一种环形试样拉伸试验装置及其实现方法与流程

本发明涉及土木工程建筑结构试验技术领域，具体涉及一种环形试样拉伸试验装置及其实现方法。

背景技术：

近几十年来，随着社会经济水平的提高，建筑工程界得到了长足发展，表现在建筑理念和理论更新推进，建筑材料和设备的开发换代以及建筑施工技术方法改良创新等各方面。为了更好适应新的发展形势和主客观对建筑结构的要求，大量旧建筑面临拆除重建和加固修复的问题。建筑工程中对于混凝土结构的加固和修复，以往大多采用增大截面、外包钢加固或预应力加固等方法，然而，这些处理方法均存在着不同程度地增大结构自重，引起构件刚度突变，改变结构受力等特点，且带来施工周期长，工作面大，成本高等难以避免的问题。

纤维增强复合材料(fibre-reinforced polymer，简称FRP)因其具有轻质高强、耐腐蚀、施工便捷、可设计性高和抗疲劳性优等优越性能而受到工程界的广泛关注。起初，FRP主要用于问题结构的加固和修复。尤其对于钢筋混凝土建筑物和桥梁结构，由于横向钢筋缺乏或塑性铰区域纵向钢筋不足而造成抗震设计不足等问题，采用FRP外包缠绕加固能得到很好地解决。例如，美国Texas Hamilton饭店以及日本Shinmiya桥等均采用FRP加固技术，结构性能得到极大改善和提高，避免了大规模的维护和拆建。随着纤维复合材料在结构工程研究和实践应用的发展，除了在已有建筑为粘贴缠绕FRP材料，专家学者还提出将FRP预制成管材。该管材通过一定比例的纤维材料(通常包括碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维或玄武岩纤维)，配合一定比例的树脂(通常为环氧树脂)，在特定机器上缠绕制作脱模而成，具有一定厚度和刚度。FRP管材可直接充当结构构件模板，将混凝土浇筑其中，形成FRP管约束混凝土构件，或与钢管钢筋材料组合，形成了一类新的FRP管组合结构构件形式。随着这一结构形式在世界范围内的推广和应用，对其组合结构及各材料性能的研究也不断深入。

对于FRP管组合构件性能的研究，为更好地分析其受力模型，指导实际工程设计，需要先测定FRP管材的力学性能，尤其是其抗拉性能。根据《纤维缠绕增强塑料环形试样力学性能试验方法》(GB/T1458-2008)规定，对于FRP管材力学性能常采用环形试样进行试验。虽然试验中规定选用直径150mm的环形试样，但根据实际工程需要，试验中往往也会设计不同截面尺寸的试件，选用不同截面大小和管径的FRP管材，为更直观准确地测定相应FRP管材的实际约束效果，在FRP管环形试样力学性能试验时，往往需要直接截取实验中使用的不同截面规格的FRP管材进行测定其受拉性能，这就需要对结构试件定制特定规格的拉伸试验拉力盘装置。但是现有的装置制造成本较高，适用性较低，难以循环利用，只能对特定规格尺寸的试样进行加载，因而对不同的规格尺寸的试样需要重新定制新的加载装置，而且一次使用后不能兼容用于其他试件尺寸的拉伸试验，造成极大的浪费，有悖于低碳节能的理念。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种构造简单、科学合理、操作便捷、实用高效、可循环利用、适用性强的环形试样拉伸试验装置。

本发明的另一目的在于提供一种环形试样拉伸试验装置的实现方法。

本发明的目的通过下述技术方案实现：

一种环形试样拉伸试验装置，包括拉力设备、第一连接接头、第二连接接头、第一连接板、第二连接板、第一分离盘、第二分离盘、环形试样、第一设备螺栓、第二设备螺栓、第一连接螺栓、第二连接螺栓、第一固定螺栓、第二固定螺栓、第一限位螺栓和第二限位螺栓，其中，所述第一连接接头通过所述第一设备螺栓与所述拉力设备相连接，所述第二连接接头通过所述第二设备螺栓与所述拉力设备相连接；所述第一连接板通过所述第一连接螺栓与所述第一连接接头相连接，所述第二连接板通过所述第二连接螺栓与所述第二连接接头相连接；所述第一分离盘通过所述第一固定螺栓与所述第一连接板相连接，所述第二分离盘通过所述第二固定螺栓与所述第二连接板相连接；所述环形式样设置在所述第一分离盘和第二分离盘内；

