CN107036915A - 一种冲击荷载作用下测量frp与混凝土粘结性能的试验装置及方法 - Google Patents

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陈前均
丁祖德
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Abstract

本发明公开了一种冲击荷载作用下测量FRP片材与混凝土粘结性能的试验装置及其试验方法,该装置是在跨中预留缝隙的混凝土矩形截面小梁受压区配置两根纵向钢筋,试件内部配置一定量的箍筋,受拉区底面粘贴两块不同尺寸的FRP片材。本发明的试验方法为:按三点弯曲加载的方式,在试件两侧对称设置铰支座,在跨中裂缝上布置钢垫块,通过落锤施加冲击荷载。在预留缝隙处,钢筋受压而FRP受拉,控制落锤高度达到FRP的不同应变率。本发明提供的冲击荷载作用下测量FRP与混凝土粘结性能的试验装置及其试验方法原理明确,试件制备容易,加载方式简单,所需材料及仪器少,便于研究冲击荷载作用时FRP和混凝土的粘结性能。

Description

一种冲击荷载作用下测量FRP与混凝土粘结性能的试验装置 及方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种FRP片材外贴加固混凝土构件加固性能测试技术,尤其是一种FRP 与混凝土粘结性能的测试技术,具体说是一种针对冲击荷载作用下测量FRP与混凝土粘结 性能的试验装置及其试验方法。
背景技术
[0002] 混凝土结构随着使用时间的增加,不可避免的发生老化或者结构损伤,容易出现 裂缝。纤维增强复合材料(Fiber Reinforced Polymer,简称FRP)因其耐腐蚀性,轻质高强 等优点,被广泛用于混凝土及其他结构的加固。其中,外贴FRP片材的加固方法,施工便捷, 加固效果明显,被广泛应用。大量试验证明,FRP和混凝土结构共同受力的过程中,往往不是 FRP材料被拉断破坏,而是由于FRP-混凝土界面强度不足导致的剥离破坏。
[0003] 加固后的结构,仍然可能承受多种形式的动荷载作用,如地震、爆炸、撞击等。由于 FRP和混凝土都是应变率敏感性材料,在动荷载作用下,材料和结构将表现出与静态不同的 力学行为。因此,FRP和混凝土界面的粘结性能在动荷载作用下将和静荷载作用下有所区 别。
[0004] 目前,对动荷载作用下,受材料应变率效应影响,FRP-混凝土粘结性能的试验研究 还比较少,主要的试验装置还是传统的剪切装置(单面剪切试验、双面剪切试验)。而剪切试 验很难解决试件的对中、夹具滑移和试件锚固等问题,同时,针对冲击荷载,传统剪切试验 装置不易加载,难以达到高应变率。目前缺乏结构简单,安装方便的能测量较高应变率下的 FRP与混凝土粘结性能试验装置。
发明内容
[0005] 本发明的目的是针对现有的试验装置的局限性和试验技术存在的不足,提出一种 能测量冲击荷载作用下,FRP与混凝土界面粘结性能的试验装置及其试验方法。
[0006] 为解决上述技术问题,本发明采用的技术方案为:一种冲击荷载作用下测量FRP与 混凝土粘结性能的试验装置,包括试件1,所述试件1为矩形混凝土小梁,所述试件1中间预 留缝隙,两根钢筋3纵向贯穿其受压区;试件1内部配置一定数量的箍筋6;试件1的受拉区底 面沿预留缝对称地粘贴FRP片材12,其中一侧底面在原有FRP片材12上再粘贴和底面宽度相 同的FRP片材Π 7,另一侧为测试端,其底面在FRP片材12表面粘贴应变片;在预留缝隙上对 称的放置钢垫块4,由落锤施加冲击荷载,试件1两侧对称支撑在支座上,落锤和两个支座分 别连接力传感器。
[0007] 进一步的,所述试件1的预留缝隙沿试件1中间横截面贯穿其间,且预留缝隙宽度 为 5mm〇
