CN113295527B - 用于测量纤维增强复合筋应力松弛的装置及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于测量纤维增强复合筋应力松弛的装置及其测量方法，纵向支撑的两端分别通过固定螺钉和对中垫板的第一端固连，应变传导铁杆的第一端和千分表的第一端固连，FRP筋的中部位于纵向支撑的内部，FRP筋的加载端和测量端分别通过环氧树脂和螺纹套筒连接，并伸出纵向支撑的外部。测量方法主要步骤为：首先利用环氧树脂在FRP筋两端粘结螺纹套筒，接着将FRP筋依次与测量装置其它零件组装；然后通过数据采集系统对测量装置进行平衡，并采用扳手缓慢旋转加载螺母，对FRP筋进行张拉；最后根据采集的数据计算FRP筋的应力松弛率。本发明给出了反力架与螺纹套筒刚度下限量化指标，通过计算即可判断反力架及螺纹套筒与FRP筋是否适配，测量精度高。

Description

用于测量纤维增强复合筋应力松弛的装置及其测量方法

技术领域

本发明涉及纤维复合增强材料FRP性能检测领域，特别涉及一种用于测量纤维增强复合筋应力松弛的装置及其测量方法。

背景技术

FRP筋是一种由纤维及树脂复合工艺组合而成的新型复合材料，由于其抗拉强度高，耐腐蚀性好，被广泛应用于极端恶劣环境下的桥梁结构与海洋工程。FRP筋强度高但弹性模量较低，结构中正常配置FRP筋的构件达到正常使用极限状态时，FRP筋强度难以充分发挥，限制了FRP筋高强特性的发挥。采用预应力技术能够有效提高FRP筋强度利用，改善构件使用性能。施加预应力的FRP材料具有松弛效应，会造成预应力损失。

现有研究表明：即使采用同种纤维，不同生产商提供的FRP筋的松弛行为仍表现出明显差异，难以采用统一的松弛率对其性能进行评估。基于此，根据短期实测数据推演FRP筋全寿命周期松弛规律，进而计算相应应力损失的方法已得到普遍认可。

松弛试验一般需使用反力架，若先张拉FRP筋，而后将其固定于反力架内，则放张过程中反力架产生的压缩变形会对FRP筋应力变化的测量产生干扰，造成检测结果精度差。基于此，为使FRP筋张拉与反力架压缩同步发生，提出一种消除反力架变形影响的FRP筋应力松弛测量装置，采用该装置进行松弛试验能够有效保障检测精度。同时，FRP筋弹性模量具有时随效应，通过测量筋体应变获取相应应力的方法并不适用，需设置荷载传感器监测荷载变化。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种用于测量纤维增强复合筋应力松弛的装置及其测量方法，主要是通过穿心荷载传感器对FRP筋所受应力进行测量，来获得FRP筋在长期荷载下的应力松弛规律，具有测量精度高，操作便捷等优点。

本发明提供了一种用于测量纤维增强复合筋应力松弛的装置，其包括纵向支撑、对中垫板、固定螺钉、应变传导铁杆、千分表、FRP筋、螺纹套筒、对中橡胶塞、穿心荷载传感器、加载螺母、限转螺母、卡钳、限转螺钉、带圆孔螺纹插销、环氧树脂和辅助螺母。所述纵向支撑的两端分别通过固定螺钉和所述对中垫板的第一端固定连接，所述纵向支撑的外表面的上端设有应变传导铁杆螺孔和千分表螺孔，所述应变传导铁杆的第一端和所述千分表的第一端固定连接，所述应变传导铁杆的第二端和第三端分别通过带圆孔螺纹插销与所述应变传导铁杆螺孔连接，所述千分表的第二端和所述千分表螺孔固定连接，所述FRP筋的中部位于所述纵向支撑的内部，所述FRP筋的加载端和测量端分别通过环氧树脂和所述螺纹套筒的内部固定连接，并伸出所述纵向支撑的外部。所述加载螺母位于所述FRP筋的加载端，所述穿心荷载传感器位于所述FRP筋的测量端，位于加载端的所述螺纹套筒的第一端通过加载螺母和所述对中垫板的第二端连接，位于测量端的所述螺纹套筒的第一端通过穿心荷载传感器和所述对中垫板的第二端连接，所述螺纹套筒的第二端伸出所述纵向支撑的外部。所述限转螺母、所述辅助螺母、所述卡钳和所述限转螺钉均与位于FRP筋加载端的加载螺母位于同一侧，所述限转螺母和所述辅助螺母的内表面和位于加载端的螺纹套筒外表面的第二端连接，所述限转螺母的外表面和所述卡钳的内表面套接，所述限转螺钉位于所述卡钳的外表面，并和所述卡钳的外表面连接，所述卡钳的第一端和所述对中垫板的第三端固定连接。