所述第一连接板包括右板和左板，所述第一连接接头和所述第一分离盘位于所述右板和左板之间，所述第一连接接头通过所述第一连接螺栓固定于右板和左板的一端，所述第一分离盘通过所述第一固定螺栓固定于右板和左板的另一端；

所述第二连接板包括右板和左板，所述第二连接接头和所述第二分离盘位于所述右板和左板之间，所述第二连接接头通过所述第二连接螺栓固定于右板和左板的一端，所述第二分离盘通过所述第二固定螺栓固定于右板和左板的另一端；

所述第一分离盘包括半圆形右板和半圆形左板，所述半圆形右板的内表面设有支承突肋，所述半圆形左板的内表面设有限位凹槽，所述支承突肋嵌入对应的限位凹槽内，所述半圆形右板和半圆形左板通过所述第一限位螺栓相互连接；

所述第二分离盘包括半圆形右板和半圆形左板，所述半圆形右板的内表面设有支承突肋，所述半圆形左板的内表面设有限位凹槽，所述支承突肋嵌入对应的限位凹槽内，所述半圆形右板和半圆形左板通过所述第二限位螺栓相互连接；

所述环形试样位于所述第一分离盘的支承突肋处，且位于所述第二分离盘的支承突肋处。

优选地，所述第一连接接头、第二连接接头、第一连接板、第二连接板、第一分离盘和第二分离盘的制作材料都为钢材；钢材具有强度高，刚度大，变形小，可塑性好，有较成熟的焊接技术和模具加工技术，可保证装置成品的批量生产和质量保证。

优选地，所述第一分离盘的半圆形右板和所述支承突肋采用压焊焊接连接；所述第二分离盘的半圆形右板和所述支承突肋采用压焊焊接连接；钢材焊接技术已有较成熟的工艺，选用压焊焊接方式，能有效减少有害元素入侵焊缝，且加热温度比熔焊低、加热时间短，热影响区小，焊接简便，焊接效果好。

优选地，所述第一分离盘半圆形右板的支承突肋为多道同心半圆弧，各半圆弧等间距设置在所述第一分离盘半圆形右板的内表面上，所述第一分离盘半圆形左板的限位凹槽为多道同心半圆弧，各半圆弧等间距设置在所述第一分离盘半圆形左板的内表面上，所述支承突肋的多道同心半圆弧与所述限位凹槽的多道同心半圆弧一一对应；通过两盘的相互嵌合，起到定位和固定作用，减少定位螺栓的使用，方便操作，同时，多种模数直径的支承突肋和半圆弧道可对不同直径的环形试样进行拉伸试验，具有较强适用性，且中间的支承突肋一定程度上增加了分离盘的刚度，实现对试件的有效加载。

优选地，所述第二分离盘半圆形右板的支承突肋为多道同心半圆弧，各半圆弧等间距设置在所述第二分离盘半圆形右板的内表面上，所述第二分离盘半圆形左板的限位凹槽为多道同心半圆弧，各半圆弧等间距设置在所述第二分离盘半圆形左板的内表面上，所述支承突肋的多道同心半圆弧与所述限位凹槽的多道同心半圆弧一一对应；通过两盘的相互嵌合，起到定位和固定作用，减少定位螺栓的使用，方便操作，同时，多种模数直径的支承突肋和半圆弧道可对不同直径的环形试样进行拉伸试验，具有较强适用性，且中间的支承突肋一定程度上增加了分离盘的刚度，实现对试件的有效加载。

优选地，所述第一分离盘的第一限位螺栓设有两个，该两个第一限位螺栓分别对称设置在第一分离盘的45°和135°半径方向上，且设置在第一分离盘靠近外圆弧的位置上；通过两个第一限位螺栓的固定，第一分离盘半圆形右板和半圆形左板能够紧密拼接，而设置在外圆弧上方便螺栓的连接操作和调整。