[0008] 进一步的,所述钢筋3纵向贯穿试件1并且两端各伸出25mm,其直径保证FRP-混凝 土界面的破坏发生在钢筋3屈服之前,并且在试件1的制备过程中能承受自重,不发生塑性 变形。
[0009] 进一步的,所述箍筋6的位置及数量根据试件1不发生剪切破坏的要求设置。
[0010] 进一步的,所述FRP片材12的宽度小于FRP片材Π 7的宽度,测试端的FRP片材12的 粘结长度必须达到静力作用下有效粘结长度的要求。
[0011] 利用上述试验装置测量冲击荷载作用下FRP与混凝土粘结性能的试验方法,包括 以下步骤: a试件1的制备:首先在混凝土小梁的模具中间放入5mm厚的挡板形成预留缝隙,预留纵 向放置钢筋3的孔洞,放入绑好的钢筋骨架后浇筑混凝土,振捣密实后养护,脱模后对试件1 底面用高压水枪喷射清理,保证试件1底面平整,直到露出骨料,然后在底面上沿预留缝隙 对称地粘贴FRP片材12,再在一侧FRP片材上粘贴和混凝土梁底面一样宽的FRP片材Π 7,保 证粘结失效发生在另一侧,最后,在测试端的FRP片材12上从中向端部等间距粘贴应变片5; b试验装置安装:将试件1对称铰接固定在支座上,在预留缝隙上对称放置钢垫板4,预 留缝隙位于加载装置的落锤正下方,在落锤以及两个支座上分别连接好力传感器,安装高 速摄像机,保证能观察整个FRP-混凝土的粘结界面并记录整个试件1受力过程,最后将力传 感器和应变片5与数据记录仪相连; c试验:先估算FRP-混凝土界面粘结破坏荷载并由此确定落锤下落高度,再检查应变片 5和力传感器能否正常工作,调试好设备后将落锤升到指定高度,打开高速摄像机,释放落 锤,通过落锤上的力传感器得到第一次冲击的最大荷载和作用时间,通过数据记录仪记录 测试端的FRP片材12不同位置的应变,得到破坏时测试端的FRP片材12的最大应变和最大应 力,通过高速摄像机观察破坏过程和破坏模式,试验完成。
[0012] 其中所述测试端的FRP片材12的粘贴长度需满足有效粘贴长度要求,BP:
Figure CN107036915AD00051
其中,
Figure CN107036915AD00052
为有效粘贴长度,
Figure CN107036915AD00053
>^FRP片材12的弹性模量,化^为FRP片材12片材的厚 度,
Figure CN107036915AD00054
%混凝土抗压强度。
[0013] 本发明的有益效果是: 本发明的试验装置结构简单,所需材料及仪器少,同时,试验方法原理明确,加载方式 简单并且能达到较高应变率。可以利用该装置比较准确的测量FPR-混凝土界面在冲击荷载 作用下的粘结性能,观察破坏现象分析破坏模式,便于分析不同应变率效应对界面性能的 影响。此外,利用该试验装置获得的数据还可以为数值分析中快速荷载作用下FRP-混凝土 界面黏结滑移模型的建立提供理论依据。
附图说明
[0014] 图1是本发明试验装置的正立面示意图; 图2是本发明试验装置的底面示意图; 图3是本发明试验装置的纵向截面示意图; 图4是本发明试验装置的横向截面示意图; 图中:I -试件,2 -FRP片材I,3-纵向钢筋,4-钢垫块,5-应变片,6-箍筋,7-FRP片材Π。
具体实施方式
[0015] 下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。
[0016] 实施例1: 一种冲击荷载作用下测量FRP与混凝土粘结性能的试验装置,包括试件 1,所述试件1为矩形混凝土小梁,所述试件1中间预留缝隙,两根钢筋3纵向贯穿其受压区; 试件1内部配置一定数量的箍筋6;试件1的受拉区底面沿预留缝对称地粘贴FRP片材12,其 中一侧底面在原有FRP片材12上再粘贴和底面宽度相同的FRP片材Π 7,另一侧为测试端,其 底面在FRP片材12表面粘贴应变片;在预留缝隙上对称的放置钢垫块4,由落锤施加冲击荷 载,试件1两侧对称支撑在支座上,落锤和两个支座分别连接力传感器。
