CN103267724A - 纤维增强复合筋材与混凝土粘接强度的梁式试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种纤维增强复合筋材与混凝土粘接强度的梁式试验装置，对FRP-混凝土试件进行性能测试，该FRP-混凝土试件内部埋设有FRP筋，包括第一钢梁、第二钢梁、分配梁和压板，所述第一钢梁和第二钢梁的两端的上部通过钢棒铰接件铰接，同时第一钢梁和第二钢梁的下端通过固定钢板固接；所述分配梁设在第一钢梁和第二钢梁之上，且中心轴线穿过铰接点；所述第二钢梁的下方设有两块压板；所述FRP-混凝土试件放置在第一钢梁内，且FRP筋穿过第一钢梁的铰接端，并伸入两块压板之间进行固定。本装置能消除初试几何偏心，保证所施加的拉力为轴心拉伸荷载，提高测试准确度。

Description

纤维增强复合筋材与混凝土粘接强度的梁式试验装置

技术领域

本发明属于建筑、桥梁、水冷和交通等领域的材料性能测试技术领域，尤其涉及纤维增强复合筋材与混凝土粘接性能的试验装置。 

背景技术            

FRP是一种新型的纤维复合材料，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。用FRP筋代替钢筋混凝土结构中的钢筋，将会较大的提高混凝土结构的使用性能和耐久性能，延长混凝土结构的使用寿命，从而降低建筑结构成本和维修费用。用FRP筋代替钢筋，在外荷载作用下，影响FRP筋与混凝土之间共同工作、协调变形的关键因素是FRP筋与混凝土之间粘结力的传递。为此，国内外许多专家针对FRP筋与混凝土的粘结性能进行了大量的理论和试验研究。

FRP筋和混凝土粘结力的组成类似于钢筋混凝土结构,粘结力主要有下面三种:(1)化学胶结力：筋与混凝土接触面上的化学吸附作用力也称胶结力。这力来源于浇注时水泥浆体向筋表面渗透和养护过程中的水泥晶体的生长和硬化，从而使水泥胶体与筋表面产生吸附胶着作用。这种力一般很小，当接触面发生相对滑动时就消失，仅在局部无滑移区段内起作用。(2)摩阻力：混凝土收缩后，将筋紧紧地握裹住而产生的力。筋和混凝土之间的挤压力越大，接触面越粗糙，则摩擦力越大。光面的FRP直筋，在产生相对滑动后，粘结力主要来自摩阻力。(3)机械咬合力：筋表面凹凸不平与混凝土产生的机械咬合作用而产生的力。对于表面变形带肋的FRP筋，咬合力是指带肋筋嵌入混凝土而形成的机械咬合作用，这种咬合作用往往很大，是变形带肋FRP筋与混凝土粘结力的主要来源。对于光面的FRP直筋,由于表面过于光滑，破坏时，一般以滑移拔出破坏为主。对于表面变形带肋FRP筋，一般由变形肋与混凝土的挤压作用产生斜向作用力，斜向力在筋表面会产生切向分力和径向分力，径向分力使截面混凝土处于环向受拉状态。当加载到一定载荷时，界面混凝土因环向拉应力的作用而产生内裂缝，若混凝土保护层较薄，环向拉应力超过混凝土抗拉强度时，试件内形成径向—纵向裂缝，这种裂缝由筋表面沿径向往试件外表发展，同时由加载端往自由端延伸，最后导致混凝土劈裂破坏。若混凝土保护层较厚或有横向箍筋的约束，径向裂缝的发展受到限制，不致于产生劈裂破坏。但筋的滑移会大幅增加，随着FRP筋肋的不断削弱和滑移的继续，最终导致筋被拔出的滑移破坏。目前，国内外已进行的粘结试验大多为拉拔试验，梁式试验较少，试验方法单一，研究成果具有一定的局限性。而在实际的房屋结构和桥梁结构中，FRP筋代替钢筋作为梁底受拉筋，拉拔试验与实际FRP筋在工程实践中的受力情形有所差异。同时，FRP的弹性模量小，约为普通钢筋的25%-70%，抗剪和抗挤压强度低，拉拔试验过程中容易使FRP筋还为达到极限抗拉应力时被夹断。 

