CN112858025A - 测量结构工程用复合材料管轴向压缩性能的试验装置和试验方法 - Google Patents

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CN112858025A
CN112858025A CN202110114293.6A CN202110114293A CN112858025A CN 112858025 A CN112858025 A CN 112858025A CN 202110114293 A CN202110114293 A CN 202110114293A CN 112858025 A CN112858025 A CN 112858025A
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黄奕森
陈光明
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Abstract

本发明涉及测量结构工程用复合材料管轴向压缩性能的试验装置，其特征在于：包括上端板、下端板、半圆形钢条、轴向应变片、环向应变片；上端板和下端板的结构相同，均包括圆形的端板和位于端板中心的圆柱形凸起，两条半圆形钢条通过粘胶固定在端板上，两条半圆形钢条与圆柱形凸起之间形成一条环形的凹槽，凹槽用于容纳管状受压试样的端部，凹槽内填充高强度石膏将试样的端部与端板固定；轴向应变片和环向应变片均环绕试样圆周均布在试样的外表面，且位于试样的中部。还涉及测量结构工程用复合材料管轴向压缩性能的试验方法。本发明结构简单，试验方法操作灵活、便捷，适用性广，检测精度高，属于土木工程中结构材料性能检测技术领域。

Description

测量结构工程用复合材料管轴向压缩性能的试验装置和试验 方法
技术领域
本发明涉及土木工程中结构材料性能检测技术，具体涉及测量结构工程用复合材料管轴向压缩性能的试验装置和试验方法。
背景技术
纤维增强复合材料(Fiber Reinforced Polymer，即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，近年来被广泛应用于土木工程领域，其中最典型的应用为纤维增强复合材料管(以下简称：复材管)约束混凝土。复材管既可以采用纤维布湿铺法手工制作，也可以直接采用拉挤制作或纤维缠绕制作。在轴向压力的作用下，混凝土的横向膨胀能够有效的被接近环向布置的纤维所约束，从而大大的提高了组合构件的强度和延性。另外，组合构件中的外复材管同时可以作为浇筑混凝土的模板，在浇筑混凝土时需要承担一定的施工荷载，因此结构工程用复材管往往需要具有一定的轴向刚度。但是，由于其纤维以接近环向布置为主，所以复材管在轴向压缩下，表现出明显的非线性。因此，对于复材管在土木工程的应用研究和实践来说，准确的测定复材管的轴向压缩性能，包括轴向压缩线性参数(轴向压缩强度、轴向压缩弹性模量和泊松比)和考虑非线性的参数具有重要的意义。在测量复合材料压缩性能的试验方法中，除了传统的直条形片材压缩试验外，世界各国的学者也提出了各种各样的试验方法，但是现有的这些方法在实际工程应用中都存在着一定的局限性。
直条形片材压缩试验方法测量纤维增强复合材料的压缩性能在很多国家和地区的试验规范里都有明确的阐述，例如《剪切荷载作用下聚合物基复合材料无支撑测量截面压缩性能标准试验方法》[ASTM D3410/D3410M-16(2014)]、《采用组合荷载加压试验装置的聚合物基复合材料压缩性能标准试验方法》[ASTM D6641/D6641-16(2016)]、《纤维增强塑料面内压缩性能试验方法》[GB/T 5258(2008)]等等。但是，直条形片材压缩试验方法主要适用于连续的单向纤维增强复合材料平板。对于结构工程用复材管而言，为了保证其具有一定的轴向刚度，纤维的缠绕或铺陈方向往往与水平方向具有一定的夹角，而直条形片材压缩试验方法对于非连续的偏轴材料，尤其是偏轴比较大的情况下，纤维材料将在试样边缘被切断而形成边缘效应，这将使得试验所测得的材料性能误差较大；而另一方面，对复材拉挤或缠绕管而言，沿其轴向截取的试样具有一定的弧度，无法适用直条形片材压缩试验方法；而对于采用手工湿铺法制作的复材管，虽然可以制作出与管材相同材料和相同铺层的直条形片材试样，并进行压缩试验，但是由于两者之间曲率的差别，以及制作方法的不同，直条形片材压缩试验方法的结果很难准确标定复材管的实际性能。
