CN111537348A - 一种测量大直径纤维增强复合材料管轴向拉伸性能的试验装置及其试验方法 - Google Patents

一种测量大直径纤维增强复合材料管轴向拉伸性能的试验装置及其试验方法 Download PDF

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Abstract

涉及一种测量大直径纤维增强复合材料管轴向拉伸性能的试验装置，包括顶升板、地锚板、夹持机构、千斤顶、地锚螺栓、环向应变片、轴向应变片；顶升板和地锚板上分别设有固定试件端部的夹持机构；地锚板通过地锚螺栓固定在地面上，中部设有放置千斤顶的通孔；千斤顶放置在地面上，通过对顶升板的顶升实现对试件的轴向拉伸；用于判断试件对中情况和测量其轴向拉伸变形的轴向应变片安装在试件上，用于测量试件轴向拉伸过程中环向变形的环向应变片安装在试件上。还涉及一种测量大直径纤维增强复合材料管轴向拉伸性能的试验装置的试验方法。本发明测量结果准确，操作灵活方便，使用效率高，适用性广，属于纤维增强复合材料拉伸试验技术领域。

Description

一种测量大直径纤维增强复合材料管轴向拉伸性能的试验装 置及其试验方法
技术领域
本发明涉及纤维增强复合材料拉伸试验技术领域，尤其涉及一种测量大直径纤维增强复合材料管轴向拉伸性能的试验装置及其试验方法。
背景技术
纤维增强复合材料(FRP)作为一种新型的材料，具有强度高、耐腐蚀性好等优良的性能，现已广泛用于土木工程结构修复和新建结构中，其中纤维增强复合材料管(以下简称：复材管)约束混凝土是纤维增强复合材料在新建结构中应用的最典型形式。其中，复材管既可以采用湿铺法手工制作，也可以直接采用拉挤制作或纤维缠绕制作。对于复材管约束混凝土而言，主要是通过复材管中沿环向或接近环向布置的纤维来约束混凝土，以提高构件的承载力和延性，因此一般来说，其具有较大的环向刚度。但是，当构件处于偏压或受弯的状态时，复材管的局部将处于受拉状态，因此准确测定复材管的轴向拉伸性能(包括轴向极限拉伸强度、轴向拉伸弹性模量和泊松比)，对于此类构件的研究和应用具有重要的意义。另外，对于要求复材管具有一定轴向刚度的构件而言，复材管轴向拉伸性能的测定具有更为重要的意义。而不管是在科学研究还是在实际工程中，土木工程结构用复材管往往都具有比较大的直径，通常大于100mm。
在现有测定复材管轴向拉伸性能的试验方法中，除了传统的直条形片材拉伸试验方法外，较被广泛接受的是楔形夹具和端部锚固两种形式的轴向拉伸试验方法。但是，如果用以上三种试验方法测定大直径复材管的轴向拉伸性能，其试验的适用性和试验结果的准确性等方面都存在着一定的问题。
对于纤维增强复合材料而言，直条形片材拉伸试验是最为传统的测量其拉伸性能的方法，也广泛出现在多个国家和地区的试验规范里，如《聚合物基复合材料拉伸性能标准试验方法》[ASTM D3039/D3039M-14(2014)]、《土木工程加固用纤维增强复合材料拉伸性能标准试验方法》[ASTM D7565/D7565 M-10(2017)]、《定向纤维增强聚合物基复合材料拉伸性能试验方法》[GB/T 3354(2014)、《纤维增强复合材料弹性常数测试方法》[GB/T 32376(2015)]等等。但是，直条形片材拉伸试验方法的适用对象主要为连续的单向纤维增强复合材料平板。而对于用于约束混凝土的复材管而言，一方面，其纤维主要沿环向或接近环向布置，是典型的偏轴材料，如沿管的轴向切割直条形片材试件进行拉伸试验，由于纤维材料在试件边缘被切断所造成的边缘效应，往往使得试验所测得的数据无法真实的反应复材管的实际性能，如其轴向极限拉伸强度和轴向拉伸弹性模量往往被低估；另一方面，对复材拉挤或缠绕管而言，由于管材事先成型的特点，沿其轴向截取的片材试件通常宽度方向具有一定的弧度，这也无可避免导致了直条形片材拉伸试验结果存在一定的误差。