可优选的是，所述纵向支撑、所述对中垫板和所述固定螺钉组成反力架，所述纵向支撑、所述对中垫板、所述FRP筋、所述螺纹套筒、所述对中橡胶塞、所述穿心荷载传感器、所述加载螺母、所述限转螺母、所述辅助螺母和所述卡钳的轴线在同一条直线上。

可优选的是，所述固定FRP筋反力架的刚度应满足如下表达式：

其中，E_f为FRP筋的弹性模量；E₁为反力架纵向支撑的弹性模量；A₁为反力架纵向支撑的截面面积；A_f为FRP筋的截面面积。

可优选的是，所述FRP筋的直径为4mm-28mm。

可优选的是，所述螺纹套筒的刚度应满足如下表达式：

其中，D为螺纹套筒的公称直径，d为螺纹套筒的内径，E_s为螺纹套筒的弹性模量。

本发明的另外一方面，提供一种用于测量纤维增强复合筋应力松弛的测量方法，其具体操作步骤如下：

S1、利用环氧树脂在FRP筋两端粘结螺纹套筒：

S11、对FRP筋两端的外表面采用丙酮进行清洁；

S12、将FRP筋穿入位于加载端的螺纹套筒第一端的对中橡胶塞并伸入螺纹套筒内部，通过螺纹套筒第二端向螺纹套筒内部灌注环氧树脂，而后固定螺纹套筒第二端的对中橡胶塞，利用同样方法粘结FRP筋测量端的螺纹套筒；