为了消除边界效应、试样弧形等不利影响，在测定复材管轴向压缩性能时直接采用完整的管段作为试样是最佳的解决办法，如《环向缠绕聚合物基复合材料圆管横向压缩性能标准试验方法》[ASTM D5449/D5449M-16(2016)]和《纤维增强热固性塑料管轴向压缩性能试验方法》[GB/T 5350-2005]，则是采用的这种方法。前者是将圆管端部嵌固到端板的凹槽中，然后通过端板对试样进行轴心加压，但由于端板凹槽非常狭窄，很难适应工业化生产的纤维缠绕管管径的波动以及壁厚的变化，且试验装置难以重复利用；而后者则是通过对管状试样端部进行加固后，直接对试样加压，但此方法仅适用于公称直径为50～100mm、直径与增强厚度之比不大于50的复材管。
另外，针对结构工程用复材管在双向受力状态下，其轴向表现出来的明显的非线性，国内外还没有任何可以直接使用的测定方法和表达方式。
因此，为解决现有复材管轴向压缩试验方法的局限性，依据现有的技术条件，提出了一个针对测量复材管轴向压缩性能(包括轴向压缩线性参数和非线性参数)简易可行、结构可靠、适用性广的试验装置和试验方法。
发明内容
针对现有技术中存在的技术问题，本发明的目的是：提供一种专用于管状复材管高精度测量的测量结构工程用复合材料管轴向压缩性能的试验装置和试验方法。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
测量结构工程用复合材料管轴向压缩性能的试验装置，其特征在于：包括上端板、下端板、半圆形钢条、轴向应变片、环向应变片；上端板和下端板的结构相同，均包括圆形的端板和位于端板中心的圆柱形凸起，两条半圆形钢条通过粘胶固定在端板上，两条半圆形钢条与圆柱形凸起之间形成一条环形的凹槽，凹槽用于容纳管状受压试样的端部，凹槽内填充高强度石膏将试样的端部与端板固定；轴向应变片和环向应变片均环绕试样圆周均布在试样的外表面，且位于试样的中部。
作为一种优选，测量结构工程用复合材料管轴向压缩性能的试验装置，还包括若干钢片，钢片垫在试样的端部与端板之间，以确保试样的管壁垂直于端板。采用这种设置后，以保证后期试样的轴心受压。
作为一种优选，圆柱形凸起的外径比试样的名义直径小10mm。
作为一种优选，半圆形钢条的内径比试样的名义直径大40mm。采用这种设置后，半圆形钢条的位置根据管状试样的管径和壁厚定位，以适应试样管径的波动和壁厚的变化。
作为一种优选，一个沿着轴向设置的轴向应变片和一个沿着环向设置的环向应变片组成一组应变片；应变片的数量为多组，在试样高度一半的位置处沿圆周均匀粘贴在试样外壁上。
作为一种优选，测量结构工程用复合材料管轴向压缩性能的试验装置，还包括对试样进行轴心加压的加压设备。
测量结构工程用复合材料管轴向压缩性能的试验方法，采用测量结构工程用复合材料管轴向压缩性能的试验装置，包括如下步骤：
a.试样制作：从复合材料管上截取试样。
b.试样安装：将试样的上端套入上端板中心的圆柱形凸起中，并初步对中；沿试样两个垂直的径向，通过角尺调整试样的端面，同时通过在试样的端面添加钢片的方法来确保试样管壁与端板垂直；通过粘胶将两根半圆形钢条固定在端板上，两根半圆形钢条之间的缺口处暂时用胶布封闭；配制高强度石膏胶体，并将其填充到凹槽内；待凹槽内高强度石膏硬化后，倒转试样，进行下端板的安装，方法同上端板的安装。
c.加载：试验的加压设备采用微机控制电液伺服试验机，吨位的选择使试样施加载荷落在满载的10％～90％范围内(尽量落在满载的一边)，且不应小于试验机最大吨位的4％；对试样均匀加压，加压速度为试样轴向应变每分钟增加0.06％，且加载过程保证上、下端板平行。
d.数据的选取和计算：选取试验过程中规定的轴向应变范围的试验数据，计算得到复合材料管的轴向压缩线性参数和非线性参数。
作为一种优选，步骤a中，试样取自于试验所用或工程实际所用同批次的复合材料管，试样总数不少于5个；试样的端部进行打磨处理，修平管壁上的胶瘤或突起物。
作为一种优选，步骤d中，轴向压缩线性参数包括轴向压缩强度、轴向压缩弹性模量和泊松比，非线性参数包括轴向压缩割线模量和轴线压缩割线泊松比。
作为一种优选，计算过程为，
按照式(1)计算试样的轴向压缩强度：
Figure BDA0002918503740000041
式中：
Pc——试样的轴向压缩强度(MPa)；
Fc,max——试样的最大轴压载荷(N)；
d——试样的平均内径(mm)；
t——试样的平均厚度(mm)；
按照式(2)计算试样的轴向应力：
Figure BDA0002918503740000042
式中：
σx——试样的轴向应力(MPa)；
Fc——试样的轴压载荷(N)；
按照式(3)计算轴向压缩弹性模量：
Figure BDA0002918503740000043
式中：