为了消除边界效应、试件弧形等不利影响，在测定复材管轴向拉伸性能时直接采用完整的管段作为试件是最佳的解决办法，《玻璃纤维增强热塑管轴向拉伸性能标准试验方法》[ASTM D2105-01(2014)]、《纤维增强热固性塑料管轴向拉伸性能试验方法》[GB/T5359(2005)]和《环向缠绕聚合物基质复合材料横向拉伸性能标准试验方法》[ASTM D5450/D5450M-16(2016)]则是采用的这种方法。三种试验方法都是利用拉伸试验机对复材圆管试件进行张拉，区别主要体现在试件端部的固定方式上：前两者利用圆柱体楔形夹具分别夹紧试件的两端，后者则是利用胶结材料将试件的端部嵌固在两端加载头的凹槽里。受拉伸试验机空间和端部固定方式的限制，以上三种试验方法均不适用于大直径的复材管，如《纤维增强热固性塑料管轴向拉伸性能试验方法》[GB/T 5359(2005)]则明确指出该试验方法仅适用于公称直径不大于100mm的管材。另外，前两种试验方法为了保证楔形夹具的夹紧效果，要求所测复材管的外径不能有大的偏差，即对复材管外径的离散水平要求严格。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明的目的是：提供一种针对大直径纤维增强复合材料管进行轴向拉伸试验获取其轴向拉伸性能的试验装置及其试验方法。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种测量大直径纤维增强复合材料管轴向拉伸性能的试验装置，包括顶升板、地锚板、夹持机构、千斤顶、地锚螺栓、环向应变片、轴向应变片；顶升板和地锚板上分别设有固定试件端部的夹持机构；地锚板通过地锚螺栓固定在地面上，中部设有放置千斤顶的通孔；千斤顶放置在地面上，通过对顶升板的顶升实现对试件的轴向拉伸；用于判断试件对中情况和测量其轴向拉伸变形的轴向应变片安装在试件上，用于测量试件轴向拉伸过程中环向变形的环向应变片安装在试件上。
作为一种优选，夹持机构包括多组沿着圆周均匀布置的夹持单元；每组夹持单元均包括一个内限位钢块、一个外限位钢块、一个内夹块、一个外夹块、两根限位螺杆，内、外限位钢块均固定在顶升板或地锚板上，内夹块通过限位螺杆径向可调式连接在内限位钢块上，外夹块通过限位螺杆径向可调式连接在外限位钢块上，内夹块与外夹块在同一径向方向上正对。
作为一种优选，内夹块和外夹块均包括紧固部分和限位部分；限位部分插入顶升板和地锚板预留的限位槽内，可沿着限位槽径向滑移；内夹块的紧固部分的外侧面为外凸的弧形锯齿面，外夹块的紧固部分的内侧面为内凹的弧形锯齿面，弧形锯齿面的弧度与试件的弧度对应。
作为一种优选，顶升板的下端面和地锚板的上端面均设有辅助试件对中安装的环形刻度尺；环形刻度尺包括多圈环形刻度线。
作为一种优选，地锚板的下端面设有千斤顶油管通道，容纳与千斤顶相接的千斤顶油管。
作为一种优选，环向应变片与轴向应变片的数量相同，一一对应设置，沿圆周均匀粘贴于试件高度一半的位置；每组应变片中，环向应变片沿着水平方向设置，轴向应变片沿着竖直方向设置，两者排列成T形。
作为一种优选，地锚板上设有多个沿圆周均布的地锚孔，地锚螺栓穿过地锚孔可将地锚板固定在地面上。
一种测量大直径纤维增强复合材料管轴向拉伸性能的试验装置的试验方法，包括如下步骤：
(1)截取一定高度的复材管作为轴向拉伸试件；
(2)在顶升板和地锚板上安装内夹块，并粗调内夹块的位置；