由上可知，在研究FRP筋与混凝土的粘结性能试验中，拉拔试验存在上述诸多现实问题，阻碍了FRP筋与混凝土粘结性能的研究。因此，研制适用于研究FRP筋与混凝土的粘结性能的试验装置具有重要的应用价值，对于FRP筋替代钢筋作为梁受拉筋的混凝土结构试验研究提供了科学的试验仪器，具有广阔的应用前景。 

发明内容

发明目的：针对上述现有存在的问题和不足，本发明的目的是提供一种纤维增强复合筋材与混凝土粘接强度的梁式试验装置，通过本装置能消除初试几何偏心，保证所施加的拉力为轴心拉伸荷载，提高测试准确度。 

技术方案：为实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案：一种纤维增强复合筋材与混凝土粘接强度的梁式试验装置，对FRP-混凝土试件进行性能测试，该FRP-混凝土试件内部埋设有FRP筋，包括第一钢梁、第二钢梁、分配梁和压板，所述第一钢梁和第二钢梁的两端的上部通过钢棒铰接件铰接，同时第一钢梁和第二钢梁的下端通过固定钢板固接；所述分配梁设在第一钢梁和第二钢梁之上，且中心轴线穿过铰接点；所述第二钢梁的下方设有两块压板；所述FRP-混凝土试件放置在第一钢梁内，且FRP筋穿过第一钢梁的铰接端，并伸入两块压板之间进行固定。 

对上述技术方案改进，所述FRP-混凝土试件对应第一钢梁的侧壁设有自攻螺栓，并对FRP-混凝土试件进行测向定位固定；同时FRP-混凝土试件顶部对应第一钢梁也设有自攻螺栓，并对FRP-混凝土试件进行紧固。 

进一步的，所述第一钢梁内部顶端设有槽型钢板，所述FRP-混凝土试件顶部对应的自攻螺栓穿过该槽型钢板。 

进一步的，所述第二钢梁下方的两块压板的相对面设有三角形开槽。 

进一步的，所述FRP筋采用热塑胶固定在两块压板之间。 

进一步的，所述分配梁底部设有槽型支撑件固定在第一钢梁和第二钢梁上。 

进一步的，所述第一钢梁和第二钢梁底部分别设有滚动支座。 

进一步的，所述两块压板靠近铰接点的一端为弧形。 

进一步的，所述第一钢梁远离铰接点的一端设有可拆卸槽型钢板。 

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点： 

（1）拉拔试验中偏心问题的解决：传统拉拔试验，所施加的拉力与FRP筋很难精确控制在同一直线上，原因有：混凝土试件中埋置FRP筋由于施工等因素可能存在倾斜；夹持FRP筋时，夹头悬于试件上方，试验者的操作熟练程度将直接影响对正情况；为防止FRP筋滑移，在FRP筋加载端夹持处放置两块钢板，钢板厚度的偏差将导致所施拉力与FRP筋不在同一直线上。

为了保证所施加的拉力为轴心拉伸荷载，本发明采用钢板夹住FRP筋，将FRP筋完全固定住，从而消除初始几何偏心。在试验过程中， FRP筋由钢板紧紧固定，从而保证FRP筋承受的是轴心拉伸荷载。 

（2）拉拔试验中将FRP筋夹断、难于锚固问题的解决：FRP筋的弹性模量小，抗剪和抗挤压强度低，传统的拉拔试验容易将FRP筋在加载端剪断，不能完整的测出FRP筋与混凝土的粘结性能。本实验新型采用钢板内浇筑热塑胶锚固FRP筋，而热塑胶与FRP筋的粘结强度高于混凝土与FRP筋的粘结强度，保证了混凝土与FRP筋发生滑移之前FRP筋的锚固不出现问题。且FRP筋与钢板相连的长度足够，解决了传统拉拔试验中FRP筋因局部受力容易将FRP筋剪断的问题。 

