专利名称：纤维增强复合片材与混凝土粘结强度的梁式试验装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及的是一种测试纤维增强复合片材与混凝土粘结性能的试验装置， 属于材料性能测试技术。主要用于建筑、桥梁、水利和交通等领域。
背景技术：
FRP(纤维增强塑料)复合材料具有强度高、重量轻、耐腐蚀、耐疲劳以及施工便捷 等优点，在土木工程领域中得到了广泛的应用。通过FRP复合材料外贴法可以对混凝土结 构进行抗弯、抗剪承载力和抗震加固等，其加固效果的一个主要决定因素就是FRP与混凝 土之间的粘结性能。试验研究发现，FRP剥离破坏是FRP加固混凝土梁中较为常见的破坏 模式，但是引起FRP剥离破坏的原因各不相同，破坏机理和影响因素较为复杂。为此，国内 外许多专家针对FRP加固混凝土梁的各种破坏模式进行了大量的理论和试验研究。对于FRP加固混凝土受弯构件，FRP剥离破坏主要有两种不同的形态(图1)。一 种是梁端部的FRP剥离破坏，这种破坏主要是由于混凝土与FRP在其端部应力不连续所产 生的应力集中所引起的，国内外许多学者在这方面做了较多的试验和理论研究工作。另外 一种是混凝土梁中的跨间裂缝引起的FRP与混凝土剥离破坏。试验研究表明，FRP加固混 凝土梁的跨间剥离破坏也有两种形式，一是跨中弯曲裂缝引起的FRP剥离破坏，另一种是 跨间弯剪裂缝引起的FRP剥离破坏。这两种破坏模式的主要区别在于弯曲和弯剪裂缝的形 态和开展对FRP剥离破坏的机理不同。对于弯曲裂缝引起的FRP的剥离破坏，由于裂缝的 底端基本垂直于梁的底面，裂缝的两边没有相对竖向位移，FRP的剥离破坏主要是由于裂缝 的开展所引起的剪应力超出了混凝土的强度所导致的。针对这种形式的破坏机理，国内外 许多学者采用单剪试验、双剪试验，并提出了许多的理论模型，但是这些提出的理论模型并 不能直接应用到梁的加固设计中，尚需要经验参数予以修正。对于弯剪裂缝引起的FRP剥 离破坏，由于裂缝在开展的过程，其两边同时具有竖向相对位移和水平相对位移，在裂缝一 侧的混凝土界面产生正(拉)应力和剪应力，使得FRP在较低的应力水平下发生剥离破坏。 这种破坏实际是一种MixedMode模式的破坏形态，目前国内外学者对这种破坏模式的试验 研究还不完善，还没有可靠的理论模型来计算mixed mode下FRP与混凝土的粘结强度。同时，在桥梁结构和工业厂房中，FRP加固构件往往经受成千上万次的循环荷载， 要分析FRP加固梁的疲劳寿命，就需要首先弄清循环荷载下FRP与混凝土的粘结性能。采 用传统的单剪或者双剪试验很难准确模拟FRP与混凝土在混合模式断裂模式以及在循环 荷载下的剥离破坏过程。其主要原因(1)在模拟混合模式下FRP与混凝土的剥离破坏时， 单剪或者双剪试验很难设定FRP片材在平面外的偏移量；(2)采用单剪或者双剪试验进行 循环荷载或者静载下FRP与混凝土粘结性能试验时，FRP片材受拉端在液压夹头处很容易 发生滑移，导致试验失败。上述缺点严重限制单剪或者双剪试验在FRP与混凝土粘结性能试验中的广泛应 用。因此，研制适用于研究FRP与混凝土在不同断裂模式下(剪切模式或者混合模式)、不 同荷载模式下(静载或者循环荷载)的粘结性能的试验装置具有重要的应用价值，对于FRP加固混凝土结构的试验研究提供了科学的试验仪器，具有广阔的应用前景。