(3)将试件立起放置在地锚板上，通过环形刻度尺保证试件与地锚板的对中；完成对中后，逐个拧紧地锚板上内夹块的限位螺杆，使内夹块咬紧试件内壁；
(4)将试件的另一端放置在顶升板，通过环形刻度尺保证试件与顶升板的对中；完成对中后，逐个拧紧顶升板上内夹块的限位螺杆，使内夹块咬紧试件另一端的内壁；
(5)安装顶升板和地锚板的外夹块，逐个拧紧外夹块的限位螺杆，使得外夹块夹紧试件的外壁；
(6)在地面上安装并固定千斤顶，铺设千斤顶油管；
(7)对准地锚板中心的通孔，将安装了地锚板和顶升板的试件整体扣在千斤顶上，千斤顶油管从地锚板下方留置的径向千斤顶油管通道穿出，肉眼调整试件位置，使之与千斤顶对准；
(8)安装地锚螺栓，将地锚板固定在地面上；
(9)初步顶升千斤顶，通过观察试件中部粘贴的轴向应变片读数，来判断试件和千斤顶的对中情况，通过微调地锚板的位置最终实现试件和千斤顶的对中；
(10)顶升千斤顶，实现对试件的轴向拉伸，并记录数据。
作为一种优选，步骤(1)中，对试件两端夹持部位进行打磨处理，修平胶瘤或突起物，试件上下端满足相互平行，且与试件轴线垂直；步骤(10)中，顶升速度为变形控制，控制试件轴向应变每秒钟增加0.001％。
作为一种优选，轴向拉伸性能包括轴向拉伸强度、弹性模量和泊松比。
轴向拉伸强度按式(1)计算，
Figure BDA0002531193250000041
式中：
Pt——试件的轴向拉伸强度(MPa)；
Ft——试件的拉伸破坏荷载(N)；
d——试件的平均内径(mm)；
t——试件的平均厚度(mm)；
弹性模量按式(2)计算，
Figure BDA0002531193250000042
式中：
Et——试件的轴向拉伸弹性模量(MPa)；
ΔF——试件弹性范围内的载荷增量(N)；
Δεx——与载荷增量ΔF对应的试件平均值轴向应变增量；
泊松比按式(3)计算，
Figure BDA0002531193250000051
式中：
Δδθ——与载荷增量ΔF对应的试件平均值环向应变增量。
本发明的原理是：
现有测量复材管轴向拉伸性能的试验标准和方法主要适用于小管径管材，且对管材管径偏差的适应性很差，因此本试验方法通过专门设计的复材管拉伸试验装置实现对大直径复材管端部的夹持，然后通过装置内部安装的千斤顶对复材管进行轴向顶升，从而实现对复材管的轴向拉伸，最终测取复材管的轴向拉伸强度、弹性模量和泊松比。
本发明具有如下优点：
1.直接对试样管段进行检测，结果准确。
2.试验装置操作灵活、方便，使用效率高。
3.适用性广的特点主要体现在以下四个方面：(1)圆形和椭圆形复材管的轴向拉伸性能的测定均适用于本试验方法；(2)本试验方法除了适用于典型的复材缠绕管外，采用拉挤法或湿铺法制作的复材管也适用；(3)本试验方法能适用的复材管最小直径受到试验装置中放置千斤顶空间的限制，但最大直径不受限制；(4)试验装置可通过对内、外夹块位置的微调以适应复材管直径和厚度在一定范围内的变化，对复材管几何尺寸的偏差适应性好；(5)除了试验方法中所提出的拉伸试验装置外，不需要其他任何的加载装置，试验的开展不受试验设备的限制。
4.限位槽对内夹块和外夹块的限位部分进行导向，使得内、外夹块不会发生转动，便于对中操作。
5.设置弧形锯齿面，有利于内、外夹块与试件的固定咬合。
6.设置环形刻度尺，有利于对中粗调。
7.设置沿试件环向布置的轴向应变片，有利于试件与千斤顶的准确对中，保证了试验数据的准确。
8.设置千斤顶油管通道，保证地锚板的水平放置，有利于千斤顶正常的工作和整个试验装置的稳定。
附图说明
图1为地锚板的立体图。
图2为顶升板的立体图。
图3为装上内、外夹块后的地锚板的立体图。
