CN110530706A - 正应力约束下的双材料界面的加载装置及试验方法 - Google Patents

正应力约束下的双材料界面的加载装置及试验方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种正应力约束下的双材料界面的加载装置及试验方法，该装置包括：纵长延伸的基块，基块具有相对的第一端和第二端，相对的第一侧面和第二侧面；贴合在第一端的第一支承块，贴合在第二端的第二支承块；将第一支承块和第二支承块紧固在基块两端的第一安装组件；位于第一侧面的第一压板，位于第二侧面的第二压板，将第一压板和第二压板紧固在基块两侧的第二安装组件；第一压板与基块的第一侧面之间用于设置被测材料；被测材料具有伸出第一压板和基块的自由端；与被测材料的自由端相固定的疲劳机。本发明能够在考虑压力的情况下，保证计算断裂能所需的各种关键参数的精确度。

Description

正应力约束下的双材料界面的加载装置及试验方法
技术领域
本发明涉及试验装置技术领域，尤其涉及一种正应力约束下的双材料界面的加载装置及试验方法。
背景技术
本部分的描述仅提供与本发明公开相关的背景信息，而不构成现有技术。
夹层管由内向外主要包括：钢材管、混凝土夹芯层、复材(纤维增强复合材料FIBERREINFORCED POLYMER/PLASTIC，FRP)管。夹层管以其良好的抗腐性、稳定性、保温性、低成本被广泛用于海底管道。尽管夹层管有良好的整体性能，但是在工程实际使用时发现往往在构件发生强度破坏之前，会发生钢材(或者复材)与混凝土夹芯层界面之间的剥离破坏。
目前，国内外的学者倾向于用断裂力学的观点来阐述钢(或者复材)-混凝土界面的剥离机理。到目前为止，研究人员研究出一种双材料界面的断裂试验装置。如图1所示，该双材料界面的断裂试验装置11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，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。此外，该双材料界面的断裂试验装置还设置有一些配套组件，包括：连接件9、后置板10和螺杆3。该双材料界面断裂的试验装置能用来模拟不同模式下的双材料界面的断裂破坏。
但是，申请人发现：通常为钢材管的石油套管一般用水泥固结在地层。油田开发过程水泥环受到剪力时，在套管截面位置水泥环向内产生径向膨胀，会影响水泥环与套管之间粘结强度的测定。此外，当作用在混凝土的内压发生变化时，套管与混凝土之间的粘结强度也会发生变化。整体上，海底管道以及大多数结构发生界面剥离时承受着较大压力，而图1所示双材料界面的断裂试验装置11未曾考虑结构所承受的压力，进而影响了断裂模式下，计算断裂能所需的关键参数的精确度。
发明内容
为了克服现有技术中的至少一个缺陷，本发明提供了一种新的正应力约束下的双材料界面的加载装置及试验方法，能够在考虑压力的情况下，保证计算断裂能所需的各种关键参数的精确度。
本申请实施方式公开了一种正应力约束下的双材料界面的加载装置，该正应力约束下的双材料界面的加载装置包括：纵长延伸的基块，沿着所述纵长延伸的方向，所述基块具有相对的第一端和第二端，在垂直于所述纵长延伸的方向上，所述基块具有相对的第一侧面和第二侧面；贴合在所述第一端的第一支承块，贴合在所述第二端的第二支承块；将所述第一支承块和所述第二支承块紧固在所述基块两端的第一安装组件；位于所述第一侧面的第一压板，位于所述第二侧面的第二压板，将所述第一压板和所述第二压板紧固在所述基块两侧的第二安装组件；所述第一压板与所述基块的第一侧面之间用于设置被测材料；所述被测材料具有伸出所述第一压板和所述基块的自由端；与所述被测材料的自由端相固定的疲劳机。
在一个优选的实施方式中，所述基块为混凝土块，所述被测材料通过浇筑粘贴的方式固定在所述混凝土块上。
在一个优选的实施方式中，所述被测材料为钢材或复材。
在一个优选的实施方式中，所述第一安装组件包括：第一螺杆以及与所述第一螺杆相匹配的第一螺母；所述第二安装组件包括：第二螺杆以及与所述第二螺杆相匹配的第二螺母。