Ex——试样的轴向压缩弹性模量(MPa)；
Δεx——试样弹性范围内的平均轴向应变增量，应至少为0.2％，优选平均轴向应变0.1％～0.3％的范围；
Δσx——与平均轴向应变增量Δεx对应的平均轴向应力增量(MPa)；
按照式(4)计算试样的泊松比：
Figure BDA0002918503740000051
式中：
νxθ——试样的轴向压缩泊松比；
Δεθ——与平均轴向应变增量Δεx对应的平均环向应变增量；
按照式(5)计算试样轴向压缩的应变能密度：
Figure BDA0002918503740000052
式中：
εx,i——试样第i个平均轴向应变，从大于等于0.01％开始取值，到最大轴压载荷点结束；
σx,i——与εx,i对应的第i个轴向应力(MPa)；
Ui——与εx,i对应的第i个轴向压缩应变能密度(MPa)；
按照式(6)计算试样的轴向压缩割线模量：
Figure BDA0002918503740000053
式中：
Ex,sec,i——与εx,i对应的第i个轴向压缩割线模量；
按照式(7)计算试样的轴向压缩割线泊松比：
Figure BDA0002918503740000054
式中：
νxθ,sec,i——与εx,i对应的第i个轴向压缩割线泊松比；
εθ,i——与εx,i对应的第i个平均环向应变；
根据计算结果分别绘制轴向压缩应变能密度～轴向割线模量Ui～Ex,sec,i和轴向压缩应变能密度～轴向割线泊松比Ui～vxθ,sec,i数据点；
通过最小二乘法拟合所得的数据点，得到复合材料管复合受力状态下，即双向受力或三向受力状态下，用复合材料管应变能密度所表达的轴向割线模量用式(8)表达：
Figure BDA0002918503740000061
式中：
Ex,sec——复合材料管双向受力状态下的轴向割线模量(MPa)；
A，B，C——通过拟合试验轴向压缩应变能密度～割线模量数据得到的轴向割线模量非线性系数；
U*——轴压试样最大载荷时的轴向压缩应变能密度(MPa)；
Figure BDA0002918503740000062
——轴压试样最大载荷时的轴向切线模量(MPa)；
D，F——为U＞U*后轴向割线模量非线性参数，分别用式(9)和(10)计算：
Figure BDA0002918503740000063
Figure BDA0002918503740000064
复合材料管复合受力状态下，应变能密度所表达的轴向泊松比用式(11)表达：
Figure BDA0002918503740000065
式中：
νxθ,sec——复合材料管双向受力状态下的轴向泊松比；
a，b，c——通过拟合试验轴向压缩应变能密度～割线泊松比数据得到的轴向割线泊松比非线性系数；
Figure BDA0002918503740000066
——轴压试样最大载荷时的轴向切线泊松比；
d，f——为U＞U*后轴向割线泊松比非线性参数，分别用式(12)和(13)计算：
Figure BDA0002918503740000071
Figure BDA0002918503740000072
对于结构工程用复合材料管，通常忽略复合材料管剪切变形，复合材料管处于轴向压缩和环向拉伸状态，认为处于双向受力状态，因此复合材料管双向受力状态下的应变能密度用式(14)计算：
Figure BDA0002918503740000073
式中：
σx，εx——分别为复合材料管双向受力状态下的轴向应力(MPa)和应变；
σθ，εθ——分别为复合材料管双向受力状态下的环向应力(MPa)和应变；
因此有了双向受力复合材料管管任意时刻的应变能密度，公式(14)，即通过公式(8)～(13)获得当前受力状态下考虑复合材料管非线性的轴向割线模量Ex,sec和轴向割线泊松比νxθ,sec。
本发明具有如下优点：
1.本发明采用一种简易的试验装置，能够精确测量复材管的轴向受压性能，包括轴向压缩线性参数(轴向压缩强度、轴向弹性模量、轴向泊松比)以及非线性参数(轴向压缩割线模量、轴线压缩割线泊松比)。
2.本发明所设计的轴向加压装置，将管状试样的端部嵌入端板的凹槽并填充高强度石膏来加固试样的端部，端板的凹槽具有一点的调节度，可适应复材管管径和壁厚的波动。
3.本发明适用性广的特点主要体现在以下三个方面：(1)除了典型的复材拉挤和缠绕管之外，采用湿铺法手工制作的复材管均可以适用于此方法；(2)对所测复材管几何尺寸(直径和厚度)的离散水平有较高的接受度；(3)适用于任何纤维缠绕或铺陈角度的复材管。
4.可实现复材管的轴心加压。
5.试验装置操作方便，结构简单，可重复使用。
附图说明
图1是试样的侧视图。