（3）传统中心拉拔试验与FRP筋实际受力状况存在差异问题的解决：在实际的工程中，FRP筋代替钢筋作为梁底受拉钢筋，而传统的拉拔试验中FRP筋属于中心受拉，与实际FRP筋的受力情况存在差异。本实验新型采用梁式实验，与实际FRP筋受力情况相吻合，对混凝土与FRP筋的粘结性能的研究更有说服力。 

（4）梁式试验装置占用体积小（220mm×280mm×1800mm），可利用MTS伺服液压试验机进行FRP筋与混凝土粘结性能试验研究，试验操作简便易行。 

（5）梁式试验装置的四点受弯试验比传统的拉拔试验更加稳定。同时可以通过控制钢梁加载点与支座的距离（S）和梁高（h），将MTS伺服液压试验机作用于钢梁的力（P）放大，并以拉力的作用于FRP筋上，大小为（PS/2h）。 

（6）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。 

附图说明

图1为本发明所述梁式试验装置的结构示意图； 

图2为图1中A-A方向的剖视图；

图3为图1中B-B方向的剖视图；

图4为图1中C-C方向的剖视图；

图5为本发明所述第一钢梁的结构示意图；

图6为本发明所述第二钢梁的结构示意图；

图7为图5中D-D方向的剖视图；

图8为图5中E-E方向的剖视图；

图9为图6中F-F方向的剖视图；

图10为图6中G-G方向的剖视图。

其中，第一钢梁1、第二钢梁2、分配梁3、压板4、钢棒铰接件5、固定钢板6、FRP-混凝土试件7、FRP筋8、自攻螺栓9、槽型钢板10、槽型支撑件11、滚动支座12、可拆卸槽型钢板13、挡板14、铰接杆15。 

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。 

如图1所示，一种纤维增强复合筋材与混凝土粘接强度的梁式试验装置，包括第一钢梁、第二钢梁、分配梁和压板。其中第一钢梁和第二钢梁通过钢棒铰接件相连，钢棒铰接件的左端设有铰接孔，铰接孔内设有铰接杆，钢棒铰接件通过铰接杆与第一钢梁连接；钢棒铰接件的右端通过个螺栓与第二钢梁固定连接。分配梁位于第一钢梁和第二钢梁的上方，分配梁的下端设有槽型支撑件，且分配梁的中心轴经过第一钢梁的铰接点。第一钢梁和第二钢梁的下端设有固定钢板，固定钢板分别通过2个螺栓与第一钢梁和第二钢梁连接。滚轴支座分别位于第一钢梁和第二钢梁的下方。第一钢梁的左端设有可拆卸槽型钢板， 第一钢梁的右端设有增强第一钢梁侧向刚度的开有孔洞的挡板，挡板上设有加劲肋。FRP-混凝土试件由第一钢梁的左端推入第一钢梁内，并在FRP-混凝土试件上放钢块，并通过自攻螺栓固定，自攻螺栓通过槽型钢板保证其稳定性。FRP-混凝土试件的侧面通过自攻螺栓固定。FRP筋的加载端从第一钢梁右侧孔洞伸出进入第二钢梁的下方，第二钢梁的下方有两块带有三角形开槽的压板，FRP筋的加载端伸入压板的槽口内，上下两块压板由螺栓与第二钢梁固定，且压板的左端做成弧形。 

其中第一钢梁由六块外侧钢板以及两块加劲钢板通过螺栓组装而成，首先加工八块钢板，在指定位置攻丝，将两块加劲钢板安装在第一钢梁上侧钢板内侧，将挡板和加劲肋分别通过螺栓固定于第一钢梁的右侧钢板内侧。然后将第一钢梁的上下左右以及右侧钢板通过螺栓拼装起来。第一钢梁左侧的槽型钢板可在试验过程中拆卸，由上下螺栓与第一钢梁的上下钢板相连。第二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，然后采用螺栓固定上下侧板。加工钢棒铰接件，在指定位置攻丝，钢棒铰接件左端通过铰接孔、铰接杆2与第一钢梁连接，右端通过四个螺栓与第二钢梁连接。固定FRP筋的压板按尺寸加工并在指定位置攻丝即可，压板通过八个螺栓与第二钢梁连接。加工固定钢板，固定钢板的左端通过两个螺栓与第一钢梁相连，右端也通过两个螺栓与第二钢梁相连，当试验开始后将固定钢板拆除。 