实用新型内容技术问题本实用新型的目的在于针对单剪或者双剪试验测试FRP与混凝土粘结 性能的测试技术中存在的缺陷和不足，提供一种能够准确设定混合模式下偏心距并能实现 循环荷载施加的高精度梁式试验装置，适用于研究FRP与混凝土在不同断裂模式下、不同 荷载模式下的粘结性能。技术方案一种纤维增强复合片材与混凝土粘结强度的梁式试验装置，包括前 压杆高度调节器、后压杆高度调节器、压杆、分配梁及钢梁，分配梁位于钢梁的上方，前压杆 高度调节器及后压杆高度调节器位于钢梁的侧面，在钢梁上连接有前、后组合构件，所述的 前、后组合构件为铰接件，在铰接件上设有铰接孔，在铰接孔内设有铰接杆，前压杆高度调 节器及后压杆高度调节器采用高度调节器，所述高度调节器包括底座，在底座上设有压杆 孔和连接孔，在连接孔内设有连接螺钉，在底座上还设有上支架和下支架，在上支架上设有 压紧螺栓，在下支架上设有调节螺栓，所述压杆孔位于上支架与下支架之间，所述压杆以插 入的方式设在前、后压杆高度调节器的压杆孔中且所述压杆位于压紧螺栓与调节螺栓之 间，所述前压杆高度调节器、后压杆高度调节器及前、后组合构件位于钢梁的同侧。在钢梁 上连接有固定连扳，在固定连扳上设有固定螺钉；在钢梁的下方设有压紧钢板且压紧钢板 通过螺钉与钢梁连接。与现有技术相比，本实用新型具有如下优点1.单剪试验中偏心问题的解决传统单剪试验时，所施加的拉力与FRP板很难精确控制在同一平面内，原因有 (1)混凝土试件中用于黏结FRP的表面的平整度难以保证，可能存在倾斜；(2)夹持FRP板 时，液压夹头悬于试件上方，采用吊锤将液压夹头中缝与试件粘结界面对正，试验者的操作 熟练程度将直接影响对正情况；(3)为防止FRP板滑移，在FRP板加载端夹持处放置两块铝 板，铝板厚度的偏差将导致所施拉力与试件粘结界面不在同一平面内。为了保证所施加的拉力为轴心拉伸荷载，本实用新型采用高度调节器，通过调节 螺栓使得压杆与FRP板相切，从而消除初始几何偏心。在试验过程中，FRP片材紧贴压杆， 在压杆处形成铰，从而保证FRP板承受的是轴心拉伸荷载。2.准确设定混合模式下偏心距的问题的解决准确设定混合模式下的偏心距一直是困扰试验研究者的难点，本实用新型采用高 度调节器，通过调节螺栓上下移动压杆使得FRP板与混凝土粘结界面存在一定初始几何偏 心。在试验过程中，FRP片材紧贴压杆外侧，在压杆处形成铰，从而保证FRP板承受的是轴 心拉伸荷载且始终保持既定偏心。3.现有技术中液压夹头中FRP板由于夹持不力而滑移问题的解决由于FRP板较薄，随着施加荷载的增大，FRP板与液压夹头在夹持处容易产生滑 移。本实用新型从以下两点解决该问题(1)将单剪试验中的拉伸荷载转化为作用在分配 梁上的竖向压力荷载，无需液压夹头夹持FRP板；(2)采用环氧树脂胶将纤维复合片材与钢 梁相胶结，并加盖压紧钢板从而彻底消除滑移现象。4.循环荷载施加困难的问题的解决[0017]在进行循环荷载下FRP与混凝土粘结性能的单剪试验时，由于所施拉伸荷载与试 件重心不在同一直线上，多次循环后试件会产生侧向偏离，从而使得作用在FRP板端的拉 力产生偏心，加快剥离破坏的发展速度。同时，在循环荷载的作用下，FRP板在液压夹头处 易产生滑移，如果夹头夹得过紧甚至会造成夹头区FRP板的局部破坏。本实用新型采用组 合梁装置，通过分配梁施加循环荷载，有效解决试件重心偏移以及FRP板的滑移和局部破 坏的问题。5. FRP与组合梁有效黏贴问题的解决黏结FRP前首先组合混凝土梁试件和钢梁，混凝土梁试件端部上侧通过铰接件与 钢梁铰接，混凝土梁试件端部下侧通过固定连扳与钢梁固结为整体并保证混凝土梁试件底 面与钢梁底面在同一平面内，采用环氧树脂胶粘结FRP片材，梁式试件竖直放置直至环氧 树脂胶固化，从而保证FRP平整、平顺地黏贴于界面上。