优选地，所述第二分离盘的第二限位螺栓设有两个，该两个第二限位螺栓分别对称设置在第二分离盘的45°和135°半径方向上，且设置在第二分离盘靠近外圆弧的位置上；通过两个第二限位螺栓的固定，第二分离盘半圆形右板和半圆形左板能够紧密拼接，而设置在外圆弧上方便螺栓的连接操作和调整。

优选地，所述第一固定螺栓设置在所述第一分离盘靠近其半圆形直径中心的位置上；第一固定螺栓孔设置于中心位置决定了拉力的对称，便于后期环形试样试验结果的计算处理，而第一固定螺栓孔设置在靠近直径位置是便于第一分离盘设置多道支承突肋和限位凹槽，满足多种直径尺寸的环形试样拉伸试验。

优选地，所述第二固定螺栓设置在所述第二分离盘靠近其半圆形直径中心的位置上；第二固定螺栓孔设置于中心位置决定了拉力的对称，便于后期环形试样试验结果的计算处理，而第二固定螺栓孔设置在靠近直径位置是便于第二分离盘设置多道支承突肋和限位凹槽，满足多种直径尺寸的环形试样拉伸试验。

一种由上述环形试样拉伸试验装置的实现方法，包括下述步骤：

(1)工作时，先拼合第一分离盘半圆形右板和第二分离盘半圆形右板为一圆形右板，并根据环形试样的尺寸在拼合而成的圆形右板上选择相同尺寸的支承突肋，将环形试样套在支承突肋的外部，并与支承突肋紧密贴合；

(2)将第一分离盘半圆形右板的支承突肋嵌入到第一分离盘半圆形左板的限位凹槽之中，将第一限位螺栓穿过第一分离盘半圆形右板和第一分离盘半圆形左板，使上下两板紧密拼接固定；将第二分离盘半圆形右板的支承突肋嵌入到第二分离盘半圆形左板的限位凹槽之中，将第二限位螺栓穿过第二分离盘半圆形右板和第二分离盘半圆形左板，使上下两板紧密拼接固定；

(3)将第一分离盘置于第一连接板的右板和左板之间，使用第一固定螺栓依次穿过第一连接板右板、第一分离盘和第一连接板左板，将第一分离盘与第一连接板固定在一起；将第二分离盘置于第二连接板的右板和左板之间，使用第二固定螺栓依次穿过第二连接板右板、第二分离盘和第二连接板左板，将第二分离盘与第二连接板固定在一起；

(4)将第一连接接头置于第一连接板的右板和左板之间，使用第一连接螺栓依次穿过第一连接板右板、第一连接接头和第一连接板左板，将第一连接接头与第一连接板固定在一起；将第二连接接头置于第二连接板的右板和左板之间，使用第二连接螺栓依次穿过第二连接板右板、第二连接接头和第二连接板左板，将第二连接接头与第二连接板固定在一起；

(5)将第一连接接头通过第一设备螺栓与拉力设备固定连接；将第二连接接头通过第二设备螺栓与拉力设备固定连接；

(6)启动拉力设备，拉力设备通过第一连接接头和第二连接接头将拉力传递到第一连接板和第二连接板，第一连接板和第二连接板再将拉力传递给第一分离盘和第二分离盘，进而对套在第一分离盘和第二分离盘上的环形试样施加拉力，进行拉伸试验。

