CN114428015B - 用于测试碳纤维增强复合材料筋预应力损失的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开的一种用于测试碳纤维增强复合材料筋预应力损失的装置及方法，装置由预应力损失架、CFRP筋及其锚具系统、预应力施加系统及荷载测试传感系统组成。将CFRP筋锚固于固定端锚具与荷载端锚具中，将荷载端锚具穿过预应力损失架，将长期压力传感器套入到荷载端锚具中，在荷载端锚具尾部将张拉连杆拧上，再将作用垫板固定在螺纹杆，在张拉连杆上依次穿入索力计、穿心式千斤顶，将工具锚拧到张拉连杆上，穿心式千斤顶开始工作，观察索力计的读数，达到要求荷载时停止千斤顶加载，拧紧锚固螺母，使长期压力传感器与右侧预应力损失架紧靠，可通过长期压力传感器获取CFRP筋的应力损失量。本发明可进行长期、持续的预应力损失监测。

Description

用于测试碳纤维增强复合材料筋预应力损失的装置及方法

技术领域

本发明涉及土木工程技术领域，特别涉及一种用于测试碳纤维增强复合材料筋预应力损失的装置及方法。

背景技术

传统土木工程领域所用钢筋暴露于空气或潮湿环境中，极易发生电化学腐蚀，导致钢筋发生力学性能退化，从而影响到结构构件的安全性，造成极大的安全隐患，并且为结构的正常使用带来了巨大的影响。

为了解决钢筋锈蚀导致的建筑物产生影响正常使用的问题，各国科学家、工程师想了很多办法，近几年十年来，随着材料科技学技术的发展，碳纤维增强树脂复合材料筋以其具有的绝对的优势而逐渐的在土木工程领域中应用越来越广泛。相对于传统受力材料而言(钢筋)，CFRP筋以其具有轻质、高强、耐疲劳、耐腐蚀、易加工、便于运输等优点在土木工程领域中用作受力筋、体外预应力筋、斜拉索和地锚等。

CFRP筋具有较高的抗拉强度和模量，常用于预应力结构，如预应力碳纤维筋，体外预应力等结构，作为预应力构件，必须对其预应力损失率有较好的理解，只有充分掌握了碳纤维增强复合材料的预应力损失规律，才能正确使用CFRP筋进行预应力构件的设计。

CFRP筋的预应力损失需首先对CFRP筋进行锚固，无法对CFRP筋直接进行测试，传统的预应力损失装置会对CFRP筋造成一定的损伤，装置较为复杂，无法同时对多个试样进行监测，且实验过程中存在一些其他导致预应力损失的因素。

因此本发明设计了一种可用于同时测试多个CFRP筋预应力损失的装置，可以进行长期，持续的观测，可测试不同类型的筋以及不同长度的试样的预应力损失，装置的操作简单，可缓解其他可导致产生预应力损失的因素的影响，操作便捷，可重复使用，经济可靠，适用范围广泛。

发明内容

本发明的目的是基于现有碳纤维增强复合材料筋预应力损失测试存在的不足而提供一种用于测试碳纤维增强复合材料筋预应力损失的装置及方法，装置是一种能够长期使用，简单可靠、适应范围广泛的测试设备。

本发明采用的技术方案如下：

第一方面，一种用于测试碳纤维增强复合材料筋预应力损失的装置，其包括：

锚具系统，包括用于分别锚固碳纤维增强复合材料筋的两端的固定端锚具和荷载端锚具；

预应力损失架，包括对拉连接的第一损失架和第二损失架，所述第一损失架和第二损失架对应开设有供所述荷载端锚具穿过的孔洞；

荷载测试传感系统，包括长期压力传感器，套装于所述荷载端锚具上；

预应力施加系统，包括一端连接于所述荷载端锚具的张拉连杆，所述张拉连杆上依次套装有作用垫板、索力计和穿心式千斤顶，所述作用垫板拉结固定于所述第二损失架的外部，所述穿心式千斤顶的尾端用工具锚与所述张拉连杆固定。