6.梁式试验装置占用体积小(150mmX150mmX 1010mm)，可利用MTS伺服液压试验 机进行不同断裂模式下、不同荷载模式下FRP与混凝土粘结性能试验研究，试验操作简便 易行。7.钢梁设计原理清晰、构造简单，采用不锈钢材料制作，可反复利用。通过改变钢梁的截面尺寸、分配梁的跨度可设计出多组梁式试验装置，适用范围广。
图1是FRP加固混凝土梁中FRP剥离破坏示意图，包括图(a)、图(b)、图(c)，其 中，30是FRP片材，31是端部FRP剥离，32是跨间FRP剥离，33是弯曲裂缝，34是弯剪裂缝， 35是裂缝附近界面剪应力，36是界面正应力。图2是本实用新型的结构示意图。图3是本实用新型的A-A剖视图。图4是混凝土梁试件示意图。图5是钢梁结构示意图。图6是调节器结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型作进一步说明一种纤维增强复合片材与混凝土粘结强度的梁式试验装置，包括前压杆高度调 节器、后压杆高度调节器、压杆11、分配梁8、滚轴支座23及钢梁2，分配梁8位于钢梁2的 上方，滚轴支座23位于钢梁2的下方，前压杆高度调节器及后压杆高度调节器位于钢梁2 的侧面，在钢梁2上连接有前、后组合构件，所述的前、后组合构件为铰接件3，在铰接件3上 设有铰接孔13，在铰接孔13内设有铰接杆14，前压杆高度调节器及后压杆高度调节器采用 高度调节器7，所述高度调节器7包括底座21，在底座21上设有压杆孔19和连接孔17，在 连接孔17内设有连接螺钉18，在底座21上还设有上支架10和下支架20，在上支架10上 设有压紧螺栓22，在下支架20上设有调节螺栓12，所述压杆孔19位于上支架10与下支架 20之间，所述压杆11以插入的方式设在前、后压杆高度调节器的压杆孔19中且所述压杆 11位于压紧螺栓22与调节螺栓12之间，所述前压杆高度调节器、后压杆高度调节器及前、后组合构件位于钢梁2的同侧。 在本实施例中，在钢梁2上连接有固定连扳6，在固定连扳6上设有固定螺钉15 ； 在钢梁2的下方设有压紧钢板5且压紧钢板5通过螺钉与钢梁2连接。钢梁由六块外侧钢板以及两块横隔板通过螺栓组装而成，首先加工八块钢板，在 指定位置攻丝，将前后侧板通过左右侧板及两块横隔板连接起来，然后采用螺钉固定上下 侧板。加工铰接件和固定连扳，并在指定位置攻丝，铰接件左端通过铰接孔、铰接杆与混凝 土试件连接，右端通过三个螺钉与钢梁连接；固定连扳左端通过两个固定螺钉与混凝土试 件连接，右端通过两个螺钉与钢梁连接。对于压杆高度调节器，首先预制钢板并在指定位置 攻丝并预留压杆孔，然后将支架焊接在钢板上并安装调节螺栓、压紧螺栓，压杆插入压杆孔 以及混凝土试件预留豁口处，由调节螺栓调节偏心距并由压紧螺栓卡紧。压杆高度调节器 通过三个连接螺钉安装在混凝土试件上。固定FRP板的压紧钢板按尺寸加工并在指定位置 攻丝即可，压紧钢板通过八个螺钉与钢梁连接。本实用新型的不同断裂模式下、不同荷载模式下FRP与混凝土粘结性能的组合梁 式试验包括组合梁试件准备阶段，安装调试阶段，试验阶段。现结合试验装置做详细说明 (1)组合梁试件准备阶段浇筑混凝土梁试件(图4)并养护至试验所需龄期，取同配比的 六个混凝土梁试件作为一组。