本发明的工作原理：

工作时，先拼合第一分离盘半圆形右板和第二分离盘半圆形右板为一圆形右板，并根据环形试样的尺寸在拼合而成的圆形右板上选择相同尺寸的支承突肋，将环形试样套在支承突肋的外部，并与支承突肋紧密贴合；将第一分离盘半圆形右板的支承突肋嵌入到第一分离盘半圆形左板的限位凹槽之中，将第一限位螺栓穿过第一分离盘半圆形右板和第一分离盘半圆形左板，使上下两板紧密拼接固定；将第二分离盘半圆形右板的支承突肋嵌入到第二分离盘半圆形左板的限位凹槽之中，将第二限位螺栓穿过第二分离盘半圆形右板和第二分离盘半圆形左板，使上下两板紧密拼接固定；将第一分离盘置于第一连接板的右板和左板之间，使用第一固定螺栓依次穿过第一连接板右板、第一分离盘和第一连接板左板，将第一分离盘与第一连接板固定在一起；将第二分离盘置于第二连接板的右板和左板之间，使用第二固定螺栓依次穿过第二连接板右板、第二分离盘和第二连接板左板，将第二分离盘与第二连接板固定在一起；将第一连接接头置于第一连接板的右板和左板之间，使用第一连接螺栓依次穿过第一连接板右板、第一连接接头和第一连接板左板，将第一连接接头与第一连接板固定在一起；将第二连接接头置于第二连接板的右板和左板之间，使用第二连接螺栓依次穿过第二连接板右板、第二连接接头和第二连接板左板，将第二连接接头与第二连接板固定在一起；将第一连接接头通过第一设备螺栓与拉力设备固定连接；将第二连接接头通过第二设备螺栓与拉力设备固定连接；启动拉力设备，拉力设备通过第一连接接头和第二连接接头将拉力传递到第一连接板和第二连接板，第一连接板和第二连接板再将拉力传递给第一分离盘和第二分离盘，进而对套在第一分离盘和第二分离盘上的环形试样施加拉力，进行拉伸试验。

本发明与现有技术相比具有以下的有益效果：

(1)本发明构造简单，设计科学合理。本发明中各组成部分均为钢板或钢块切割加工而成，使用现成的焊接技术，有成熟的加工标准，适合标准化机械生产，而且各部分之间连接构造简单，传力路径清晰，能有效地对试样实施荷载，同时，由于本发明各部分均由厚钢板以及钢块体加工而成，因而整体装置刚度大，装置形变小，且不易发生累积变形；

(2)本发明适用性广。本发明能够实现对不同规格尺寸的环形试样进行加载，无需针对不同尺寸的环形试样重新定制特定的装置，有效节省了费用成本，提高加载装置的使用效率；

(3)本发明操作便捷高效。本发明通过螺栓连接，无需复杂的连接技术及辅助设备，对工人的操作要求和难度大大降低；

(4)本发明可循环利用。本发明设置了多规格的环形试样通道，可以根据环形试样的尺寸选择合适的通道进行加载，而且本发明刚度大，使用后变形小，不受破坏，可实现装置的多次循环利用，有效节约长期成本，符合节能低碳要求。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为图1的侧面透视图；

图3为本发明分离盘半圆形右板的结构示意图；

图4为图3的侧面透视图；

图5为本发明分离盘半圆形左板的结构示意图；

图6为图5的侧面透视图；

图7为本发明的使用状态图。

图中附图标记为：1、第一连接接头；2、第一连接板；3、第一分离盘；4、第一设备螺栓；5、第一连接螺栓；6、第一固定螺栓；7、第一限位螺栓；8、环形试样；9、拉力设备；101、第二连接接头；102、第二连接板；103、第二分离盘；104、第二设备螺栓；105、第二连接螺栓；106、第二固定螺栓；107、第二限位螺栓；3-1、半圆形右板；3-2、支承突肋；3-3、半圆形左板；3-4、限位凹槽。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

如图1～7所示，一种环形试样拉伸试验装置，包括拉力设备9、第一连接接头1、第二连接接头101、第一连接板2、第二连接板102、第一分离盘3、第二分离盘103、环形试样8、第一设备螺栓4、第二设备螺栓104、第一连接螺栓5、第二连接螺栓105、第一固定螺栓6、第二固定螺栓106、第一限位螺栓7和第二限位螺栓107，其中，所述第一连接接头1通过所述第一设备螺栓4与所述拉力设备9相连接，所述第二连接接头101通过所述第二设备螺栓104与所述拉力设备9相连接；所述第一连接板2通过所述第一连接螺栓5与所述第一连接接头1相连接，所述第二连接板102通过所述第二连接螺栓105与所述第二连接接头101相连接；所述第一分离盘3通过所述第一固定螺栓6与所述第一连接板2相连接，所述第二分离盘103通过所述第二固定螺栓106与所述第二连接板102相连接；所述环形式样设置在所述第一分离盘3和第二分离盘103内；所述第一连接接头1、第二连接接头101、第一连接板2、第二连接板102、第一分离盘3和第二分离盘103的制作材料都为钢材；