在本发明装置的一些实施例中，还包括中心开孔的固定端垫板，可拆卸安装于所述第一损失架上的孔洞外侧，所述固定端垫板的中心开孔的孔径小于所述固定端锚具的外径。

在本发明装置的一些实施例中，所述第一损失架和所述第二损失架通过若干根带钢管的螺纹杆对拉连接，相邻两根所述螺纹杆之间构成一个供进行碳纤维增强复合材料筋预应力损失试验的分区。

在本发明装置的一些实施例中，所述螺纹杆的一端延伸并拉结固定于所述作用垫板，所述作用垫板的两侧的所述螺纹杆上分别螺合有螺母。

在本发明装置的一些实施例中，所述荷载端锚具的外表面设有螺纹并螺合有锚固螺母。

在本发明装置的一些实施例中，所述张拉连杆的第一端设有内螺纹套筒并螺合于所述荷载端锚具的外螺纹。

在本发明装置的一些实施例中，所述张拉连杆尾部的直径与所述穿心式千斤顶的孔径大小一致。

第二方面，一种用于测试碳纤维增强复合材料筋预应力损失的方法，基于如上所述用于测试碳纤维增强复合材料筋预应力损失的装置实现，其包括步骤：

将碳纤维增强复合材料筋的两端分别锚固于固定端锚具与荷载端锚具中；

将所述荷载端锚具依次穿过第一损失架和第二损失架上对应的一组孔洞，固定端锚具固定于第一损失架的外侧；

将长期压力传感器套装到荷载端锚具上，在荷载端锚具尾部连接张拉连杆，再将作用垫板拉结固定第二损失架的外部；

在张拉连杆上依次套装索力计和穿心式千斤顶，将工具锚拧到张拉连杆上，使穿心式千斤顶开始工作，观察索力计的读数，达到要求的荷载时停止穿心式千斤顶的加载过程，将长期压力传感器与第二损失架紧靠，通过长期压力传感器获取碳纤维增强复合材料筋的应力损失量。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)可同时在一个装置上进行多个CFRP筋预应力损失试验，占据空间小，方便试验观测记录；

(2)同时采用压力传感器与索力计控制预应力加载水平，能够较为精准的施加预应力，且通过长期压力传感器可以持续、长期地对CFRP筋的应力水平进行监测，得到CFRP筋的应力损失规律；

(3)预应力损失架通过带钢管的螺杆进行连接，增大了刚度，大大减少了压缩变形，可大大减少不同试样之间的影响；

(4)可以调整作用垫板的位置，从而适应不同长度的CFRP筋的预应力损失试样，且该装置不仅可用于CFRP筋，同样可用于其他类型的纤维复合材料筋；

(5)综上所述，本发明设计简单、经济性好、测试数据可靠、使用范围广泛。弥补了其他预应力损失测试设备存在的不足之处，可有效的测试CFRP筋的预应力损失量及损失规律。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的碳纤维增强复合材料筋预应力损失装置的俯视结构示意图。

图2为本发明实施例提供的碳纤维增强复合材料筋预应力损失装置的左视结构示意图。

图3为本发明实施例提供的固定端垫板的左视结构示意图。

图4为本发明实施例提供的张拉连杆的左视结构示意图。

图5为本发明实施例提供的锚固螺母的的右视结构示意图。

图中：1-固定端垫板，2-碳纤维增强复合材料筋，3-固定端锚具，4-锚固螺母，5-长期压力传感器，6-荷载端锚具，7-索力计，8-穿心式千斤顶，9-工具锚，10-张拉连杆，11-作用垫板，12-螺母，13-栓钉，14-预应力损失架，15-带钢管的螺纹杆。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

参阅图1～5，为本发明提供的一种用于测试碳纤维增强复合材料筋预应力损失的装置，该装置主要由预应力损失架、碳纤维增强复合材料筋2(即CFRP筋)及其锚具系统、预应力施加系统及荷载测试传感系统组成。

具体来说，碳纤维增强复合材料筋2的锚具系统包括固定端锚具3和荷载端锚具6，固定端锚具3在使用时固定在碳纤维增强复合材料筋2的锚固端，荷载端锚具6在使用时固定在碳纤维增强复合材料筋2的荷载端。