混凝土梁试件端部上侧通过铰接件与钢梁铰接，混凝土梁试 件端部下侧通过固定连扳与钢梁固结为整体并保证混凝土梁试件底面与钢梁底面在同一 平面内，采用环氧树脂胶在组合梁底侧粘贴FRP片材，混凝土梁豁口处纤维复合片材不涂 环氧树脂胶，保持纤维具有自由弯折性能。梁式试件竖直放置直至环氧树脂胶固化，从而保 证FRP平整、平顺地黏贴于界面上。然后在钢梁底侧加盖压紧钢板拧紧八组螺钉保证FRP 板与钢梁粘结牢固。沿着受拉方向在纤维复合片材的表面黏贴电子应变片。(2)安装调试 阶段在MTS伺服液压试验机加载端安装分配梁，将组合梁试件安置于滚轴支座上，调整好 组合梁与分配梁的位置后拆除固定连扳。在混凝土梁试件上安装前、后压杆高度调节器，将 压杆插入压杆孔，过调节螺栓调节压杆，当压杆调至所需偏心时采用压紧螺栓固定住压杆 的位置(图3)。将电子应变片连接至应变采集仪兵调试仪器。(3)试验阶段通过分配梁 对组合梁施加荷载，使用MTS伺服液压试验机内置传感器实时监控并记录荷载与位移，使 用应变采集仪记录电子应变片全程应变。
权利要求一种纤维增强复合片材与混凝土粘结强度的梁式试验装置，其特征在于，包括前压杆高度调节器、后压杆高度调节器、压杆(11)、分配梁(8)及钢梁(2)，分配梁(8)位于钢梁(2)的上方，前压杆高度调节器及后压杆高度调节器位于钢梁(2)的侧面，在钢梁(2)上连接有前、后组合构件，所述的前、后组合构件为铰接件(3)，在铰接件(3)上设有铰接孔(13)，在铰接孔(13)内设有铰接杆(14)，前压杆高度调节器及后压杆高度调节器采用高度调节器(7)，所述高度调节器(7)包括底座(21)，在底座(21)上设有压杆孔(19)和连接孔(17)，在连接孔(17)内设有连接螺钉(18)，在底座(21)上还设有上支架(10)和下支架(20)，在上支架(10)上设有压紧螺栓(22)，在下支架(20)上设有调节螺栓(12)，所述压杆孔(19)位于上支架(10)与下支架(20)之间，所述压杆(11)以插入的方式设在前、后压杆高度调节器的压杆孔(19)中且所述压杆(11)位于压紧螺栓(22)与调节螺栓(12)之间，所述前压杆高度调节器、后压杆高度调节器及前、后组合构件位于钢梁(2)的同侧。
2.根据权利要求1所述的纤维增强复合片材与混凝土粘结强度的梁式试验装置，其特 征在于，在钢梁(2)上连接有固定连扳(6)，在固定连扳(6)上设有固定螺钉(15)。
3.根据权利要求1所述的纤维增强复合片材与混凝土粘结强度的梁式试验装置，其特 征在于，在钢梁⑵的下方设有压紧钢板(5)且压紧钢板(5)通过螺钉与钢梁(2)连接。
专利摘要纤维增强复合片材与混凝土粘结强度的梁式试验装置，包括前压杆高度调节器、后压杆高度调节器、压杆、分配梁及钢梁，分配梁位于钢梁的上方，前、后压杆高度调节器位于钢梁的侧面，在钢梁上连接一对铰接件，铰接件上设有铰接孔，铰接孔内设有铰接杆，前、后压杆高度调节器采用高度调节器，高度调节器包括设有连接孔和压杆孔的底座，连接孔内设有连接螺钉，底座上还设有上支架和下支架，上支架中设有压紧螺栓，下支架中设有调节螺栓，压杆孔位于上支架与下支架之间，所述压杆插入前、后压杆高度调节器的压杆孔中且位于压紧螺栓与调节螺栓之间，所述前压杆高度调节器、后压杆高度调节器及一对铰接件位于钢梁的同侧。
文档编号G01N19/04GK201637656SQ20102016398
公开日2010年11月17日 申请日期2010年4月20日 优先权日2010年4月20日
发明者周甲佳, 梁坚凝, 潘金龙, 罗敏 申请人:东南大学