
第三，根据筋材l的直径及预估的极限载荷，设计加工一套带内螺纹31的金属夹板3，金属夹板3的材料优先选用铝合金(LY12)，内螺纹直径比筋材直径大6 10ram,螺距采用4 5mm;配齐相应的销钉及紧固螺栓4，进一步去油、清洁、涂敷脱模剂备用；
第四，根据筋材1的直径及金属夹板3的长度、内螺纹31的直径、双向纤维布2的厚度等计算纤维布的长度和宽度，并用剪刀裁下备用。纤维布2的形状为上宽下窄的梯形状，上部的宽度是基准长度加过渡段长度(一般可取3 5cni)，下部的宽度取基准长度。纤维布2的形状如图3所示。布的长度能够保证缠绕于筋材l后的外径比金属夹板3内螺纹的直径大2 3mm为宜。如直径为13mm的筋材，若金属夹板3的长度取150mm，螺纹选用T20x4，紧固螺栓4的螺栓中心距取40mm，螺纹内径为16mm，双向纤维布单层涂敷树脂后厚约0.2mm，期望缠绕纤维布后的外径达到19mm，则所需纤维布的长度约为;r(192 -132)/4/0.2mm，上部的宽度150十(30-50) mm，下部的宽度150mm;
第五，配制树脂，涂适量树脂于裁下的纤维布2上，将纤维布2缠绕于筋材1的相应位置上，形成期望的过渡段；紧接着用一束粗细适中的纤维束按金属内螺纹31的螺距在刚缠好的纤维布上绕出一段外螺纹21来，为得到适宜的螺纹21，缠绕绳束时，张力要控制在3KG左右；
第六，将备好的金属夹板3扣合到缠出的外螺纹21上，用同样涂覆了脱模剂的销钉及螺栓4通过金属夹板3上的销钉孔33、螺栓孔32将两块金属夹板3定位、锁紧，螺栓4的锁紧力矩尽可能一致；
第七，重复第五、第六步，加强试件的另外一端；
第八，待其固化后，可考虑进一步置于烘箱中进行后处理(80° C， 二小时)；第九，根据试验机的情况可拆开一端的金属夹板3，也可将两端的夹板全部拆开备用；第十，试验时通过两端夹紧的金属夹板3的端面承力，进而通过金属夹板3的内螺纹31与缠出的复合材料外螺纹21的有效咬合将荷载传递到FRP筋材1上。
图4为采用本发明加工的试件进行松弛试验时的示意图，其在试验机架8上固定试件1，通过压力传感器6及移动横梁7进行应力松弛特性测试。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
权利要求
1、一种测试FRP筋应力松弛特性时试件端部加强锚夹的方法，其特征在于其通过在试件端部的加强段设置一段梯度过渡段，以消除该处的应力集中，且加强段设置外螺纹，其与含有内螺纹的夹具的螺纹相配合以消除端部锚夹区域的滑移和蠕变。
2、 如权利要求1所述的测试FRP筋应力松弛特性时试件端部加强锚夹的方法，其特征在于其通过在试件端部缠绕一段浸渍了树脂的实现梯度过渡的纤维布，在树脂固化前接着用细的纤维绳束按预定的螺距在缠绕玻璃布的区段绕出一条外螺纹，外螺纹与夹具的内螺纹相匹配。
3、 如权利要求2所述的测试FRP筋应力松弛特性时试件端部加强锚夹的方法，其特征在于-该夹具为金属夹板，预制的、涂有脱模剂的两块金属夹板扣合到缠出的螺纹上，通过涂覆了脱模剂的销钉及螺栓定位、锁紧。
4、 如权利要求2所述的测试FRP筋应力松弛特性时试件端部加强锚夹的方法，其特征在于该纤维布的形状为上宽下窄的梯形状，上部的宽度是基准长度加过渡段长度，下部的宽度取基准长度，纤维布的长度与宽度根据试件的直径及夹具的长度、内螺纹的直径、双向纤维布的厚度计算，布的长度能够保证缠绕于试件后的外径比夹具内螺纹的直径大2~3mm为宜。
5、 如权利要求2所述的测试FRP筋应力松弛特性时试件端部加强锚夹的方法，其特征在于该纤维布为玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维、玄武岩纤维布。
6、 如权利要求3所述的测试FRP筋应力松弛特性时试件端部加强锚夹的方法，其特征在于该金属夹板采用铝合金，其上内螺纹螺距为4 5mm。
全文摘要
本发明提出了一种测试FRP筋应力松弛特性时试件端部加强锚夹的方法，其通过在试件端部的加强段设置一段梯度过渡段，且加强段设置的外螺纹与含有内螺纹的金属夹板的螺纹相配合以消除试验中端部锚夹区域的滑移和蠕变。具体实现方法是在试件端部缠绕一段浸渍了树脂的可实现梯度过渡的纤维布，在树脂固化前接着用细的纤维绳束按预定的螺距在缠绕玻璃布的区段绕出一条外螺纹，外螺纹与金属夹板的内螺纹相匹配，将预制的、涂有脱模剂的两块金属夹板扣合到缠出的螺纹上固定。本发明解决了FRP筋在进行应力松弛试验时在试件的端部锚夹区域发生的滑移和蠕变等影响测试结果的问题，而且金属夹板可以重复利用。
文档编号G01N3/00GK101477005SQ20091004510
公开日2009年7月8日 申请日期2009年1月9日 优先权日2009年1月9日
发明者峰 吴, 周国然, 时蓓玲, 董国华, 袁国青, 剑 马 申请人:同济大学;中交上海三航科学研究院有限公司