[0017] 实施例2 :试件1的混凝土强度等级为C30,梁的截面尺寸采用800mm X IOOmmX 150mm,预留缝沿跨中横截面贯穿全梁,优选的,其宽度为5mm;所述的FRP片材12,优选的,采 用CFRP (碳纤维增强复合材料)片材,一块尺寸为600mm X 50mm,厚1.4mm,FRP片材Π 7尺寸为 300mm X IOOmm,厚1.4mm,较窄的一块对称的粘贴在梁底预留缝两侧,较宽的一块粘在其中 一侧的FRP片材12上;受压区两根钢筋3纵向贯穿混凝土梁并且两端各伸出25mm,便于试验 中对梁的移动,为保证试验时FRP-混凝土界面的破坏发生在钢筋屈服之前,并且在试件的 制备过程中能承受试件自重,不发生塑性变形,优选的,钢筋3采用直径为12mm的HRB500的 带肋钢筋;对于该试件1需保证其斜截面承载力,确保其不发生斜截面受剪破坏,按混凝土 结构受弯构件斜截面承载力计算和构造要求设置箍筋6的位置及数量,如图3-4所示,优选 的,箍筋6形式采用开口式,将两根钢筋3包围起来,直径为6mm,梁跨中两侧箍筋距离预留缝 25mm,箍筋间距为65mm,由跨中向梁两端均匀设置;根据《混凝土结构设计规范》,混凝土强 度等级为C30时,混凝土保护层厚度即钢筋3表面距离试件1上表面的距离采用25mm;在梁跨 中缝隙上对称放置钢垫块4,优选的,尺寸为IOOmmX 100mm,均分冲击荷载到梁两侧。
[0018] 混凝土梁两侧对称支撑在铰支座上,并在支座和落锤上都安装力传感器;测试端 的FRP片材12的粘结长度必须达到静力作用下有效粘结长度的要求。
[0019]
Figure CN107036915AD00061
式中
Figure CN107036915AD00062
为FRP片材12有效粘贴长度,
Figure CN107036915AD00063
为FRP片材12的弹性模量,
Figure CN107036915AD00064
为FRP片材12 片材的厚度,
Figure CN107036915AD00065
为混凝土抗压强度,其中混凝土抗压强度测试时采用圆柱体试件,由试验测 得,优选的,
Figure CN107036915AD00066
而本实施例中
Figure CN107036915AD00067
实际粘结长度为 即满足了静力作用下有效粘接 长度的要求。
[0020] 实施例3:采用实施例1的试验装置测量冲击荷载作用下FRP与混凝土粘结性能的 试验方法,包括如下步骤: (a)试件的制备:首先在混凝土小梁的模具中间放入5mm厚的挡板(预留纵向钢筋孔 洞)形成预留缝,放入绑好的钢筋骨架后浇筑混凝土,振捣密实后养护,脱模后对试件底面 用高压水枪喷射清理,直到露出骨料,保证试件底面平整,然后在底面上沿预留缝对称地粘 贴较窄的FRP片材12,再在一侧FRP片材12上粘贴和混凝土梁底面一样宽的FRP片材Π 7,保 证粘结失效发生在另一侧,最后,在试验一侧的FRP片材12上从跨中向端部等间距粘贴应变 片5,其中,试验一侧FRP片材12的粘贴长度需满足FRP有效粘贴长度要求; (b) 试验装置安装:将试件1对称铰接固定,在缝隙上对称放置钢垫板4,缝隙位于加载 装置的落锤正下方,在落锤以及两个支座上分别连接好力传感器,安防好高速摄像机,保证 能较好观察整个FRP-混凝土的粘结界面并记录整个试件受力过程,最后将力传感器和应变 片5与数据记录仪相连; (c) 试验:如图4所示,先估算FRP-混凝土界面粘结破坏荷载并由此确定落锤下落高 度,再检查应变片5和力传感器能否正常工作,调试好设备后将落锤升到指定高度,打开高 速摄像机,释放落锤,通过落锤上的力传感器得到第一次冲击的最大荷载和作用时间,通过 数据记录仪记录的FRP不同位置的应变,得到破坏时FRP的最大应变和最大应力,通过高速 摄像机观察破坏过程和破坏模式,试验完成。