在一个优选的实施方式中，所述正应力约束下的双材料界面的加载装置还包括用于调节施加在所述被测材料上的压力的数显扭力扳手，所述数显扭力扳手作用在所述第一螺母、第二螺母上，转动所述第一螺母、第二螺母能用于调节施加于所述被测材料上的压力。
在一个优选的实施方式中，所述混凝土块沿着纵长延伸的方向上具有相互平行的第一平面和第二平面，所述第一压板和所述第二压板与所述第一平面和所述第二平面相平行，所述第一螺杆和所述第二螺杆均与所述第一平面或所述第二平面相垂直。
一种基于上述所述的正应力约束下的双材料界面的加载装置的试验方法，其包括：
启动疲劳机，对被测材料的自由端进行加载，进行滑移型剥离破坏试验；
在所述滑移型剥离破坏试验的加载步骤结束后，通过所述疲劳机获取第一计算参数；
将获取的第一计算参数代入滑移型模式的应力强度因子计算公式中，确定出当前应力强度因子；
将确定的所述当前应力强度因子代入断裂能计算公式中，确定出当前断裂能；
调节所述第一螺母和第二螺母，改变施加于所述被测材料中的压力，重复执行上述步骤；
获取多组不同压力下所对应的断裂能，基于获取的多组所述压力与断裂能数据，确定压力对断裂能的影响。
在一个优选的实施方式中，所述试验还包括：测量被测材料的刚度和弹性模量。
在一个优选的实施方式中，所述确定压力对断裂能的影响包括：确定所述压力与所述断裂能的对应关系，基于所述对应关系修正所述断裂能计算公式，修正后的所述断裂能计算公式为：
Ka＝Ga/ta，ta＝t-σ/E；
其中，Ga表示粘结剂的剪切模量，单位为MPa；ta是在正应力作用下的粘结层厚度，单位为mm；t为初始粘结层厚度，单位为mm；σ为压板作用在粘结层上的正应力，单位为MPa；E为环氧树脂粘结剂的弹性模量，单位为MPa；Ka为粘结层的剪切刚度，单位为MPa/mm；f′c为混凝土的抗压强度，单位为MPa。
在一个优选的实施方式中，所述方法还包括：基于获取的多组所述压力与断裂能数据确定断裂界面滑移s与界面连接强度τ的关系，所述断裂界面滑移s 与界面连接强度τ的关系包括：
当s≤s0时，
当s>s0时，
上式中：fN＝(1+μNx)，μ＝0.2；Nx由疲劳机获取； β＝0.0035Ka(E1h/1000)0.34；τ和s 通过置于被测材料与粘结剂界面的应变片测得；α为模型系数，通过回归统计得到；Ka为粘结层的剪切刚度，单位为MPa/mm；E1为被测材料的弹性模量，单位为MPa；h为被测材料的厚度，单位为mm。
本发明的特点和优点是：本申请实施方式中所提供的正应力约束下的双材料界面的加载装置，在基块，与基块相贴的第一支承块和第二支承块、放置在混凝土块上的第一压板和第二压板、固定在压板上的第一安装组件和第二安装组件、通过浇筑粘贴在混凝土上的被测材料、与被测材料相连的疲劳机的基础上，通过添加第一压板和第二压板，该装置便可通过压板上的安装组件施加压力，不仅能够准确模拟在一定约束下双材料界面的滑移型断裂模式，而且能够在考虑压力的情况下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。进一步的，基于确定的压力与断裂能的对应关系，可以修正断裂能计算公式，进而能够对实际夹层管产生准确的指导意义。
附图说明
图1为现有技术中一种双材料界面的断裂试验装置的结构示意图；
图2为本申请实施方式中提供的一种正应力约束下的双材料界面的加载装置主视图；
图3为本申请实施方式中提供的一种正应力约束下的双材料界面的加载装置俯视图；
图4为本申请实施方式中提供的一种正应力约束下的双材料界面的加载装置左视图；
图5为本申请实施方式中提供的基于正应力约束下的双材料界面的加载装置的试验方法的步骤流程图。
附图标记说明：
1、第一螺杆；2、第一支承块；3、第一螺母；4、第二螺杆；5、基块；6、第二支承块；7、第一压板；8、被测材料；9、第二压板；10、第二螺母。
具体实施方式
结合附图和本发明具体实施方式的描述，能够更加清楚地了解本发明的细节。但是，在此描述的本发明的具体实施方式，仅用于解释本发明的目的，而不能以任何方式理解成是对本发明的限制。在本发明的教导下，技术人员可以构想基于本发明的任意可能的变形，这些都应被视为属于本发明的范围。需要说明的是，当元件被称为“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本申请。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