本发明的梁式试验装置进行FRP筋与混凝土粘接性能的测试包括以下步骤：（1）装置准备阶段：将第一钢梁和第二钢梁通过钢棒铰接件和固定钢板固定，分配梁通过槽型支撑件固定在第一钢梁和第二钢梁上，滚动追做分别位于第一钢梁和第二钢梁下方；（2）试件准备阶段：FRP-混凝土试件由第一钢梁左侧推入第一钢梁内，并在FRP-混凝土试件正上方放入钢块，由上侧自攻螺栓拧紧固定FRP-混凝土试件，同时在第一钢梁的前后两侧由自攻螺栓拧紧从侧面固定FRP-混凝土试件；FRP筋加载端由第一钢梁右侧洞孔伸出。伸出的FRP筋采用热塑胶固定于第二钢梁底的两块开槽压板之间，然后通过八组螺栓将压板与第二钢梁固定。将槽型钢板通过螺栓固定于第一钢梁的左侧以保证第一钢梁的整体刚度。FRP-混凝土试件内FRP筋贴有应变片。在第一钢梁的右侧放置位移计测量加载端的位移，在第一钢梁内放置位移计测量FRP筋自由端的位移。将电子应变片连接至应变采集仪调试仪器。（3）试验阶段：将固定钢板拆除，同时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。 

Claims (9)

1.一种纤维增强复合筋材与混凝土粘接强度的梁式试验装置，对FRP-混凝土试件进行性能测试，该FRP-混凝土试件内部埋设有FRP筋，其特征在于：包括第一钢梁、第二钢梁、分配梁和压板，所述第一钢梁和第二钢梁的两端的上部通过钢棒铰接件铰接，同时第一钢梁和第二钢梁的下端通过固定钢板固接；所述分配梁设在第一钢梁和第二钢梁之上，且中心轴线穿过铰接点；所述第二钢梁的下方设有两块压板；所述FRP-混凝土试件放置在第一钢梁内，且FRP筋穿过第一钢梁的铰接端，并伸入两块压板之间进行固定。

2.根据权利要求1所述纤维增强复合筋材与混凝土粘接强度的梁式试验装置，其特征在于：所述FRP-混凝土试件对应第一钢梁的侧壁设有自攻螺栓，并对FRP-混凝土试件进行测向定位固定；同时FRP-混凝土试件顶部对应第一钢梁也设有自攻螺栓，并对FRP-混凝土试件进行紧固。

3.根据权利要求2所述纤维增强复合筋材与混凝土粘接强度的梁式试验装置，其特征在于：所述第一钢梁内部顶端设有槽型钢板，所述FRP-混凝土试件顶部对应的自攻螺栓穿过该槽型钢板。

4.根据权利要求1所述纤维增强复合筋材与混凝土粘接强度的梁式试验装置，其特征在于：所述第二钢梁下方的两块压板的相对面设有三角形开槽。

5.根据权利要求4所述纤维增强复合筋材与混凝土粘接强度的梁式试验装置，其特征在于：所述FRP筋采用热塑胶固定在两块压板之间。

6.根据权利要求1所述纤维增强复合筋材与混凝土粘接强度的梁式试验装置，其特征在于：所述分配梁底部设有槽型支撑件固定在第一钢梁和第二钢梁上。

7.根据权利要求1所述纤维增强复合筋材与混凝土粘接强度的梁式试验装置，其特征在于：所述第一钢梁和第二钢梁底部分别设有滚动支座。

8.根据权利要求1所述纤维增强复合筋材与混凝土粘接强度的梁式试验装置，其特征在于：所述两块压板靠近铰接点的一端为弧形。

9.根据权利要求1所述纤维增强复合筋材与混凝土粘接强度的梁式试验装置，其特征在于：所述第一钢梁远离铰接点的一端设有可拆卸槽型钢板。

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