[0021]上面结合附图对本发明的具体实施例作了详细说明,但是本发明并不限于上述实 施例,在本领域普通技术人员所具备的知识范围内,还可以在不脱离本发明宗旨的前提下 作出各种变化。

Claims (7)

1. 一种冲击荷载作用下测量FRP与混凝土粘结性能的试验装置,包括试件(I),其特征 在于:所述试件(1)为矩形混凝土小梁,所述试件(1)中间预留缝隙,两根钢筋(3)纵向贯穿 其受压区;试件(1)内部配置一定数量的箍筋(6);试件(1)的受拉区底面沿预留缝对称地粘 贝占FRP片材I (2),其中一侧底面在原有FRP片材I (2)上再粘贴和底面宽度相同的FRP片材Π (7),另一侧为测试端,其底面在FRP片材I (2)表面粘贴应变片;在预留缝隙上对称的放置钢 垫块(4),由落锤施加冲击荷载,试件(1)两侧对称支撑在支座上,落锤和两个支座分别连接 力传感器。
2. 根据权利要求1所述的冲击荷载作用下测量FRP与混凝土粘结性能的试验装置,其特 征在于:所述试件(1)的预留缝隙沿试件(1)中间横截面贯穿其间,且预留缝隙宽度为5mm。
3. 根据权利要求1所述的冲击荷载作用下测量FRP与混凝土粘结性能的试验装置,其特 征在于:所述钢筋(3)纵向贯穿试件(1)并且两端各伸出25mm,其直径保证FRP-混凝土界面 的破坏发生在钢筋(3)屈服之前,并且在试件(1)的制备过程中能承受自重,不发生塑性变 形。
4. 根据权利要求1所述的冲击荷载作用下测量FRP与混凝土粘结性能的试验装置,其特 征在于:所述箍筋(6)的位置及数量根据试件(1)不发生剪切破坏的要求设置。
5. 根据权利要求1所述的冲击荷载作用下测量FRP与混凝土粘结性能的试验装置,其特 征在于:所述FRP片材I (2)的宽度小于FRP片材Π (7)的宽度,测试端的FRP片材I (2)的粘结 长度必须达到静力作用下有效粘结长度的要求。
6. —种采用权利要求1-5所述的试验装置测量冲击荷载作用下FRP与混凝土粘结性能 的试验方法,其特征在于:包括以下步骤: (a) 试件(1)的制备:首先在混凝土小梁的模具中间放入5mm厚的挡板形成预留缝隙,预 留纵向放置钢筋(3)的孔洞,放入绑好的钢筋骨架后浇筑混凝土,振捣密实后养护,脱模后 对试件(1)底面用高压水枪喷射清理,保证试件(1)底面平整,直到露出骨料,然后在底面上 沿预留缝隙对称地粘贴FRP片材I (2),再在一侧FRP片材上粘贴和混凝土梁底面一样宽的 FRP片材Π (7),保证粘结失效发生在另一侧,最后,在测试端的FRP片材I (2)上从中向端部 等间距粘贴应变片(5); (b) 试验装置安装:将试件(1)对称铰接固定在支座上,在预留缝隙上对称放置钢垫板 (4),预留缝隙位于加载装置的落锤正下方,在落锤以及两个支座上分别连接好力传感器, 安装高速摄像机,保证能观察整个FRP-混凝土的粘结界面并记录整个试件(1)受力过程,最 后将力传感器和应变片(5)与数据记录仪相连; (c) 试验:先估算FRP-混凝土界面粘结破坏荷载并由此确定落锤下落高度,再检查应变 片(5)和力传感器能否正常工作,调试好设备后将落锤升到指定高度,打开高速摄像机,释 放落锤,通过落锤上的力传感器得到第一次冲击的最大荷载和作用时间,通过数据记录仪 记录测试端的FRP片材I (2)不同位置的应变,得到破坏时测试端的FRP片材I (2)的最大应变 和最大应力,通过高速摄像机观察破坏过程和破坏模式,试验完成。
7. 根据权利要求6所述的试验方法,其特征在于:所述测试端的FRP片材I (2)的粘贴长 度需满足有效粘贴长度要求,BP :
Figure CN107036915AC00031
其中,!^为有效粘贴长度为FRP片材I (2)的弹性模量,__ SFRP片材I (2)片材 的厚度,·为混凝土抗压强度。
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