图4为装上内、外夹块后的顶升板的立体图。
图5a为内夹块的俯视图，图5b为内夹块的立体图。
图6a为外夹块的俯视图，图6b为外夹块的立体图。
图7为复材管轴向拉伸试件示意图。
图8为安装步骤二示意图。
图9为安装步骤三示意图。
图10为安装步骤四示意图。
图11为安装步骤五示意图。
图12为安装步骤六示意图。
图13为安装步骤七示意图。
图14为安装步骤八示意图。
图中：1-顶升板，2-地锚板，3-外夹块，4-内夹块，5-地锚孔，6-限位槽，7-环形刻度尺，8-通孔 9-限位钢块，10-限位螺杆，11-紧固部分，12-限位部分，13-试件，14-环向应变片，15-轴向应变片，16-千斤顶，17-千斤顶油管，18-地锚螺栓，19-千斤顶油管通道。
具体实施方式
下面将结合具体实施方式来对本发明做进一步详细的说明。
一种测量大直径纤维增强复合材料管轴向拉伸性能的试验装置，包括顶升板、地锚板、夹持机构、千斤顶、地锚螺栓、环向应变片、轴向应变片；顶升板和地锚板上分别设有固定试件端部的夹持机构；地锚板通过地锚螺栓固定在地面上，中部设有放置千斤顶的通孔；千斤顶放置在地面上，通过对顶升板的顶升实现对试件的轴向拉伸；用于判断试件对中情况和测量其轴向拉伸变形的轴向应变片安装在试件上，用于测量试件轴向拉伸过程中环向变形的环向应变片安装在试件上。
夹持机构包括多组沿着圆周均匀布置的夹持单元，本实施例中，顶升板和地锚板上均设有八组夹持单元；每组夹持单元均包括一个内夹块、一个外夹块、一个内个限位钢块、一个外限位钢块和两根限位螺杆，内、外限位钢块均固定在顶升板或地锚板上，内、外夹块分别通过限位螺杆径向可调式连接在内、外限位钢块上，内夹块与外夹块在同一径向方向上正对，试件端部夹持在内、外夹块之间。内夹块和外夹块均包括紧固部分和限位部分；限位部分插入顶升板和地锚板预留的限位槽内，可沿着限位槽径向滑移，本实施例中，限位槽(尺寸：60mm×20mm)数量为八个；内夹块的紧固部分的外侧面为外凸的弧形锯齿面，外夹块的紧固部分的内侧面为内凹的弧形锯齿面，弧形锯齿面的形状与试件的弧度对应；本实施例中，紧固部分用于咬合复材管，高度大于20mm，宽度大于限位槽宽度；限位部分则是插入限位槽中，用于限制内、外夹块的位置，其尺寸需与限位槽尺寸契合。
顶升板的下端面和地锚板的上端面均设有辅助试件对中安装的环形刻度尺；环形刻度尺包括多圈环形刻度线。本实施例中，环形刻度尺分布在D±50mm范围内，相邻环形刻度线间隔2mm，D为待测复材管的名义直径。
地锚板的下端面设有千斤顶油管通道，容纳与千斤顶相接的千斤顶油管。
环向应变片与轴向应变片的数量相同，一一对应设置，沿圆周均匀粘贴于试件高度一半的位置；每组应变片中，环向应变片沿着水平方向设置，轴向应变片沿着竖直方向设置，两者排列成T形。
地锚板上设有多个圆周均布的地锚孔，本实施例为四个，直径为50mm，地锚螺栓穿过地锚孔可将地锚板固定在地面上。
一种测量大直径纤维增强复合材料管轴向拉伸性能的试验装置的试验方法，包括如下步骤：
步骤一：截取一定高度的复材管作为轴向拉伸试件。试件两端夹持部位的表面需打磨，若有胶瘤或其他突起物应修平。试件端面应平整、无分层、撕裂等现象，其余表面无损伤。试件两端面要求平行，且与试件轴线垂直。
在试件高度一半的位置沿管周粘贴4～8组电子应变片，每组应变片均包括两个应变片，分别沿轴向和环向粘贴，见图7。应变片的长度均为20mm。
步骤二：将内夹块插入地锚板和顶升板的限位槽中，通过调整对应的限位钢块上的限位螺杆大致固定内夹块的位置，见图8。
