CN101520386A - 双材料界面的断裂试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种双材料界面的断裂试验装置，包括疲劳机、固定于疲劳机上的底板、置于底板的材料二、置于材料二的压板和一端贴合于材料二的材料一，其中，所述双材料界面的断裂试验装置还包括固定于压板上的顶板以及置于顶板上的可自由伸缩的顶杆系统，所述顶杆系统包括固定于顶板上的支撑杆、连接于支撑杆一端的支撑块和穿过支撑块的顶杆。本发明的双材料界面的断裂试验装置不仅能够准确的模拟双材料界面的滑移型模式和混合模式的断裂破坏，而且能够准确的得到计算上述断裂模式的断裂能所需的各种关键参数。

Description

双材料界面的断裂试验装置

技术领域

本发明涉及一种试验装置，特别涉及一种双材料界面的断裂试验装置。

背景技术

纤维复合材料(即FRP)具有强度高、重量轻、耐腐蚀、耐疲劳、施工方便等优点，在土木工程的加固领域中的应用日益广泛。通过FRP外贴法可以对混凝土结构、钢结构进行抗弯、抗剪和抗震等方面的加固，使得结构的耐久性得以增强。但是，加固后的结构，往往在构件发生强度破坏之前，就发生了FRP与混凝土(或者钢结构)界面之间的剥离破坏。这个问题一直困扰着国内外大量的研究学者。国内外的研究学者曾试图用强度理论解释其破坏机理，但不是很成功。光纤布拉格光栅Optic Fiber Bragg Grating(OFBG)传感器具有抗电磁干扰、尺寸小、分布式测量、耐腐蚀、绝对测量等优点，如果将其与纤维复合材料复合，由于光纤布拉格光栅特别纤细，将其粘在纤维复合材料的表面，涂敷层为聚合物，它与纤维复合材料具有天然的相容性，基本不会改变纤维复合材料的力学性能。有人对含有光纤传感器的智能FRP材料进行了传感特性、疲劳特性、抗腐蚀特性等探索性研究，结果表明，纤维复合材料中复合光纤传感器满足结构健康监测的需要。

目前，国内外的学者越来越倾向于用断裂力学的观点来阐述FRP-混凝土界面的剥离机理。但是，到目前为止，尚未设计出一个有效的试验装置，可以模拟FRP-混凝土(钢材)双材料界面的滑移型模式和混合模式的断裂破坏。除此之外，在FRP剥离的试验过程中，研究者对FRP具体剥离的长度不是很清楚，大大影响了相关关键参数的研究。

在滑移型模式的研究方面：关于采用传统的研究滑移型模式的试验装置，已经很成熟，如图1和图2所示。

如图1和图2所示，相关技术的双材料界面的断裂试验装置包括疲劳机6’、固定于疲劳机6’上的底板4’、置于底板4’上的混凝土构件2’、放置于材料二2’(即混凝土构件或钢构件)上的压板5’、穿过压板5’并将混凝土构件2’固定于疲劳机6’上的螺杆3’和与材料二2’(即混凝土构件或钢构件)相连的材料一1’(即FRP)。上述装置可以模拟双材料界面的滑移型模式的断裂破坏。

在混合模式的断裂破坏研究方面，有人曾提出利用滑移型模式的断裂试验装置，采取适当的加载偏心对混合模式加载下的剥离破坏进行了研究。这种方法的局限性在于：一、FRP的偏移角度不易测量且不易控制，自然也不容易得到相应的理论推导；二、这种方法仅仅适用于小偏心的加载。

另一种相关的双材料界面的混合模式的断裂试验装置，采用组合梁的方法(裂缝的两端，一边是混凝土构件，另一边是钢构件)，研究FRP-混凝土界面的粘结滑移破坏。这种方法的缺陷在于：第一，构件制作复杂，且试验的可操作性不强；第二，试验的成本偏高，不宜做过多的构件进行线性回归，只能做一个定性的分析。

发明内容

发明目的：本发明的目的在于提供一种可同时模拟双材料滑移型模式和混合模式的双材料界面的断裂试验装置。

发明内容：本发明的双材料界面的断裂试验装置包括疲劳机、固定于疲劳机上的底板、置于底板的材料二、置于材料二的压板和一端贴合于材料二的材料一，其特征在于：所述双材料界面的断裂试验装置还包括固定于压板上的顶板以及置于顶板上的可自由伸缩的顶杆系统，所述顶杆系统包括固定于顶板上的支撑杆、连接于支撑杆一端的支撑块和穿过支撑块的顶杆。