S13、将步骤S12得到的装置静置7天，使FRP筋加载端和测量端的环氧树脂完全凝固；

S2、将两端粘结螺纹套筒的FRP筋依次与反力架、应变传导铁杆、千分表、穿心荷载传感器、加载螺母、限转螺母、辅助螺母、卡钳、限转螺钉和带圆孔螺纹插销组装：

S21、将步骤S13得到的FRP筋加载端和测量端分别通过对中垫板和纵向支撑的两端连接；

S22、将穿心荷载传感器通过内螺纹和位于FRP筋测量端的螺纹套筒连接，并紧贴对中垫板固定；

S23、沿着远离纵向支撑的方向，将加载螺母、辅助螺母和限转螺母依次套在位于FRP筋加载端的螺纹套筒上；

S24、将卡钳套于限转螺母上，通过插销将卡钳的第一端和对中垫板的第三端连接，通过限转螺钉将卡钳和限转螺母挤压固定；

S3、将穿心荷载传感器的输出端和数据采集仪连接，并通过数据采集系统对测量装置进行平衡；

S4、采用扳手缓慢旋转加载螺母，直至穿心荷载传感器读数达到目标荷载，以实现对FRP筋的张拉；

S5、按照每分钟一次的频率采集穿心荷载传感器数据，持荷过程中千分表数据波动不应高于0.001mm/min；

S6、计算FRP筋的应力松弛率：

在步骤S5采集穿心荷载传感器数据的情况中，t时刻下FRP筋的应力σ(t)表达式为：

其中，F_f(t)为t时刻下穿心荷载传感器的读数；

根据上述应力σ(t)表达式得到FRP筋的应力松弛率Y_t的表达式为：

其中，σ₀为FRP筋初始应力。

可优选的是，所述测量方法的检测时长为1000h。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：

1、本发明为尽量降低长期荷载作用下反力架变形带来的误差，给出了反力架刚度下限量化指标，通过简便地计算即可判断反力架与FRP筋是否适配，结构简单且测量精度高。

2、本发明通过架设千分表对反力架的适用性进行验证，保证了测量精度。

3、本发明在旋转加载螺母张拉FRP筋的过程中，反力架作为的台座发生弹性压缩。相较于另设台座、反力架在加载过程中不受力的张拉方法，本方法使FRP筋张拉与反力架压缩同步发生，避免了放张过程中因反力架弹性变形引起的应力损失。

4、本发明中FRP筋组分包含树脂基体这一粘弹性材料，通过短期试验测定的FRP筋弹性模量难以反映其在长期荷载下的应力-应变关系，因此，持荷过程中FRP筋所受应力不宜通过测量应变获取，本方法采用穿心荷载传感器对FRP筋所受应力进行测量，具有合理性。

附图说明

图1为本发明用于测量纤维增强复合筋应力松弛的装置及其测量方法中测量装置的结构图；

图2为本发明用于测量纤维增强复合筋应力松弛的装置及其测量方法中1-1的剖视图；

图3为本发明用于测量纤维增强复合筋应力松弛的装置及其测量方法中测量装置的左视图；

图4为本发明用于测量纤维增强复合筋应力松弛的装置及其测量方法中测量装置的局部视图；

图5为本发明用于测量纤维增强复合筋应力松弛的装置及其测量方法中测量方法的流程图。

主要附图标记：

纵向支撑1，对中垫板2，固定螺钉3，应变传导铁杆4，千分表5，FRP筋6，螺纹套筒7，对中橡胶塞8，穿心荷载传感器9，加载螺母10，限转螺母11，卡钳12，限转螺钉13，带圆孔螺纹插销14，环氧树脂15，辅助螺母16。

具体实施方式

为详尽本发明之技术内容、结构特征、所达成目的及功效，以下将结合说明书附图进行详细说明。

用于测量纤维增强复合筋应力松弛的装置，如图1所示，其包括纵向支撑1、对中垫板2、固定螺钉3、应变传导铁杆4、千分表5、FRP筋6、螺纹套筒7、对中橡胶塞8、穿心荷载传感器9、加载螺母10、限转螺母11、卡钳12、限转螺钉13、带圆孔螺纹插销14、环氧树脂15和辅助螺母16，螺纹套筒7内外均有国标细牙螺纹。本测量装置中所用环氧树脂厚度宜取1-3mm。

如图2和图3所示，纵向支撑1的两端分别通过固定螺钉3和对中垫板2的第一端固定连接，纵向支撑1的外表面的上端分别设有应变传导铁杆螺孔和千分表螺孔，应变传导铁杆4的第二端与带圆孔螺纹插销14焊接，应变传导铁杆4的第三端与带圆孔螺纹插销14是自由通过，应变传导铁杆4的第二端和第三端分别通过带圆孔螺纹插销14与应变传导铁杆螺孔连接，即从圆孔穿过非焊接，中间的带圆孔螺纹插销14起竖向支撑作用，只有自由通过才能传递应变，应变传导铁杆4的第一端和千分表5的第一端固定连接，千分表5的第二端和千分表螺孔固定连接，FRP筋6的中部位于纵向支撑1的内部，FRP筋6的加载端和测量端分别通过环氧树脂15和螺纹套筒7的内部固定连接，并伸出纵向支撑1的外部。

加载螺母10位于FRP筋6的加载端，穿心荷载传感器9位于FRP筋6的测量端，位于加载端的螺纹套筒7的第一端通过加载螺母10和对中垫板2的第二端连接，位于加载端的螺纹套筒7的第一端穿过对中橡胶塞8位于纵向支撑1的内部，位于测量端的螺纹套筒7的第一端通过穿心荷载传感器9和对中垫板2的第二端连接，位于测量端的螺纹套筒7的第一端穿过对中橡胶塞8位于纵向支撑1的内部，螺纹套筒7的第二端伸出纵向支撑1的外部。