步骤三：将复材管试件一端放置于地锚板上，注意复材管与地锚板两者中心的对齐，对中操作可利用板面上的环形刻度尺来进行；完成对中后，对称逐个拧紧内夹块的限位螺杆，使内夹块的弧形锯齿面咬紧试件的内壁。见图9。
步骤四：将复材管试件的另一端对中放置于顶升板上，同步骤三，通过拧紧限位螺杆使顶升板上的内夹块咬紧试件另一端的内壁，见图10。
步骤五：安装好地锚板和顶升板的外夹块，并使其夹紧试件端部的外壁，见图11。
步骤六：在地面上安装并固定千斤顶，铺设千斤顶油管，见图12。
步骤七：对准地锚板中心的孔洞，将安装了地锚板和顶升板的复材管扣在千斤顶上，千斤顶油管从地锚板下方留置的径向千斤顶油管通道穿出，肉眼初步判断并调整复材管和千斤顶的对中，见图13。
步骤八：安装地锚螺栓，将地锚板固定在地面上，见图14。
步骤九：初步顶升千斤顶，通过观察复材管中部粘贴的轴向应变片读数，来判断试件和千斤顶的对中情况，通过微调地锚板的位置最终实现试件和千斤顶的对中。
步骤十：顶升千斤顶，实现对复材管试件的轴向拉伸。顶升速度为变形控制，控制试件轴向应变每秒钟增加0.001％。记录试验数据。
计算一：轴向拉伸强度按式(1)计算，
Figure BDA0002531193250000081
式中：
Pt——试件的轴向拉伸强度(MPa)；
Ft——试件的拉伸破坏荷载(N)；
d——试件的平均内径(mm)；
t——试件的平均厚度(mm)。
计算二：弹性模量按式(2)计算，
Figure BDA0002531193250000091
式中：
Et——试件的轴向拉伸弹性模量(MPa)；
ΔF——试件弹性范围内的载荷增量(N)；
Δεx——与载荷增量ΔF对应的试件平均值轴向应变增量。
计算三：泊松比按式(3)计算，
Figure BDA0002531193250000092
式中：
Δsθ——与载荷增量ΔF对应的试件平均值轴向应变增量。
除了上述实施例提及的方式外，地锚板和顶升板上的夹持单元数量可以为其他数量，例如4-8个，实际数量根据所测复材管管径大小来确定。应变片的数量也需根据试样的管径灵活选择。这些变换方式均在本发明的保护范围内。
上述实施例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实施例的限制，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。

Claims (10)

1.一种测量大直径纤维增强复合材料管轴向拉伸性能的试验装置，其特征在于：包括顶升板、地锚板、夹持机构、千斤顶、地锚螺栓、环向应变片、轴向应变片；顶升板和地锚板上分别设有固定试件端部的夹持机构；地锚板通过地锚螺栓固定在地面上，中部设有放置千斤顶的通孔；千斤顶放置在地面上，通过对顶升板的顶升实现对试件的轴向拉伸；用于判断试件对中情况和测量其轴向拉伸变形的轴向应变片安装在试件上，用于测量试件轴向拉伸过程中环向变形的环向应变片安装在试件上。
2.按照权利要求1所述的一种测量大直径纤维增强复合材料管轴向拉伸性能的试验装置，其特征在于：夹持机构包括多组沿着圆周均匀布置的夹持单元；每组夹持单元均包括一个内限位钢块、一个外限位钢块、一个内夹块、一个外夹块、两根限位螺杆，内、外限位钢块均固定在顶升板或地锚板上，内夹块通过限位螺杆径向可调式连接在内限位钢块上，外夹块通过限位螺杆径向可调式连接在外限位钢块上，内夹块与外夹块在同一径向方向上正对。
3.按照权利要求2所述的一种测量大直径纤维增强复合材料管轴向拉伸性能的试验装置，其特征在于：内夹块和外夹块均包括紧固部分和限位部分；限位部分插入顶升板和地锚板预留的限位槽内，可沿着限位槽径向滑移；内夹块的紧固部分的外侧面为外凸的弧形锯齿面，外夹块的紧固部分的内侧面为内凹的弧形锯齿面，弧形锯齿面的弧度与试件的弧度对应。