本发明提供了一种新的正应力约束下的双材料界面的加载装置及方法，能够在考虑压力的情况下，保证计算断裂能所需的各种关键参数的精确度。
请结合参阅图2至图4，本说明书实施方式中所提供的一种正应力约束下的双材料界面的加载装置，其整体在结构上主要包括：纵长延伸的基块5，沿着所述纵长延伸的方向，所述基块5具有相对的第一端和第二端，在垂直于所述纵长延伸的方向上，所述基块5具有相对的第一侧面和第二侧面；贴合在所述第一端的第一支承块2，贴合在所述第二端的第二支承块6；将所述第一支承块 2和所述第二支承块6紧固在所述基块5两端的第一安装组件；位于所述第一侧面的第一压板7，位于所述第二侧面的第二压板9，将所述第一压板7和所述第二压板9紧固在所述基块5两侧的第二安装组件；所述第一压板7与所述基块5的第一侧面之间用于设置被测材料8；所述被测材料8具有伸出所述第一压板7和所述基块5的自由端；与所述被测材料8的自由端相固定的疲劳机。
在说明书中提供的正应力约束下的双材料界面的加载装置可以包括：基块 5(通常为混凝土块，以下基块5主要以混凝土块为例进行说明，其他种类的基块5可以进行类比参照)，与混凝土块相贴的第一支承块2和第二支承块6、放置在混凝土块上的第一压板7和第二压板9、固定在压板上的第一安装组件和第二安装组件、通过浇筑粘贴在混凝土上的被测材料8(该被测材料8可以为钢或者复材FRP)、与被测材料8相连的疲劳机，通过添加第一压板7和第二压板9，该装置便可通过压板上的安装组件施加压力(即正应力约束)，不仅能够准确模拟在一定约束下双材料界面的滑移型断裂模式，而且能够在考虑压力的情况下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。进一步的，基于确定的压力与断裂能的对应关系，可以修正断裂能计算公式，进而能够对实际夹层管产生准确的指导意义。
在本说明书中，所述被测材料8通过浇筑粘贴的方式固定在所述混凝土块上，从而可以较为真实地模拟夹层管的结构。
在本说明书中，第一压板7和第二压板9的尺寸及安装位置可以根据试验材料的大小进行改动。只要是需要研究两者剥离参数的材料都可以利用该试验装置测定。
在一个实施方式中，所述第一安装组件可以包括：第一螺杆1以及与所述第一螺杆1相匹配的第一螺母3。所述第二安装组件可以包括：第二螺杆4以及与所述第二螺杆4相匹配的第二螺母10。
在本实施方式中，当该第一安装组件、第二安装组件为螺杆和螺母配合的形式时，通过调节该螺母在螺杆上的位置，可以实现调节施加在被测材料8上的压力。该第一安装组件和第二安装组件可以穿过压板，对称分布在该基块5 的两侧。
调节时，为了保证调节的精确性，该正应力约束下的双材料界面的装置还可以包括用于调节施加在所述被测材料8上的压力的数显扭力扳手。该扭力扳手能显示扭矩大小，进而得到施加压力的大小。
使用时，所述数显扭力扳手作用在所述第一螺母3、第二螺母10上，转动所述第一螺母3、第二螺母10能用于调节施加于所述被测材料8上的压力，从而给基材与被测材料8形成的双材料界面施加正应力约束。
在一个具体的实施方式中，所述混凝土块沿着纵长延伸的方向上具有相互平行的第一平面和第二平面，所述第一压板7和所述第二压板9与所述第一平面和所述第二平面相平行，所述第一螺杆1和所述第二螺杆4均与所述第一平面或所述第二平面相垂直。
具体的，所述混凝土块可以为长方体。该长方体具有相互平行的第一平面和第二平面，相互平行的第三平面和第四平面，以及相互平行的顶面和底面。所述第一螺杆1和所述第二螺杆4均与所述第一平面或所述第二平面相垂直，与所述第三平面和第四平面相平行。
本申请说明书中提供的正应力约束下的双材料界面的加载装置，不仅能够准确模拟在一定约束下双材料界面的滑移型断裂模式，而且能够在考虑压力的情况下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。