图2是应变片在试样上的布置示意图。
图3a是上端板和下端板的侧视图。
图3b是上端板和下端板的俯视图。
图3c是上端板和下端板的立体图。
图4a是两根半圆形钢条的侧视图。
图4b是两根半圆形钢条的俯视图。
图4c是两根半圆形钢条的立体图。
图5是半圆形钢条安装后的立体图。
图6a-6d是试验装置的安装示意图。
图7是试验装置的立体图。
图8是试验的轴向应力-应变曲线图；
图9是试验的应变能密度-轴向模量和泊松比图。
其中，1为上端板，2为下端板，3为圆柱形凸起，4为半圆形钢条，5为试样，6为轴向应变片，7为环向应变片。
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。
测量结构工程用复合材料管轴向压缩性能的试验装置，包括上端板、下端板、半圆形钢条、轴向应变片、环向应变片。上端板和下端板的结构相同，均包括圆形的端板和位于端板中心的圆柱形凸起，两根半圆形钢条，通过粘胶固定在端板上，与端板中心的圆柱形凸起形成一条环形的凹槽，其中半圆形钢条的位置根据管状试样的管径和壁厚定位，以适应试样管径的波动和壁厚的变化；受压试样为管状，其经过打磨后的端部分别置于上、下端板的凹槽内，通过在凹槽中填充一种高强度石膏胶体材料将试样固定在上、下端板上；最终固定的上、下端板均需保证与试样轴线垂直，以保证后期试样的轴心受压；多组应变片均匀贴在试样的外壁中部，每组应变片包括一个轴向和一个环向布置的应变片，以测量试样在受压过程中的轴向应变和环向应变。
下面进行详细说明：
1试样
1.1试样型式
试样需取自于试验所用或工程实际所用同批次的复材管，试样总数不少于5个。试样的端部需进行打磨处理，修平管壁上的胶瘤或突起物，试样型式见图1。D为试样外径；d为试样内径；H为试样高度；t为试样厚度。
1.2试样尺寸
试样高度H＝2×固定端高度l+试样有效高度L，其中试样有效高度L等于100mm，试样的固定端高度l：对于直径d小于等于200mm时，l≥20mm；对于直径d大于200mm且小于等于400时，l≥30mm；对于直径d大于400mm且小于等于600时，l≥40mm；对于直径d大于600mm时，l≥50mm。
1.3试样端面要求
试样端面应平整、无分层、撕裂等现象，其余表面无损伤。试样两端面要求尽量平行，且与试样轴线垂直，平行度应不大于0.1mm。
1.4试样应变片的粘贴
如图2所示，在试样高度一半处的截面沿其外表面均匀粘贴4-8组应变片，如果试样的直径较大，应变片的组数可适当增加。每组应变片均包括两个单向应变片，一个沿试样轴向布置，另一个沿环向布置，宜采用标距为5mm至20mm的应变片。
1.5试样数量
力学性能试样每组不少于5个，并保证同批次有5个有效试样，物理性能试样按相应标准的规定。
2试验条件
2.1试验环境条件
2.2.1实验室标准环境条件
温度：(23±2)℃；相对温度：(50±10)％。
2.2.2实验室非标准环境条件
若不具备实验室标准环境条件时，选择接近实验室标准环境条件的实验室环境条件。
2.2试验状态调节
具备条件时至少在温度(23±2)℃环境中放置4h并在相同环境下进行试验。不具备条件时在实验室环境温度下进行试验。
3装置和设备
3.1试验装置
本复材管轴向压缩试验方法的试验装置由上、下钢端板和四根半圆形钢条组成，如图3a-3c、4a-4c、5所示。
3.1.1上、下端板
3.1.1.1试验装置的端板为圆形，中心位置设有一圆柱形凸起，如图3a-3c所示。端板的表面应平整、光滑。
3.1.1.2端板的直径D1为(复材管外径D+20)mm，端板中央的圆柱形凸起直径D2为(复材管内径d-5)mm；端板高度h1(不包括圆柱形凸起厚度)为10～20mm，圆柱形凸起高度h2等于试样的固定端长度l。
3.1.2半圆形钢条
3.1.2.1每两根半圆形钢条为一套，可组成有两个缺口的圆形，如图4a-4c所示。
3.1.2.2两根半圆形钢条所组成的圆形直径D3为(复材管外径D+5)mm，缺口宽度b为2～5mm。钢条的厚度t1为10mm，高度h3与试样的固定端高度l相同。
3.1.3端板与两根半圆形钢条拼装后，端板中央的圆柱形凸起与半圆形钢条所形成的凹槽宽度B为(复材管厚度t+5)mm，能够让试样端部卡入凹槽中，如图5所示。并在凹槽中填充高强度石膏材料，作为试样轴心加载时的锚固端。
3.2试验装置的安装
3.2.1将试样的上端套入上端板中央的圆柱形凸起中，并初步对中，如图6a所示。沿试样两个垂直的径向通过角尺调整试样的端面，通过在试样的端面添加小钢片的方法来确保试样管壁与端板保持垂直，如图6b和6c所示。