优选的，所述双材料界面的断裂试验装置还包括一端穿过支撑杆，另一端通过连接件与顶板连接的后置板。

优选的，所述材料一为纤维复合材料与光纤布拉格光栅的复合物。

优选的，所述材料二为混凝土。

优选的，所述材料二为钢材。

有益效果：本发明的双材料界面的断裂试验装置不仅能够准确的模拟双材料界面的滑移型模式和混合模式的断裂破坏，而且能够准确的得到计算上述断裂模式的断裂能所需的各种关键参数。采用该试验装置，可以方便研究人员进行双材料界面断裂破坏的试验研究，同时，所得的参数能够满足相关理论模型的概念要求。

当前，研究双材料界面这个领域主要存在的问题是当前的学术界尚未提出一个能经济、有效并能准确模拟混合模式的的试验装置。双材料界面断裂能的试验装置，用来模拟不同模式下的双材料界面的断裂破坏。为了克服以上缺点，本发明提供的实验装置不仅能够准确的模拟双材料界面不同断裂模式，而且能够为试验者准确的提供计算不同断裂模式的断裂能所需的各种关键参数，进而得到滑移型断裂模式和混合型断裂模式下的断裂能。

附图说明

图1是相关技术的双材料界面的断裂试验装置的示意图；

图2是相关技术的双材料界面的断裂试验装置另一视角的示意图；

图3是本发明双材料界面的断裂试验装置的示意图；

图4是本发明双材料界面的断裂试验装置的另一视角的示意图；

图5是本发明双材料界面的断裂试验装置部分部件的示意图；

图6是本发明双材料界面的断裂试验装置部分部件另一视角的示意图；

图7是本发明双材料界面的断裂试验装置部分部件第三视角的示意图；

图8是光纤布拉格光栅测试FRP应变示意图。

具体实施方式

本发明所采用的技术方案由两部分组成：滑移型模式和混合型模式的试验。当该装置的顶杆系统没有使纤维复合材料产生偏移，则该试验属于滑移型试验模式；当该装置的顶杆系统使纤维复合材料产生偏移，则该试验属于混合型试验模式。利用该试验装置，试验者能快速并准确的得到混合型试验模式中纤维复合材料产生的侧移。在采用本装置的试验中，材料一采用带有复合光纤布拉格光栅的纤维复合材料，该材料可以准确反映出纤维复合材料在长度方向的应变分布。已开裂的纤维复合材料的应变远大于未开裂处纤维复合材料的应变，所以在已开裂与未开裂的交界处必有一个应变突变，而这个交界处(即应变突变点)就是该方式中裂缝的所在。

请参阅图3至图8，一种双材料界面的断裂试验装置11，其包括疲劳机6、固定于疲劳机6上的底板4、置于底板4上的材料二2、放置于材料二2的压板5、穿过压板5并将材料二2固定于疲劳机6上的螺杆3和一端贴合于材料二2的材料一1，其中，所述双材料界面的断裂试验装置11还包括固定于压板5上的顶板7和置于顶板7上的可自由伸缩的顶杆系统8。

顶杆系统8包括固定于顶板7上的支撑杆14、连接于支撑杆11一端的支撑块16和穿过支撑块16的顶杆15。

所述双材料界面的断裂试验装置11包括一端穿过支撑杆14，另一端通过连接件9与顶板7连接的后置板10。

顶板7焊接于压板5，并由顶板支撑块13和置于构件后面的后置板10以及连接件9共同对其提供侧向支撑。

本发明材料二2采用尺寸为150mm×150mm×550mm混凝土构件，在所述材料二2上粘贴100mm宽和250mm长的材料一1，即纤维复合材料与光纤布拉格光栅的复合物，以构成试验所需的双材料构件。材料二2也可以为钢材。顶杆系统8使材料一1的自由端精确产生试验人员所需的偏移距离。

将材料一1的自由端固定于疲劳机6的加载端，即可用疲劳机6进行加载。

滑移型剥离破坏试验的加载结束后，由疲劳机6可直接得到Nx；混合型剥离破坏试验的加载结束后，由疲劳机6可直接得到Nx；通过对顶杆系统8应变的测量，换算即可得到顶杆系统8对材料一的侧移力Ny。

将剥离下来的材料一进行三点弯曲，并测得其挠度。根据材料力学中，关于三点弯曲梁的挠度公式反算，即可得到材料一的刚度Σ13E₃。通过弹性模量的试验，即可得到材料一的弹性模量E₃。除此之外的其他试验参数，试验者可用直尺得出。

实验人员仅需将得到的上述试验参数，带到以下相应的公式中，即可得到不同模式断裂能G。

相应的不同断裂模式的断裂能G的计算方法：

1、滑移型模式的应力强度因子 $K_{\mathrm{shear}}=\frac{N_x^2}{2B^2{\stackrel{\‾}{E}}_3}(\frac{1}{A_{1}h}+\frac{{\mathrm{\Ψ}}^2}{I_1{h}^3})$