如图4所示，限转螺母11、辅助螺母16、卡钳12和限转螺钉13分别与位于FRP筋6加载端的加载螺母10位于同一侧，限转螺母11和辅助螺母16的内表面和位于加载端的螺纹套筒7外表面的第二端连接，限转螺母11和辅助螺母16对拧锁死，限转螺母11的外表面和卡钳12的内表面套接，限转螺钉13位于卡钳12的外表面，并和卡钳12的外表面连接，卡钳12的第一端和对中垫板2的第三端固定连接。

两块纵向支撑1、两块对中垫板2和八颗固定螺钉3组成反力架，进一步，为了保证测量装置测量的准确性，纵向支撑1、对中垫板2、FRP筋6、螺纹套筒7、对中橡胶塞8、穿心荷载传感器9、加载螺母10、辅助螺母16、限转螺母11和卡钳12的轴线在同一条直线上。

在本发明的一个优选实施例中，FRP筋6的直径为4mm-28mm，FRP筋6所受轴向拉力由穿心荷载传感器9测量，FRP筋6通过对中垫板2将荷载传递给纵向支撑1，轴向荷载通过旋转加载螺母10加载，加载螺母10与位于螺纹套筒7上的限转螺母11配套使用。

具体而言，固定FRP筋6的反力架的刚度应满足如下表达式：

其中，E_f为FRP筋6的弹性模量；E₁为反力架中纵向支撑1的弹性模量；A₁为反力架纵向支撑1的平均截面积；A_f为FRP筋6的截面面积。

螺纹套筒7的刚度应满足如下表达式：

其中，D为螺纹套筒7的公称直径，d为螺纹套筒7的内径，E_s为螺纹套筒7的弹性模量。

用于测量纤维增强复合筋应力松弛的测量方法，如图5所示，其包括以下步骤：

S1、利用环氧树脂15在FRP筋6的两端粘结螺纹套筒7。

S2、将两端粘结螺纹套筒7的FRP筋6依次与反力架、应变传导铁杆4、千分表5、穿心荷载传感器9、加载螺母10、限转螺母11、卡钳12、限转螺钉13、带圆孔螺纹插销14和辅助螺母16组装。

S3、将穿心荷载传感器9的输出端和数据采集仪连接，并通过数据采集系统对测量装置进行平衡。

S4、采用扳手缓慢旋转加载螺母10，直至穿心荷载传感器9的读数达到目标荷载，以实现对FRP筋6的张拉。

S5、按照每分钟一次的频率采集穿心荷载传感器9的数据，持荷过程中千分表5的数据波动不应高于0.001mm/min。

S6、计算FRP筋6的应力松弛率。

优选地，应用于本测量装置，测量FRP筋6的应力松弛的方法的检测时长为1000h；在本测量方法中，穿心荷载传感器9所用量程高于所加初始应力的40％。

以下结合实施例对本发明一种用于测量纤维增强复合筋应力松弛的装置及其测量方法做进一步描述：

本测量装置中各个零件的具体尺寸为：

螺纹套筒7的内径为16mm，公称直径为30mm，长度为300mm，材质为Q345，螺纹选用国标细牙；GFRP筋6的全长为1000mm，直径为10mm；纵向支撑1为两个截面面积为100mm×300mm、高度为500mm、材质为Q345的矩形钢柱；对中垫板2的尺寸为100mm×100mm，厚度为20mm；固定螺钉3为304钢M6螺钉；应变传导铁杆4的长度为400mm，直径为10mm；对中橡胶塞8的内径为10mm，外径为16mm，高度为10mm；穿心荷载传感器9的内螺纹与螺纹套筒7配套，量程为200kN；加载螺母10、限转螺母11与辅助螺母16均与螺栓配套；卡钳12选用厚度为10mm的钢板制作；限转螺钉13为304钢M6螺钉；带孔螺纹插销14采用长为15mm、直径为4mm的十字槽圆柱头螺钉，并在其顶部焊接钢制小圆环。