预应力损失架14包括对拉连接的第一损失架(图1中左侧损失架)和第二损失架(图1中右侧损失架)，该第一损失架和该第二损失架上对应开设有供荷载端锚具6穿过的多组孔洞。本实施例中，第一损失架和第二损失架之间通过若干根带钢管的螺纹杆15(即在螺纹杆的外侧套设有钢管)对拉连接，钢管在使用时位于第一损失架和第二损失架的内侧之间，可以固定第一损失架和第二损失架之间的距离，因此，钢管的长度可根据待试验的碳纤维增强复合材料筋2的长度而定。使用带钢管的螺纹杆15将左右两侧的第一损失架和第二损失架相连，可增大结构的刚度，减小变形，可以减少甚至避免碳纤维增强复合材料筋2施加预应力时对另一个组试验产生影响。

第一损失架和第二损失架上对应开设由供螺纹杆15无钢管段穿过的对拉孔洞，螺纹杆15的两端在穿出第一损失架和第二损失架后采用对拉螺母固定。第一损失架上供穿设荷载端锚具6的孔洞的外侧采用栓钉固定有固定端垫板1，该固定端垫板1中心开孔，且开孔孔径小于固定端锚具的外径，能够使固定端锚具3牢固的固定在第一损失架上。

进一步地，预应力损失架14包含多个分区，可同时进行多个碳纤维增强复合材料筋2预应力损失试验。具体来说，第一损失架和第二损失架之间等间距地采用多根带钢管的螺纹杆15拉结固定，相邻两根螺纹杆15之间构成一个供进行碳纤维增强复合材料筋2预应力损失试验的分区。

荷载测试传感系统主要包括长期压力传感器5，该长期压力传感器5呈套筒状，中心开孔并套设在荷载端锚具6上，该长期压力传感器5在使用时紧靠在第二损失架的外侧，荷载端锚具6的外表面设有螺纹并螺合有锚固螺母4，通过锚固螺母4将长期压力传感器5紧靠于第二损失架。

预应力施加系统主要包括张拉连杆10、作用垫板11、索力计7、穿心式千斤顶8和工具锚9。张拉连杆10的第一端通过螺纹套筒连接于荷载端锚具尾部的外螺纹，张拉连杆10上依次套设有作用垫板11、索力计7和穿心式千斤顶8，作用垫板11的孔径可大于张拉连杆10的外径，作用垫板11在使用时，通过螺纹杆15未带钢管的延伸段拉结固定在第二损失架的外部，作用垫板11的两侧的螺纹杆15上分别螺合有螺母，可固定作用垫板11的位置。作用垫板11于螺纹杆15上可以调整位置，使其能够适用于不同长度的碳纤维增强复合材料筋2的预应力损失试验。张拉连杆10的第二端固定有工具锚9，索力计7的一端在使用时紧靠在作用垫板11的外侧，穿心式千斤顶8进一步紧顶在索力计7的另一端，穿心式千斤顶8的外侧端部用工具锚9进行固定。较佳地，张拉连杆10尾部的直径要与穿心式千斤顶8的孔径接近，使其稳定固定于穿心式千斤顶8中，从而不会造成较大的晃动。

本发明充分考虑到现有用于CFRP杆预应力损失测试设备存在的不足，并从设计简易、测试数据可靠和适用性广泛的角度进行设计，具体的预应力损失试件的安装及测试过程如下：

将固定端垫板1套入到碳纤维增强复合材料筋2上，将碳纤维增强复合材料筋2锚固于固定端锚具3与荷载端锚具6中，将荷载端锚具6穿过左侧的第一损失架上的孔洞，直至通过右侧的第二损失架的孔洞，使用栓钉13将固定端垫板1与左侧的第一损失架连接，将长期压力传感器5、锚固螺母4套入到荷载端锚具6中，在荷载端锚具6尾部将张拉连杆10拧上，再将作用垫板11用螺母12固定在带钢管的螺纹杆15的无钢管处，依次穿入索力计7、穿心式千斤顶8，将工具锚9拧到张拉连杆10上，使穿心式千斤顶8开始工作，观察索力计7的读数，达到要求的荷载时即停止穿心式千斤顶8的加载过程，拧紧锚固螺母4，使长期压力传感器5与右侧的第二损失架紧靠，即可通过长期压力传感器5获取碳纤维增强复合材料筋2的应力损失量。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)可同时在一个装置上进行多个CFRP筋预应力损失试验，占据空间小，方便试验观测记录；