3.2.2通过粘胶将两根半圆形钢条固定在端板上，如图6d所示，两根钢条的缺口处可以暂时用胶布封闭。
3.2.3配制高强度石膏胶体，并将之填充到凹槽内。
3.2.4待上端板凹槽内石膏硬化后，倒转试样，进行下端板的安装，方法同上端板的安装3.2.1～3.2.3。最终试验装置安装完成如图7所示。
3.3试验设备
试验的加压设备应采用微机控制电液伺服试验机，吨位的选择应使试样施加载荷落在满载的10％～90％范围内(尽量落在满载的一边)，且不应小于试验机最大吨位的4％。
3.4加载速度
轴向加载速度为试样轴向应变每分钟增加0.06％。
3.5试样的对中
为保证试样的轴心加压，在正式加载开始前需对试样进行对中调试。将试样初步加载至轴向应变达到0.02％左右，判断对称布置的轴向应变中的误差值不大于两者平均值的10％，即满足试样对中的要求。否则需调整试样的位置直至满足对中要求。
4试验步骤
4.1试样制备按1.1、1.2、1.3和1.4的规定。
4.2试样需经外观检查，如有缺陷和不符合尺寸及制备要求的试样，应作废。
4.3将合格试样进行编号，并测量试样尺寸。分别测量试样的内径、外径以及试样的厚度，测量精确到0.01mm。在试样两个端面上，分别测量相互垂直两个方向上外径，取其平均值为平均外径。在试样任一端面的八个等间隔处测量壁厚，舍弃其中最大值和最小值，取其余各点的平均值为平均壁厚，试样的壁厚为两个端面平均壁厚的平均值。
4.4试样状态调节按2.2的规定。
4.5试样的安装按3.2的规定。
4.6加载速度按3.4的规定、均匀、连续的加压，直至试样破坏。
4.7试样对中要求按3.5的规定。
4.8试验过程中，需要采集并储存的数据包括：荷载、试样的应变和加压时间。
5复材管线性轴向性能参数的计算
5.1图8所示为典型的结构工程用复材管轴向压缩性能试验的全过程轴向应力-应变曲线，曲线的终点为轴向载荷达到最大值。规定压为正，拉为负。
5.2按照式(1)计算试样的轴向压缩强度：
Figure BDA0002918503740000121
式中：
Pc——试样的轴向压缩强度(MPa)；
Fc,max——试样的最大轴压载荷(N)；
d——试样的平均内径(mm)；
t——试样的平均厚度(mm)。
5.3按照式(2)计算试样的轴向应力：
Figure BDA0002918503740000122
式中：
σx——试样的轴向应力(MPa)；
Fc——试样的轴压载荷(N)；
5.4按照式(3)计算轴向压缩弹性模量：
Figure BDA0002918503740000123
式中：
Ex——试样的轴向压缩弹性模量(MPa)；
Δεx——试样弹性范围内的平均轴向应变增量，如图8所示，应至少为0.2％，建议选取平均轴向应变0.1％～0.3％的范围；
Δσx——与平均轴向应变增量Δεx对应的平均轴向应力增量(MPa)。
5.5按照式(4)计算试样的泊松比：
Figure BDA0002918503740000124
式中：
νxθ——试样的轴向压缩泊松比；
Δεθ——与平均轴向应变增量Δεx对应的平均环向应变增量。
6双向受力下复材管非线性轴向性能
复材管的非线性轴向性能参数采用基于Jones和Nelson’s模型的应变能密度来表述。
6.1按照式(5)计算试样轴向压缩的应变能密度：
Figure BDA0002918503740000131
式中：
εx,i——试样第i个平均轴向应变，从大于等于0.01％开始取值，到最大载荷点结束；
σx,i——与εx,i对应的第i个轴向应力(MPa)；
Ui——与εx,i对应的第i个轴向压缩应变能密度(MPa)。
6.2按照式(6)计算试样的轴向压缩割线模量：
Figure BDA0002918503740000132
式中：
Ex,sec,i——与εx,i对应的第i个轴向压缩割线模量。
6.3按照式(7)计算试样的轴向压缩割线泊松比：
Figure BDA0002918503740000133
式中：
νxθ,sec,i——与εx,i对应的第i个轴向压缩割线泊松比；
εθ,i——与εx,i对应的第i个平均环向应变。
6.4根据6.1、6.2和6.3的计算结果分别绘制轴向压缩应变能密度～轴向割线模量(Ui～Ex,sec,i)和轴向压缩应变能密度～轴向割线泊松比(Ui～vxθ,sec,i)数据点，如图9中所示。
6.5如图9所示，通过最小二乘法拟合6.4所得的数据点，得到复材管复合受力(双向受力或三向受力)状态下，用其应变能密度所表达的轴向割线模量用式(8)表达：
Figure BDA0002918503740000141
式中：
Ex,sec——复材管双向受力状态下的轴向割线模量(MPa)；