具体测量方法如下：

S1、利用环氧树脂15在直径为10mm的GFRP(玻璃纤维筋)筋6的两端粘结螺纹套筒7：

S11、对GFRP筋两端的外表面采用丙酮进行清洁；

S12、将GFRP筋穿入位于加载端的螺纹套筒第一端的对中橡胶塞并伸入螺纹套筒内部，通过螺纹套筒第二端向螺纹套筒内部灌注环氧树脂，而后固定螺纹套筒第二端的对中橡胶塞，利用同样方法粘结GFRP筋测量端的螺纹套筒；

S13、将步骤S12得到的装置静置7天，使GFRP筋6加载端和测量端的环氧树脂15完全凝固；

S2、将两端粘结螺纹套筒7的GFRP筋6依次与由Q345钢材制作的反力架、应变传导铁杆4、千分表5、穿心荷载传感器9、加载螺母10、限转螺母11、卡钳12、限转螺钉13、带圆孔螺纹插销14和限转螺母16组装：

S21、将步骤S13得到的GFRP筋6的加载端和测量端分别通过对中垫板2和纵向支撑1的两端连接；

S22、将穿心荷载传感器9通过内螺纹和位于GFRP筋6检测端的螺纹套筒7连接，并紧贴对中垫片2固定；

S23、沿着远离纵向支撑1的方向，将加载螺母10、辅助螺母16和限转螺母11依次套在位于GFRP筋6的加载端的螺纹套筒7上；

S24、将卡钳12套于限转螺母11上，通过插销将卡钳12的第一端和对中垫板2的第三端连接，通过限转螺钉13将卡钳12和限转螺母11挤压固定；

S3、将穿心荷载传感器9的输出端和数据采集仪连接，并通过数据采集系统对测量装置进行平衡；

S4、采用扳手缓慢旋转加载螺母10，直至穿心荷载传感器9的读数达到目标荷载，以实现对GFRP筋6的张拉；

S5、按照每分钟一次的频率采集穿心荷载传感器9的数据，持荷过程中千分表5的数据波动不应高于0.001mm/min；

S6、计算GFRP筋6的应力松弛率：

在步骤S5采集穿心荷载传感器数据的情况中，t时刻下GFRP筋6的应力σ(t)表达式为：

其中，F_f(t)为t时刻下，穿心荷载传感器9的读数。

根据上述应力σ(t)表达式得到GFRP筋6的应力松弛率Y_t的表达式为：

其中，σ₀为GFRP筋6的初始应力。

以上所述的实施例仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (5)

1.一种用于测量纤维增强复合筋应力松弛的装置，其包括纵向支撑、对中垫板、固定螺钉、应变传导铁杆、千分表、FRP筋、螺纹套筒、对中橡胶塞、穿心荷载传感器、加载螺母、限转螺母、卡钳、限转螺钉、带圆孔螺纹插销、环氧树脂和辅助螺母，其特征在于，

所述纵向支撑的两端分别通过固定螺钉和所述对中垫板的第一端固定连接，所述纵向支撑的外表面的上端设有应变传导铁杆螺孔和千分表螺孔，所述应变传导铁杆的第一端和所述千分表的第一端固定连接，所述应变传导铁杆的第二端和第三端分别通过带圆孔螺纹插销与所述应变传导铁杆螺孔连接，所述千分表的第二端和所述千分表螺孔固定连接，所述FRP筋的中部位于所述纵向支撑的内部，所述FRP筋的加载端和测量端分别通过环氧树脂和所述螺纹套筒的内部固定连接，并伸出所述纵向支撑的外部；

所述加载螺母位于所述FRP筋的加载端，所述穿心荷载传感器位于所述FRP筋的测量端，位于加载端的所述螺纹套筒的第一端通过加载螺母和所述对中垫板的第二端连接，位于测量端的所述螺纹套筒的第一端通过穿心荷载传感器和所述对中垫板的第二端连接，所述螺纹套筒的第二端伸出所述纵向支撑的外部；

