CN115165579A - 一种cfrp材料力学性能的试验装置及测试方法 - Google Patents

一种cfrp材料力学性能的试验装置及测试方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种CFRP材料力学性能的试验装置及测试方法，包括支撑组件，数据采集系统，以及安装于支撑组件上的张拉组件和传感组件；所述张拉组件与CFRP材料配合连接，通过动力驱动对CFRP材料施加拉应力；所述传感组件与张拉组件配合连接，对千斤顶对CFRP材料进行张拉时，采集拉伸过程中的拉力及位移数据；所述传感组件与终端的数据采集系统进行信号连接，将采集的拉力和位移数据实时传输给数据采集系统进行采集及计算，来判定CFRP材料的力学性能。本方案能够不受场地限制，可以在工程施工现场应用；大大提高了力学性能测试的适用性。

Description

一种CFRP材料力学性能的试验装置及测试方法
技术领域
本发明涉及土木工程加固技术领域，具体涉及一种工程CFRP材料的力学性能的试验装置及测试方法。
背景技术
由于结构老化，腐蚀，超载等原因，桥梁等结构面临开裂，变形等问题而无法继续使用，严重还会危及行车安全。这个问题在全球范围内均广泛存在，目前结构的修复和加固已经成为相关领域的重要研究问题。在过去的几十年中，已经对不同的加固方法进行了大量的研究，以期通过提高结构的承载能力或改善结构的工作性能来延长其使用寿命。对旧有结构进行加固和修复，不仅可以避免重建新结构的巨大浪费，还可以减少拆建工程对社会，环境和经济的不利影响，最终提高建筑结构的可持续性。
CFRP具有出色的力学性能、疲劳性能和耐久性，目前已经广泛应用于土木结构的加固工程，且取得了良好的加固效果。关于非预应力的CFRP加固钢筋混凝土梁的试验结果表明，混凝土梁破坏时，CFRP应变仅为其极限应变的30％～60％，未能充分发挥材料的轻质高强的特点。
体外预应力加固是一种理想的加固方法，一方面它能显著提高结构承载能力，改善结构受力状态，增大结构刚度；另一方面，其成本较低，可以在不影响结构正常使用的条件下进行加固，操作简便灵活。
利用CFRP材料的体外预应力加固方法是最近几年发展起来的一种新型加固方法，已经被验证具有良好的加固效果，且可以有效解决材料强度无法充分利用的问题。目前，关于CFRP材料的力学性能测试多是依靠材料试验机。但是，材料试验机价格昂贵且只能固定在实验室，加固工程现场难以应用，因此适用性大大降低。
由此可见，如何提高CFRP材料的力学性能测试装置的适用性为本领域需解决的问题。
发明内容
针对于现有工程CFRP材料的力学性能的试验装置存在适用性低的技术问题，本发明的目的在于提供一种CFRP材料力学性能的试验装置及测试方法，其能够不受场地限制，可以在工程施工现场应用；在此基础上，还给出了基于本方案中试验装置的试验方法，大大提高了力学性能测试的适用性，很好地克服了现有技术所存在的问题。
为了达到上述目的，本发明提供了一种CFRP材料力学性能的试验装置，包括支撑组件，数据采集系统，以及安装于支撑组件上的张拉组件和传感组件；所述张拉组件与CFRP材料配合连接，通过动力驱动对CFRP材料施加拉应力；所述传感组件与张拉组件配合连接，对千斤顶对CFRP材料进行张拉时，采集拉伸过程中的拉力及位移数据；所述传感组件与终端的数据采集系统进行信号连接，将采集的拉力和位移数据实时传输给数据采集系统进行采集及计算，来判定CFRP材料的力学性能。