4.按照权利要求1所述的一种测量大直径纤维增强复合材料管轴向拉伸性能的试验装置，其特征在于：顶升板的下端面和地锚板的上端面均设有辅助试件对中安装的环形刻度尺；环形刻度尺包括多圈环形刻度线。
5.按照权利要求1所述的一种测量大直径纤维增强复合材料管轴向拉伸性能的试验装置，其特征在于：地锚板的下端面设有千斤顶油管通道，容纳与千斤顶相接的千斤顶油管。
6.按照权利要求1所述的一种测量大直径纤维增强复合材料管轴向拉伸性能的试验装置，其特征在于：环向应变片与轴向应变片的数量相同，一一对应设置，沿圆周均匀粘贴于试件高度一半的位置；每组应变片中，环向应变片沿着水平方向设置，轴向应变片沿着竖直方向设置，两者排列成T形。
7.按照权利要求1所述的一种测量大直径纤维增强复合材料管轴向拉伸性能的试验装置，其特征在于：地锚板上设有多个沿圆周均布的地锚孔，地锚螺栓穿过地锚孔可将地锚板固定在地面上。
8.按照权利要求1至7中任一项所述的一种测量大直径纤维增强复合材料管轴向拉伸性能的试验装置的试验方法，其特征在于：包括如下步骤：
(1)截取一定高度的复材管作为轴向拉伸试件；
(2)在顶升板和地锚板上安装内夹块，并粗调内夹块的位置；
(3)将试件立起放置在地锚板上，通过环形刻度尺保证试件与地锚板的对中；完成对中后，逐个拧紧地锚板上内夹块的限位螺杆，使内夹块咬紧试件内壁；
(4)将试件的另一端放置在顶升板，通过环形刻度尺保证试件与顶升板的对中；完成对中后，逐个拧紧顶升板上内夹块的限位螺杆，使内夹块咬紧试件另一端的内壁；
(5)安装顶升板和地锚板的外夹块，逐个拧紧外夹块的限位螺杆，使得外夹块夹紧试件的外壁；
(6)在地面上安装并固定千斤顶，铺设千斤顶油管；
(7)对准地锚板中心的通孔，将安装了地锚板和顶升板的试件整体扣在千斤顶上，千斤顶油管从地锚板下方留置的径向千斤顶油管通道穿出，肉眼调整试件位置，使之与千斤顶对准；
(8)安装地锚螺栓，将地锚板固定在地面上；
(9)初步顶升千斤顶，通过观察试件中部粘贴的轴向应变片读数，来判断试件和千斤顶的对中情况，通过微调地锚板的位置最终实现试件和千斤顶的对中；
(10)顶升千斤顶，实现对试件的轴向拉伸，并记录数据。
9.按照权利要求8所述的一种测量大直径纤维增强复合材料管轴向拉伸性能的试验装置的试验方法，其特征在于：步骤(1)中，对试件两端夹持部位进行打磨处理，修平胶瘤或突起物，试件上下端满足相互平行，且与试件轴线垂直；步骤(10)中，顶升速度为变形控制，控制试件轴向应变每秒钟增加0.001％。
10.按照权利要求8所述的一种测量大直径纤维增强复合材料管轴向拉伸性能的试验装置的试验方法，其特征在于：轴向拉伸性能包括轴向拉伸强度、弹性模量和泊松比；
轴向拉伸强度按式(1)计算，
Figure FDA0002531193240000031
式中：
Pt——试件的轴向拉伸强度(MPa)；
Ft——试件的拉伸破坏荷载(N)；
d——试件的平均内径(mm)；
t——试件的平均厚度(mm)；
弹性模量按式(2)计算，
Figure FDA0002531193240000032
式中：
Et——试件的轴向拉伸弹性模量(MPa)；
ΔF——试件弹性范围内的载荷增量(N)；
Δεx——与载荷增量ΔF对应的试件平均值轴向应变增量；
泊松比按式(3)计算，
Figure FDA0002531193240000033
式中：
Δεθ——与载荷增量ΔF对应的试件平均值环向应变增量。
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