所述限转螺母、所述辅助螺母、所述卡钳和所述限转螺钉均与位于FRP筋加载端的加载螺母位于同一侧，所述限转螺母和所述辅助螺母的内表面和位于加载端的螺纹套筒外表面的第二端连接，所述限转螺母的外表面和所述卡钳的内表面套接，所述限转螺钉位于所述卡钳的外表面，并和所述卡钳的外表面连接，所述卡钳的第一端和所述对中垫板的第三端固定连接；

所述固定FRP筋反力架的刚度应满足如下表达式：

其中，E_f为FRP筋的弹性模量；E₁为反力架纵向支撑的弹性模量；A₁为反力架纵向支撑的截面面积；A_f为FRP筋的截面面积；

所述螺纹套筒的刚度应满足如下表达式：

其中，D为螺纹套筒的公称直径，d为螺纹套筒的内径，E_s为螺纹套筒的弹性模量。

2.根据权利要求1所述的用于测量纤维增强复合筋应力松弛的装置，其特征在于，所述纵向支撑、所述对中垫板和所述固定螺钉组成反力架，所述纵向支撑、所述对中垫板、所述FRP筋、所述螺纹套筒、所述对中橡胶塞、所述穿心荷载传感器、所述加载螺母、所述限转螺母、所述辅助螺母和所述卡钳的轴线在同一条直线上。

3.根据权利要求1所述的用于测量纤维增强复合筋应力松弛的装置，其特征在于，所述FRP筋的直径为4mm-28mm。

4.一种根据权利要求1-3之一所述的用于测量纤维增强复合筋应力松弛的装置的测量方法，其特征在于，其包括以下步骤：

S1、利用环氧树脂在FRP筋两端粘结螺纹套筒：

S11、对FRP筋两端的外表面采用丙酮进行清洁；

S12、将FRP筋穿入位于加载端的螺纹套筒第一端的对中橡胶塞并伸入螺纹套筒内部，通过螺纹套筒第二端向螺纹套筒内部灌注环氧树脂，而后固定螺纹套筒第二端的对中橡胶塞，利用同样方法粘结FRP筋测量端的螺纹套筒；

S13、将步骤S12得到的装置静置7天，使FRP筋加载端和测量端的环氧树脂完全凝固；

S2、将两端粘结螺纹套筒的FRP筋依次与反力架、应变传导铁杆、千分表、穿心荷载传感器、加载螺母、限转螺母、辅助螺母、卡钳、限转螺钉和带圆孔螺纹插销组装：

S21、将步骤S13得到的FRP筋加载端和测量端分别通过对中垫板和纵向支撑的两端连接；

S22、将穿心荷载传感器通过内螺纹和位于FRP筋测量端的螺纹套筒连接，并紧贴对中垫板固定；

S23、沿着远离纵向支撑的方向，将加载螺母、辅助螺母和限转螺母依次套在位于FRP筋加载端的螺纹套筒上；

S24、将卡钳套于限转螺母上，通过插销将卡钳的第一端和对中垫板的第三端连接，通过限转螺钉将卡钳和限转螺母挤压固定；

S3、将穿心荷载传感器的输出端和数据采集仪连接，并通过数据采集系统对测量装置进行平衡；

S4、采用扳手缓慢旋转加载螺母，直至穿心荷载传感器读数达到目标荷载，以实现对FRP筋的张拉；

S5、按照每分钟一次的频率采集穿心荷载传感器数据，持荷过程中千分表数据波动不应高于0.001mm/min；

S6、计算FRP筋的应力松弛率：

在步骤S5采集穿心荷载传感器数据的情况中，t时刻下FRP筋的应力σ(t)表达式为：

其中，F_f(t)为t时刻下穿心荷载传感器的读数；

根据上述应力σ(t)表达式得到FRP筋的应力松弛率Y_t的表达式为：

其中，σ₀为FRP筋初始应力。

5.根据权利要求4所述的测量方法，其特征在于，检测时长为1000h。

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