(2)同时采用压力传感器与索力计控制预应力加载水平，能够较为精准的施加预应力，且通过长期压力传感器可以持续、长期地对CFRP筋的应力水平进行监测，得到CFRP筋的应力损失规律；

(3)预应力损失架通过带钢管的螺杆进行连接，增大了刚度，大大减少了压缩变形，可大大减少不同试样之间的影响；

(4)可以调整作用垫板的位置，从而适应不同长度的CFRP筋的预应力损失试样，且该装置不仅可用于CFRP筋，同样可用于其他类型的纤维复合材料筋；

(5)综上所述，本发明设计简单、经济性好、测试数据可靠、使用范围广泛。弥补了其他预应力损失测试设备存在的不足之处，可有效的测试CFRP筋的预应力损失量及损失规律。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“竖直”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。

以上结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但本发明不限于所描述的实施方式。对于本领域的技术人员而言，在不脱离本发明原理和精神的情况下，对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型，仍落入本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.一种用于测试碳纤维增强复合材料筋预应力损失的装置，其特征在于，包括：

锚具系统，包括用于分别锚固碳纤维增强复合材料筋的两端的固定端锚具和荷载端锚具；

预应力损失架，包括对拉连接的第一损失架和第二损失架，所述第一损失架和第二损失架对应开设有供所述荷载端锚具穿过的孔洞；所述第一损失架和所述第二损失架通过若干根带钢管的螺纹杆对拉连接，相邻两根所述螺纹杆之间构成一个供进行碳纤维增强复合材料筋预应力损失试验的分区；

荷载测试传感系统，包括长期压力传感器，套装于所述荷载端锚具上；所述长期压力传感器在使用时紧靠在第二损失架的外侧，所述荷载端锚具的外表面设有螺纹并螺合有锚固螺母，通过锚固螺母将长期压力传感器紧靠于第二损失架；

预应力施加系统，包括一端连接于所述荷载端锚具的张拉连杆，所述张拉连杆的第一端设有内螺纹套筒并螺合于所述荷载端锚具的外螺纹；所述张拉连杆上依次套装有作用垫板、索力计和穿心式千斤顶，所述作用垫板拉结固定于所述第二损失架的外部，所述穿心式千斤顶的尾端用工具锚与所述张拉连杆固定；所述螺纹杆的一端延伸并拉结固定于所述作用垫板，所述作用垫板的两侧的所述螺纹杆上分别螺合有螺母。

2.根据权利要求1所述的用于测试碳纤维增强复合材料筋预应力损失的装置，其特征在于，还包括中心开孔的固定端垫板，可拆卸安装于所述第一损失架上的孔洞外侧，所述固定端垫板的中心开孔的孔径小于所述固定端锚具的外径。

3.根据权利要求1所述的用于测试碳纤维增强复合材料筋预应力损失的装置，其特征在于，所述张拉连杆尾部的直径与所述穿心式千斤顶的孔径大小一致。

4.一种用于测试碳纤维增强复合材料筋预应力损失的方法，基于如权利要求1～3中任意一项的所述用于测试碳纤维增强复合材料筋预应力损失的装置实现，其特征在于，包括步骤：

将碳纤维增强复合材料筋的两端分别锚固于固定端锚具与荷载端锚具中；

将所述荷载端锚具依次穿过第一损失架和第二损失架上对应的一组孔洞，固定端锚具固定于第一损失架的外侧；

将长期压力传感器套装到荷载端锚具上，在荷载端锚具尾部连接张拉连杆，再将作用垫板拉结固定第二损失架的外部；

在张拉连杆上依次套装索力计和穿心式千斤顶，将工具锚拧到张拉连杆上，使穿心式千斤顶开始工作，观察索力计的读数，达到要求的荷载时停止穿心式千斤顶的加载过程，将长期压力传感器与第二损失架紧靠，通过长期压力传感器获取碳纤维增强复合材料筋的应力损失量。