采用该加载装置，可以方便研究人员进行双材料界面滑移断裂破坏的试验研究，同时所得参数能够满足相关理论模型的概念要求。被测材料8的自由端固定于疲劳机的加载端，即可以用疲劳机进行加载。
请参阅图5，基于上述正应力约束下的双材料界面的加载装置，本说明书中还提供一种相对应的试验方法。具体的，该试验方法可以包括如下步骤：
步骤S10：启动疲劳机，对被测材料8的自由端进行加载，进行滑移型剥离破坏试验；
步骤S12：在所述滑移型剥离破坏试验的加载步骤结束后，通过所述疲劳机获取第一计算参数；
步骤S14：将获取的第一计算参数代入滑移型模式的应力强度因子计算公式中，确定出当前应力强度因子；
步骤S16：将确定的所述当前应力强度因子代入断裂能计算公式中，确定出当前断裂能；
步骤S18：调节所述第一螺母3和第二螺母10，改变施加于所述被测材料 8中的压力，重复执行上述步骤；
步骤S20：获取多组不同压力下所对应的断裂能，基于获取的多组所述压力与断裂能数据，确定压力对断裂能的影响。
在本说明书中，在进行正应力约束下的双材料界面的加载试验时，首先，启动疲劳机，对被测材料8的自由端进行加载，进行滑移型剥离破坏试验。在所述滑移型剥离破坏试验的加载步骤结束后，通过所述疲劳机获取第一计算参数NX；将剥离下来的被测材料8进行三点弯曲，测得起挠度。根据材料力学关于三点玩的挠度公式，便可得到被测材料8的刚度∑13E1。通过弹性模量试验，得到被测材料8的弹性模量E1。其他尺寸相关的参数，可直接通过直尺测得。
基于上述参数，通过现有的滑移型模式的应力强度因子计算公式和断裂能下面的公式，得到不同压力下滑移型裂纹的应力强度应子和断裂能G。
整体上，利用疲劳机对被测材料8进行加载，由疲劳机得到Nx，利用上述公式得到断裂参数。后续再改变螺栓预紧程度，得到不同压力下的断裂参数，基于获取的多组所述压力与断裂能数据，能得到压力对断裂参数的影响。
具体的，所述确定压力对断裂能的影响包括：确定所述压力与所述断裂能的对应关系，基于所述对应关系修正所述断裂能计算公式。具体的，修正后的所述断裂能计算公式包括：
Ka＝Ga/ta，ta＝t-σ/E；
所述方法还包括：基于获取的多组所述压力与断裂能数据确定断裂界面滑移s与界面连接强度τ的关系，所述断裂界面滑移s与界面连接强度τ的关系包括：
当s≤s0时，
当s>s0时，
上式中：fN＝(1+μNx)，μ＝0.2；β＝0.0035Ka(E1h/1000)0.34；
已知量：f′c为混凝土的抗压强度(混凝土侧向约束下的，可以自行通过实验测得，侧向约束的大小为该实验中的正应力大小)，单位为MPa；s为被测材料8的界面滑移，单位为mm，通过贴在界面的应变片得到，同时也计算得到τ， MPa；t为初始粘结层厚度mm，可以直接测得，σ为压板作用在粘结层上的正应力MPa，通过扭矩扳手计算得到；Ga为粘结剂的剪切模量MPa；Nx为疲劳机所测量，单位为N，μ＝0.2，常数修正应子。
得到断裂界面滑移s和界面连接强度τ之后便可得到相应的关系曲线，通过这条曲线可以方便观察断裂的变化过程，为后续研究奠定一定的基础。其中，fN＝(1+μNx)，μ＝0.2；ta是在正应力作用下的粘结层厚度mm，t为初始粘结层厚度mm，σ为压板作用在粘结层上的正应力MPa，E为环氧树脂粘结剂的弹性模量MPa；Ka为粘结层的剪切刚度MPa/mm，E1为被测材料8的弹性模量 MPa，h为被测材料8的厚度mm；f′c为混凝土(即基块5)的抗压强度(由于本申请中混凝土受到了正应力约束，因此其抗压强度大于常规混凝土抗压强度)；τ和s是通过置于被测材料8与粘结剂界面的应变片测得；α为模型系数，通过回归统计得到。
针对海底管道以及大多数结构发生界面剥离时承受着较大压力的使用场景，本申请所提供正应力约束下的双材料界面的加载试验方法，考虑了结构所承受的压力，将压力参数作为一个影响因素加入断裂模式下，从而能够提高计算断裂能所需的关键参数的精确度。
通过该设备进行相关试验后得到了断裂界面滑移s与界面连接强度τ的关系，同时也得到了考虑压力情况下的断裂能表达式。
从修正后的断裂能公式可以看出，当材料受到正应力约束时，ta会逐渐减小，Ka增大，导致Gf增大。
本说明书中的各个实施方式均采用递进的方式描述，每个实施方式重点说明的都是与其他实施方式的不同之处，各个实施方式之间相同相似的部分互相参见即可。