所述第一连接板2包括右板和左板，所述第一连接接头1和所述第一分离盘3位于所述右板和左板之间，所述第一连接接头1通过所述第一连接螺栓5固定于右板和左板的一端，所述第一分离盘3通过所述第一固定螺栓6固定于右板和左板的另一端；所述第一固定螺栓6设置在所述第一分离盘3靠近其半圆形直径中心的位置上；

所述第二连接板102包括右板和左板，所述第二连接接头101和所述第二分离盘103位于所述右板和左板之间，所述第二连接接头101通过所述第二连接螺栓105固定于右板和左板的一端，所述第二分离盘103通过所述第二固定螺栓106固定于右板和左板的另一端；所述第二固定螺栓106设置在所述第二分离盘103靠近其半圆形直径中心的位置上；

所述第一分离盘3包括半圆形右板3-1和半圆形左板3-3，所述半圆形右板3-1的内表面设有支承突肋3-2，所述半圆形左板3-3的内表面设有限位凹槽3-4，所述支承突肋3-2嵌入对应的限位凹槽3-4内，所述半圆形右板3-1和半圆形左板3-3通过所述第一限位螺栓7相互连接，所述第一分离盘3的第一限位螺栓7设有两个，该两个第一限位螺栓7分别对称设置在第一分离盘3的45°和135°半径方向上，且设置在第一分离盘3靠近外圆弧的位置上；所述第一分离盘3的半圆形右板3-1和所述支承突肋3-2采用压焊焊接连接；所述第一分离盘3半圆形右板3-1的支承突肋3-2为多道同心半圆弧，各半圆弧等间距设置在所述第一分离盘3半圆形右板3-1的内表面上，所述第一分离盘3半圆形左板3-3的限位凹槽3-4为多道同心半圆弧，各半圆弧等间距设置在所述第一分离盘3半圆形左板3-3的内表面上，所述支承突肋3-2的多道同心半圆弧与所述限位凹槽3-4的多道同心半圆弧一一对应；

所述第二分离盘103包括半圆形右板3-1和半圆形左板3-3，所述半圆形右板3-1的内表面设有支承突肋3-2，所述半圆形左板3-3的内表面设有限位凹槽3-4，所述支承突肋3-2嵌入对应的限位凹槽3-4内，所述半圆形右板3-1和半圆形左板3-3通过所述第二限位螺栓107相互连接，所述第二分离盘103的第二限位螺栓107设有两个，该两个第二限位螺栓107分别对称设置在第二分离盘103的45°和135°半径方向上，且设置在第二分离盘103靠近外圆弧的位置上；所述第二分离盘103的半圆形右板3-1和所述支承突肋3-2采用压焊焊接连接；所述第二分离盘103半圆形右板3-1的支承突肋3-2为多道同心半圆弧，各半圆弧等间距设置在所述第二分离盘103半圆形右板3-1的内表面上，所述第二分离盘103半圆形左板3-3的限位凹槽3-4为多道同心半圆弧，各半圆弧等间距设置在所述第二分离盘103半圆形左板3-3的内表面上，所述支承突肋3-2的多道同心半圆弧与所述限位凹槽3-4的多道同心半圆弧一一对应；