A，B，C——通过拟合试验轴向压缩应变能密度～割线模量数据得到的轴向割线模量非线性系数；
U*——轴压试样最大载荷时的轴向压缩应变能密度(MPa)；
Figure BDA0002918503740000142
——轴压试样最大载荷时的轴向切线模量(MPa)；
D，F——为U＞U*后轴向割线模量非线性参数，分别用式(9)和(10)计算：
Figure BDA0002918503740000143
Figure BDA0002918503740000144
复材管复合受力状态下，应变能密度所表达的轴向泊松比用式(11)表达：
Figure BDA0002918503740000145
式中：
νxθ,sec——结构工程用复材管双向受力状态下的轴向泊松比；
a，b，c——通过拟合试验轴向压缩应变能密度～割线泊松比数据得到的轴向割线泊松比非线性系数；
Figure BDA0002918503740000146
——轴压试样最大载荷时的轴向切线泊松比；
d，f——为U＞U*后轴向割线泊松比非线性系数，分别用式(12)和(13)计算：
Figure BDA0002918503740000151
Figure BDA0002918503740000152
对于结构工程用复材管，通常忽略其剪切变形，其处于轴向压缩和环向拉伸状态，可认为处于双向受力状态，因此复材管双向受力状态下的应变能密度用式(14)计算：
Figure BDA0002918503740000153
式中：
σx，εx——分别为复材管双向受力状态下的轴向应力(MPa)和应变；
σθ，εθ——分别为复材管双向受力状态下的环向应力(MPa)和应变。
因此有了双向受力复材管管任意时刻的应变能密度，公式(14)，即可通过公式(8)～(13)获得当前受力状态下考虑复材管非线性的轴向割线模量Ex,sec和轴向割线泊松比νxθ,sec。
7试验结果
应求出轴向初始弹性模量、轴向初始泊松比等试验结果的算数平均值、标准差、离散系数等。对于离散系数较大的，应分析具体原因。如是因试样质量问题，应重新制作一批试样再次进行试验。
7.1每个试样的性能值：X1，X2，X3，…,Xn。必要时，应说明每个试样的破坏情况。
7.2按照式(15)计算算术平均值，计算到三位有效数字：
Figure BDA0002918503740000154
式中：
Figure BDA0002918503740000155
——算术平均值；
Xi——每个试样的性能值；
n——试样数。
7.3按照式(16)计算标准差S，计算到二位有效数字：
Figure BDA0002918503740000161
式中：
S——标准差。
7.4按照式(17)计算离散系数Cv，计算到二位有效数字：
Figure BDA0002918503740000162
式中：
Cv——离散系数。
7.5平均值的置信区间。
按ISO 2602:1980计算。
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.测量结构工程用复合材料管轴向压缩性能的试验装置，其特征在于：包括上端板、下端板、半圆形钢条、轴向应变片、环向应变片；上端板和下端板的结构相同，均包括圆形的端板和位于端板中心的圆柱形凸起，两条半圆形钢条通过粘胶固定在端板上，两条半圆形钢条与圆柱形凸起之间形成一条环形的凹槽，凹槽用于容纳管状受压试样的端部，凹槽内填充高强度石膏将试样的端部与端板固定；轴向应变片和环向应变片均环绕试样圆周均布在试样的外表面，且位于试样的中部。
2.按照权利要求1所述的测量结构工程用复合材料管轴向压缩性能的试验装置，其特征在于：还包括若干钢片，钢片垫在试样的端部与端板之间，以确保试样的管壁垂直于端板。
3.按照权利要求1所述的测量结构工程用复合材料管轴向压缩性能的试验装置，其特征在于：圆柱形凸起的外径比试样的名义直径小10mm。
4.按照权利要求1所述的测量结构工程用复合材料管轴向压缩性能的试验装置，其特征在于：半圆形钢条的内径比试样的名义直径大40mm。
5.按照权利要求1所述的测量结构工程用复合材料管轴向压缩性能的试验装置，其特征在于：一个沿着轴向设置的轴向应变片和一个沿着环向设置的环向应变片组成一组应变片；应变片的数量为多组，在试样高度一半的位置处沿圆周均匀粘贴在试样外壁上。
6.按照权利要求1所述的测量结构工程用复合材料管轴向压缩性能的试验装置，其特征在于：还包括对试样进行轴心加压的加压设备。
7.测量结构工程用复合材料管轴向压缩性能的试验方法，采用权利要求1至6中任一项所述的测量结构工程用复合材料管轴向压缩性能的试验装置，其特征在于：包括如下步骤：