进一步地，所述支撑组件包括两个支撑边框，支撑底板，支撑中板以及支撑顶板；所述两个支撑边框对称设置；所述支撑底板，支撑中板以及支撑顶板依次沿着支撑边框从下到上等距设置于两个支撑边框之间并与两侧的支撑边框进行连接。
进一步地，所述支撑底板，支撑中板以及支撑顶板相互之间留有一定距离的安装空间；所述支撑顶板，支撑中板上对称设有若干穿孔；所述支撑底板中间设有通孔。
进一步地，所述张拉组件包括若干张拉螺杆，张拉底板，张拉顶板，千斤顶固定槽和千斤顶；
所述张拉底板设置于支撑底板和支撑中板之间；所述张拉顶板设置于支撑顶板和支撑中板之间；所述张拉底板和张拉顶板上分别对应支撑顶板，支撑中板设有若干的穿孔；所述张拉底板中间设有与支撑底板上对应的通孔；
所述若干张拉螺杆分别对应穿孔依次贯穿支撑顶板，张拉顶板，支撑中板，张拉底板，形成张拉顶板和张拉底板之间的传动组件；
所述千斤顶固定槽设置于支撑中板上并位于两侧张拉螺杆之间，所述千斤顶设置于千斤顶固定槽上并与上方的张拉顶板贴合。
进一步地，将CFRP材料放置于支撑底板与张拉底板之间，两端分别穿过支撑底板和张拉底板上的通孔并通过设置锚具进行固定。
进一步地，所述传感组件包括位移传感器固定槽，位移传感器和压力传感器；所述位移传感器固定槽位于支撑顶板和张拉顶板之间并设置于支撑顶板上，将位移传感器与位移传感器固定槽配合连接；所述压力传感器与位移传感器配合连接并与张拉顶板进行贴合设置。
进一步地，所述数据采集系统采集传感组件所传输的数据，并根据采集的数据对固定材料的应力应变值和力学性能进行计算。
进一步地，所述应力应变值的计算满足于以下公式：
CFRP材料的应力为σ＝F/A，应变为ε＝L/l0；
其中，F为传感组件对千斤顶采集的拉力数据；A为CFRP材料的截面积；L为传感组件对千斤顶采集的位移数据；l0为CFRP材料的长度。
进一步地，所述力学性能的计算满足于以下公式：
CFRP材料的弹性模量E＝σe/εe，极限强度fu＝Fu/A，极限伸长率εu＝Lu/l0；
其中σe和εe为应力—应变曲线的比例直线段对应的应力值和应变值，Fu为CFRP材料断裂时压力传感器的最大压力值，Lu为CFRP材料断裂时位移传感器的最大位移值。
为了达到上述目的，本发明提供了一种CFRP材料力学性能试验装置的测试方法，基于上述所述的工程CFRP材料的力学性能试验装置实现，包括：
将被试CFRP材料安装于支撑底板和张拉底板之间并通过锚具将两端固定；
启动千斤顶对CFRP材料施加拉应力；
压力传感器和位移传感器在千斤顶对CFRP材料施加拉应力的过程中，对千斤顶全程采集拉力数据和位移数据，并将采集的拉力和位移数据传输给数据采集系统；
数据采集系统收集拉力数据和位移数据后，通过计算得出CFRP材料的力学性能。
本发明提供的CFRP材料力学性能的试验装置及测试方法，其通过千斤顶与传感组件配合，在千斤顶对被试件进行施压时，传感组件对施压过程中的压力和位移数据采集后进行计算来得出被试件的力学性能，此装置和方法不受场地限制，可以在工程施工现场应用，大大提高了力学性能测试的适用性。
附图说明
以下结合附图和具体实施方式来进一步说明本发明。
图1为本CFRP材料的力学性能的试验装置的整体结构示意图；
图2为本CFRP材料的力学性能试验装置的试验方法流程示意图。
下面为附图中部件标注说明：
11.支撑边框12.支撑底板13.支撑中板14.支撑顶板21.张力螺杆22.张拉底板23.张拉顶板24.千斤顶固定槽25.千斤顶31.位移传感器固定槽32.位移传感器33.压力传感器41.CFRP试件42.锚具。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。