所述环形试样8位于所述第一分离盘3的支承突肋3-2处，且位于所述第二分离盘103的支承突肋3-2处。

工作时，先拼合第一分离盘3半圆形右板3-1和第二分离盘103半圆形右板3-1为一圆形右板，并根据环形试样8的尺寸在拼合而成圆形右板上选择相同尺寸的支承突肋3-2，将环形试样8套在支承突肋3-2的外部，并与支承突肋3-2紧密贴合；将第一分离盘3半圆形右板3-1的支承突肋3-2嵌入到第一分离盘3半圆形左板3-3的限位凹槽3-4之中，将第一限位螺栓7穿过第一分离盘3半圆形右板3-1和第一分离盘3半圆形左板3-3，使上下两板紧密拼接固定；将第二分离盘103半圆形右板3-1的支承突肋3-2嵌入到第二分离盘103半圆形左板3-3的限位凹槽3-4之中，将第二限位螺栓107穿过第二分离盘103半圆形右板3-1和第二分离盘103半圆形左板3-3，使上下两板紧密拼接固定；将第一分离盘3置于第一连接板2的右板和左板之间，使用第一固定螺栓6依次穿过第一连接板2右板、第一分离盘3和第一连接板2左板，将第一分离盘3与第一连接板2固定在一起；将第二分离盘103置于第二连接板102的右板和左板之间，使用第二固定螺栓106依次穿过第二连接板102右板、第二分离盘103和第二连接板102左板，将第二分离盘103与第二连接板102固定在一起；将第一连接接头1置于第一连接板2的右板和左板之间，使用第一连接螺栓5依次穿过第一连接板2右板、第一连接接头1和第一连接板2左板，将第一连接接头1与第一连接板2固定在一起；将第二连接接头101置于第二连接板102的右板和左板之间，使用第二连接螺栓105依次穿过第二连接板102右板、第二连接接头101和第二连接板102左板，将第二连接接头101与第二连接板102固定在一起；将第一连接接头1通过第一设备螺栓4与拉力设备9固定连接；将第二连接接头101通过第二设备螺栓104与拉力设备9固定连接；启动拉力设备9，拉力设备9通过第一连接接头1和第二连接接头101将拉力传递到第一连接板2和第二连接板102，第一连接板2和第二连接板102再将拉力传递给第一分离盘3和第二分离盘103，进而对套在第一分离盘3和第二分离盘103上的环形试样8施加拉力，进行拉伸试验。

具体来说，本实施例中，拟对玄武岩纤维增强复合材料管环形试样8实施环向拉伸加载试验。先从纤维复合材料管截取环形试样8，环形试样8的直径为400mm，高度为20mm，厚度为6mm。本发明的试验装置包括两个连接接头、两个连接板、两个分离盘、两个设备螺栓、两个连接螺栓、两个固定螺栓、四个限位螺栓、环形试样8以及拉力设备9，连接接头为60mm×50mm×150mm的钢块，其上下分别开设一个设备螺栓孔以及一个连接螺栓孔；连接板为360mm×50mm×20mm的钢板，其上下分别开设一个连接螺栓孔以及一个固定螺栓孔；其中，设备螺栓、连接螺栓以及固定螺栓，其螺杆直径均为28mm，设备螺栓孔、连接螺栓孔以及固定螺栓孔，其孔径均为30mm；限位螺栓的螺杆直径为8mm，限位螺栓孔的孔径为10mm。分离盘由半圆形右板3-1以及半圆形左板3-3组成，两者组装使用，其中，分离盘半圆形右板3-1的内表面设有八个同心半圆形支承突肋3-2，半圆形右板3-1直径为550mm，厚度为20mm，最小半径的突肋外半径为75mm，最大半径的突肋外半径为250mm，突肋中心间距为25mm，突肋高度为45mm，厚度为8mm，突肋净间距为17mm；分离盘半圆形左板3-3设有八个同心半圆形限位凹槽3-4。半圆形左板3-3直径为550mm，厚度为20mm，凹槽最小外半径为75mm，最大外半径为250mm，凹槽中心间距为25mm，凹槽深度为5mm，凹槽宽度为10mm，凹槽净间距为15mm。

本发明构造简单，设计科学合理，本发明中各组成部分均为钢板或钢块切割加工而成，使用现成的焊接技术，有成熟的加工标准，适合标准化机械生产，而且各部分之间连接构造简单，传力路径清晰，能有效地对试样实施荷载，同时，由于本发明各部分均由厚钢板以及钢块体加工而成，因而整体装置刚度大，装置形变小，且不易发生累积变形；本发明适用性广，本发明能够实现对不同规格尺寸的环形试样进行加载，无需针对不同尺寸的环形试样重新定制特定的装置，有效节省了费用成本，提高加载装置的使用效率；本发明操作便捷高效，本发明通过螺栓连接，无需复杂的连接技术及辅助设备，对工人的操作要求和难度大大降低；本发明可循环利用，本发明设置了多规格的环形试样通道，可以根据环形试样的尺寸选择合适的通道进行加载，而且本发明刚度大，使用后变形小，不受破坏，可实现装置的多次循环利用，有效节约长期成本，符合节能低碳要求。

上述为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述内容的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。