a.试样制作：从复合材料管上截取试样；
b.试样安装：将试样的上端套入上端板中心的圆柱形凸起中，并初步对中；沿试样两个垂直的径向，通过角尺调整试样的端面，同时通过在试样的端面添加钢片的方法来确保试样管壁与端板垂直；通过粘胶将两根半圆形钢条固定在端板上，两根半圆形钢条之间的缺口处暂时用胶布封闭；配制高强度石膏胶体，并将其填充到凹槽内；待凹槽内高强度石膏硬化后，倒转试样，进行下端板的安装，方法同上端板的安装；
c.加载：试验的加压设备采用微机控制电液伺服试验机，吨位的选择使试样施加载荷落在满载的10％～90％范围内，且不应小于试验机最大吨位的4％；对试样均匀加压，加压速度为试样轴向应变每分钟增加0.06％，且加载过程保证上、下端板平行；
d.数据的选取和计算：选取试验过程中规定的轴向应变范围的试验数据，计算得到复合材料管的轴向压缩线性参数和非线性参数。
8.按照权利要求7所述的测量结构工程用复合材料管轴向压缩性能的试验方法，其特征在于：步骤a中，试样取自于试验所用或工程实际所用同批次的复合材料管，试样总数不少于5个；试样的端部进行打磨处理，修平管壁上的胶瘤或突起物。
9.按照权利要求7所述的测量结构工程用复合材料管轴向压缩性能的试验方法，其特征在于：步骤d中，轴向压缩线性参数包括轴向压缩强度、轴向压缩弹性模量和泊松比，非线性参数包括轴向压缩割线模量和轴线压缩割线泊松比。
10.按照权利要求9所述的测量结构工程用复合材料管轴向压缩性能的试验方法，其特征在于：计算过程为，
按照式(1)计算试样的轴向压缩强度：
Figure FDA0002918503730000021
式中：
Pc——试样的轴向压缩强度(MPa)；
Fc，max——试样的最大轴压载荷(N)；
d——试样的平均内径(mm)；
t——试样的平均厚度(mm)；
按照式(2)计算试样的轴向应力：
Figure FDA0002918503730000022
式中：
σx——试样的轴向应力(MPa)；
Fc——试样的轴压载荷(N)；
按照式(3)计算轴向压缩弹性模量：
Figure FDA0002918503730000031
式中：
Ex——试样的轴向压缩弹性模量(MPa)；
Δεx——试样弹性范围内的平均轴向应变增量，应至少为0.2％，优选平均轴向应变0.1％～0.3％的范围；
Δσx——与平均轴向应变增量Δεx对应的平均轴向应力增量(MPa)；
按照式(4)计算试样的泊松比：
Figure FDA0002918503730000032
式中：
νxθ——试样的轴向压缩泊松比；
Δεθ——与平均轴向应变增量Δεx对应的平均环向应变增量；
按照式(5)计算试样轴向压缩的应变能密度：
Figure FDA0002918503730000033
式中：
εx，i——试样第i个平均轴向应变，从大于等于0.01％开始取值，到最大轴压载荷点结束；
σx，i——与εx，i对应的第i个轴向应力(MPa)；
Ui——与εx，i对应的第i个轴向压缩应变能密度(MPa)；
按照式(6)计算试样的轴向压缩割线模量：
Figure FDA0002918503730000034
式中：
Ex，sec，i——与εx，i对应的第i个轴向压缩割线模量；
按照式(7)计算试样的轴向压缩割线泊松比：
Figure FDA0002918503730000041
式中：
νxθ，sec，i——与εx，i对应的第i个轴向压缩割线泊松比；
εθ，i——与εx，i对应的第i个平均环向应变；
根据计算结果分别绘制轴向压缩应变能密度～轴向割线模量Ui～Ex，sec，i和轴向压缩应变能密度～轴向割线泊松比Ui～vxθ，sec，i数据点；
通过最小二乘法拟合所得的数据点，得到复合材料管复合受力状态下，即双向受力或三向受力状态下，用复合材料管应变能密度所表达的轴向割线模量用式(8)表达：
Figure FDA0002918503730000042
式中：
Ex，sec——复合材料管双向受力状态下的轴向割线模量(MPa)；
A，B，C——通过拟合试验轴向压缩应变能密度～割线模量数据得到的轴向割线模量非线性系数；
U*——轴压试样最大载荷时的轴向压缩应变能密度(MPa)；
Figure FDA0002918503730000043
——轴压试样最大载荷时的轴向切线模量(MPa)；
D，F——为U＞U*后轴向割线模量非线性参数，分别用式(9)和(10)计算：
Figure FDA0002918503730000044
Figure FDA0002918503730000045
复合材料管复合受力状态下，应变能密度所表达的轴向泊松比用式(11)表达：