上述实施方式只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种正应力约束下的双材料界面的加载装置，其特征在于，包括：
纵长延伸的基块，沿着所述纵长延伸的方向，所述基块具有相对的第一端和第二端，在垂直于所述纵长延伸的方向上，所述基块具有相对的第一侧面和第二侧面；
贴合在所述第一端的第一支承块，贴合在所述第二端的第二支承块；
将所述第一支承块和所述第二支承块紧固在所述基块两端的第一安装组件；
位于所述第一侧面的第一压板，位于所述第二侧面的第二压板，
将所述第一压板和所述第二压板紧固在所述基块两侧的第二安装组件；
所述第一压板与所述基块的第一侧面之间用于设置被测材料；所述被测材料具有伸出所述第一压板和所述基块的自由端；
与所述被测材料的自由端相固定的疲劳机。
2.如权利要求1所述的正应力约束下的双材料界面的加载装置，其特征在于，所述基块为混凝土块，所述被测材料通过浇筑粘贴的方式固定在所述混凝土块上。
3.如权利要求2所述的正应力约束下的双材料界面的加载装置，其特征在于，所述被测材料为钢材或复材。
4.如权利要求3所述的正应力约束下的双材料界面的加载装置，其特征在于，所述第一安装组件包括：第一螺杆以及与所述第一螺杆相匹配的第一螺母；所述第二安装组件包括：第二螺杆以及与所述第二螺杆相匹配的第二螺母。
5.如权利要求4所述的正应力约束下的双材料界面的加载装置，其特征在于，还包括用于调节施加在所述被测材料上的压力的数显扭力扳手，所述数显扭力扳手作用在所述第一螺母、第二螺母上，转动所述第一螺母、第二螺母能用于调节施加于所述被测材料上的压力。
6.如权利要求5所述的正应力约束下的双材料界面的加载装置，其特征在于，所述混凝土块沿着纵长延伸的方向上具有相互平行的第一平面和第二平面，所述第一压板和所述第二压板与所述第一平面和所述第二平面相平行，所述第一螺杆和所述第二螺杆均与所述第一平面或所述第二平面相垂直。
7.一种基于权利要求6所述的正应力约束下的双材料界面的加载装置的试验方法，其特征在于，包括：
启动疲劳机，对被测材料的自由端进行加载，进行滑移型剥离破坏试验；
在所述滑移型剥离破坏试验的加载步骤结束后，通过所述疲劳机获取第一计算参数；
将获取的第一计算参数代入滑移型模式的应力强度因子计算公式中，确定出当前应力强度因子；
将确定的所述当前应力强度因子代入断裂能计算公式中，确定出当前断裂能；
调节所述第一螺母和第二螺母，改变施加于所述被测材料中的压力，重复执行上述步骤；
获取多组不同压力下所对应的断裂能，基于获取的多组所述压力与断裂能数据，确定压力对断裂能的影响。
8.如权利要求7所述的试验方法，其特征在于，所述试验方法还包括：测量被测材料的刚度和弹性模量。
9.如权利要求8所述的试验方法，其特征在于，所述确定压力对断裂能的影响包括：确定所述压力与所述断裂能的对应关系，基于所述对应关系修正所述断裂能计算公式，修正后的所述断裂能计算公式为： Ka＝Ga/ta，ta＝t-σ/E；
其中，Ga表示粘结剂的剪切模量，单位为MPa；ta是在正应力作用下的粘结层厚度，单位为mm；t为初始粘结层厚度，单位为mm；σ为压板作用在粘结层上的正应力，单位为MPa；E为环氧树脂粘结剂的弹性模量，单位为MPa；Ka为粘结层的剪切刚度，单位为MPa/mm；fc′为混凝土的抗压强度，单位为MPa。
10.如权利要求8所述的试验方法，其特征在于，所述方法还包括：基于获取的多组所述压力与断裂能数据确定断裂界面滑移s与界面连接强度τ的关系，所述断裂界面滑移s与界面连接强度τ的关系包括：
当s≤s0时，
当s>s0时，
上式中：fN＝(1+μNx)，μ＝0.2；Nx由疲劳机获取； β＝0.0035Ka(E1h/1000)0.34；τ和s通过置于被测材料与粘结剂界面的应变片测得；α为模型系数，通过回归统计得到；Ka为粘结层的剪切刚度，单位为MPa/mm；E1为被测材料的弹性模量，单位为MPa；h为被测材料的厚度，单位为mm。
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