断裂能 $G_{\mathrm{shear}}=\frac{K_{\mathrm{shear}}^2}{\stackrel{\‾}{E_3}}$

2、混合型的断裂能G_M txedMode＝G_peel+G_shear

其中，N_y为滑移型模式的极限剥离承载力(该试验参数可由疲劳机读得)，B为粘结宽度，h为材料一的厚度，1为材料一与材料二的粘结长度，a为预裂长度，E₃为剥离时材料二的弹性模量(混凝土的弹性模量取其退化的弹性模量)， ${\mathrm{\Σ}}_{\mathrm{mn}}=\stackrel{\‾}{E_m}/\stackrel{\‾}{E_n},$ 其中m，n分别为1，2，3，其中1为材料一，2为胶层，3为材料二。 $A_1={\mathrm{\Σ}}_{13}+{\mathrm{\Σ}}_{23}\frac{\mathrm{\γ}}{\mathrm{\η}}+{\mathrm{\ξ}}_{23}.$

$I_1={\mathrm{\Σ}}_{13}[{\left(\frac{\mathrm{\γ}}{\mathrm{\η}}\right)}^2+(1-2{\mathrm{\α}}_3+2{\mathrm{\ξ}}_3)\left(\frac{\mathrm{\γ}}{\mathrm{\η}}\right)+{\mathrm{\ξ}}_3(1-2{\mathrm{\α}}_3+{\mathrm{\ξ}}_3)+\frac{3{(1-2{\mathrm{\α}}_3)}^2+1}{12}]+$

${\mathrm{\Σ}}_{23}[\frac{1}{3}{\left(\frac{\mathrm{\γ}}{\mathrm{\η}}\right)}^3+({\mathrm{\ξ}}_3-{\mathrm{\α}}_3){\left(\frac{\mathrm{\γ}}{\mathrm{\η}}\right)}^2+({\mathrm{\ξ}}_3-{\mathrm{\α}}_3)\left(\frac{\mathrm{\γ}}{\mathrm{\η}}\right)]+{\mathrm{\ξ}}_3{\mathrm{\α}}_3({\mathrm{\α}}_3-{\mathrm{\ξ}}_3)+\frac{1}{3}{\mathrm{\ξ}}_3^3$

h为材料一的厚度；t为胶层的厚度；H为材料二的厚度。

η＝h/H，γ＝t/H，ξ＝1/η，ξ_i＝H_i/h，其中i＝1，2，3。

α₃＝(ηξ₃)²+∑₂₃γ(2ηξ₃+γ)+∑₁₃η(2ηξ₃+2γ+η)/2η(ηξ₃+∑₂₃γ+∑₁₃η)

δ＝∑₁₂+2∑₁₂γ/η+(γ/η)²/2(∑₁₂+γ/η)

Δ₂＝∑₁₂(1+2(γ/η)-2ξ₂)+(γ/η-ξ₂)²/2(∑₁₂+γ/η-ξ₂)

综上所述，尽管本发明的基本结构、原理、方法通过上述实施例予以具体阐述，在不脱离本发明要旨的前提下，根据以上所述的启发，本领域普通技术人员可以不需要付出创造性劳动即可实施变换/替代形式或组合，此处不再赘述。

Claims (5)

1、一种双材料界面的断裂试验装置，包括疲劳机(6)、固定于疲劳机(6)上的底板(4)、置于底板(4)的材料二(2)、置于材料二(2)的压板(5)和一端贴合于材料二(2)的材料一(1)，其特征在于：所述双材料界面的断裂试验装置(11)还包括固定于压板(5)上的顶板(7)以及置于顶板(7)上的可自由伸缩的顶杆系统(8)，所述顶杆系统(8)包括固定于顶板(7)上的支撑杆(14)、连接于支撑杆(14)一端的支撑块(16)和穿过支撑块(16)的顶杆(15)。

2、根据权利要求1所述的双材料界面的断裂试验装置，其特征在于：所述双材料界面的断裂试验装置(11)还包括一端穿过支撑杆(14)，另一端通过连接件(9)与顶板(7)连接的后置板(10)。

3、根据权利要求2所述的双材料界面的断裂试验装置，其特征在于：所述材料一(1)为纤维复合材料与光纤布拉格光栅的复合物。

4、根据权利要求3所述的双材料界面的断裂试验装置，其特征在于：所述材料二(2)为混凝土。

5、根据权利要求3所述的双材料界面的断裂试验装置，其特征在于：所述材料二(2)为钢材。

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