Figure FDA0002918503730000051
式中：
νxθ，sec——复合材料管双向受力状态下的轴向泊松比；
a，b，c——通过拟合试验轴向压缩应变能密度～割线泊松比数据得到的轴向割线泊松比非线性系数；
Figure FDA0002918503730000052
——轴压试样最大载荷时的轴向切线泊松比；
d，f——为U＞U*后轴向割线泊松比非线性参数，分别用式(12)和(13)计算：
Figure FDA0002918503730000053
Figure FDA0002918503730000054
对于结构工程用复合材料管，通常忽略复合材料管剪切变形，复合材料管处于轴向压缩和环向拉伸状态，认为处于双向受力状态，因此复合材料管双向受力状态下的应变能密度用式(14)计算：
Figure FDA0002918503730000055
式中：
σx，εx——分别为复合材料管双向受力状态下的轴向应力(MPa)和应变；
σθ，εθ——分别为复合材料管双向受力状态下的环向应力(MPa)和应变；
因此有了双向受力复合材料管管任意时刻的应变能密度，公式(14)，即通过公式(8)～(13)获得当前受力状态下考虑复合材料管非线性的轴向割线模量Ex，sec和轴向割线泊松比νxθ，sec。
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114705836A (zh) * 2022-04-15 2022-07-05 南京交通职业技术学院 一种膨胀土无荷膨胀率试验仪及试验方法

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103900902A (zh) * 2014-04-16 2014-07-02 西南科技大学 一种侧向受限的岩石单轴压缩试验装置
RU2597811C1 (ru) * 2015-07-14 2016-09-20 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем химико-энергетических технологий Сибирского отделения РАН (ИПХЭТ СО РАН) Способ определения механических характеристик полых трубчатых изделий из полимерных композиционных материалов
CN107703038A (zh) * 2017-09-19 2018-02-16 中交天津港湾工程研究院有限公司 土工织物轴向压缩法淤堵试验装置及方法
CN214668249U (zh) * 2021-01-27 2021-11-09 华南农业大学 测量结构工程用复合材料管轴向压缩性能的试验装置

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103900902A (zh) * 2014-04-16 2014-07-02 西南科技大学 一种侧向受限的岩石单轴压缩试验装置
RU2597811C1 (ru) * 2015-07-14 2016-09-20 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем химико-энергетических технологий Сибирского отделения РАН (ИПХЭТ СО РАН) Способ определения механических характеристик полых трубчатых изделий из полимерных композиционных материалов
CN107703038A (zh) * 2017-09-19 2018-02-16 中交天津港湾工程研究院有限公司 土工织物轴向压缩法淤堵试验装置及方法
CN214668249U (zh) * 2021-01-27 2021-11-09 华南农业大学 测量结构工程用复合材料管轴向压缩性能的试验装置

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114705836A (zh) * 2022-04-15 2022-07-05 南京交通职业技术学院 一种膨胀土无荷膨胀率试验仪及试验方法

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