本方案提供的CFRP材料力学性能的试验装置包括支撑组件，张拉组件，传感组件以及CFRP试件。
参见图1，其中，支撑组件为本试验装置中部件的安装体及承载体，其包括支撑边框11，支撑底板12，支撑中板13以及支撑顶板14。
支撑边框11间隔一定的距离对称设置，支撑底板12，支撑中板13和支撑顶板14依次沿着支撑边框11从下到上等距设置于两个支撑边框11之间并与两侧的支撑边框11通过连接角钢以及螺栓进行连接。
支撑中板13和支撑顶板14上分别两两对称设有4个穿孔，用于与张拉组件进行配合连接；支撑底板12的中部设有通孔，用于与CFRP试件41进行配合连接。
支撑底板12，支撑中板13以及支撑顶板14相互之间形成一定的安装空间；通过支撑底板12，支撑中板13以及支撑顶板14将两侧的支撑边框11连接，相互配合连接形成本方案中的支撑组件。
张拉组件用于对CFRP试件41施加拉应力；张拉组件包括张拉顶板23，张拉底板22，张拉螺杆21，千斤顶固定槽24和千斤顶25。
其中，张拉底板22设置于支撑底板12与支撑中板13之间，张拉顶板23设置于支撑顶板14与支撑中板13之间。张拉顶板23上两两对称设有穿孔，张拉底板22的中间设有通孔。
支撑顶板14，张拉顶板23，支撑中板13和张拉底板22上穿孔的中心处于同一条水平线上；张拉底板22与支撑底板12上通孔的中心处于同一条水平线上。
四根张拉螺杆21分别两两对称设置并依次通过穿孔贯穿支撑顶板14，张拉顶板23，支撑中板13和张拉底板22；通过四根张拉螺杆可以使张拉顶板和张拉底板进行传动。
在张拉螺杆21与张拉顶板23的连接处设置固定螺母进行固定；同时在张拉螺杆21和张拉底板22的连接处设置固定螺母进行固定。
千斤顶固定槽24设置于支撑中板13上并位于两侧张拉螺杆21之间，千斤顶25设置于千斤顶固定槽24上并与上方的张拉顶板23贴合。
由千斤顶固定槽24和千斤顶25配合连接构成施压的动力件，用于对CFRP试件41施加拉应力，通过千斤顶25顶升张拉顶板，张拉底板22与张拉顶板23间通过4根张拉螺杆21传动，从而实现张拉CFRP试件41的目的。并且试验全程采集拉力数据(F)和位移数据(L)。
传感组件设置于支撑顶板14和张拉顶板23之间，其包括位移传感器固定槽31，位移传感器32以及压力传感器33；其中，位移传感器32和压力传感器33用于监测在千斤顶25对CFRP试件41拉伸过程中的位移值(L)及拉力值(F)，并与终端的数据采集系统进行信号连接，将采集的位移和拉力数据传输给数据采集系统，进行计算处理。
其中，位移传感器固定槽31位于支撑顶板14和张拉顶板23之间并设置于支撑顶板23上，将位移传感器32与位移传感器固定槽31配合连接。
压力传感器33与位移传感器32配合连接并与张拉顶板23进行贴合设置。
CFRP试件41通过张拉底板22和支撑底板12的通孔贯穿张拉底板22和支撑底板12设置，并在CFRP试件41的两侧设置锚具42进行固定。
这里需要说明的是，张拉螺杆21的数量不做限定，优选采用偶数并进行对称布置，由此能够受力均匀。
CFRP试41件的选材不做限定，作为举例，包括但不限定于CFRP筋材，CFRP板材，CFRP布材。
CFRP试件41所用固定锚具42的形状不做限定，作为举例，包括但不限定于圆形夹片式锚具，扁形锚具以及握裹式锚具。
千斤顶25的类型不做限定，作为举例，包括但不限定于分离式液压千斤顶，剪式千斤顶以及卧式千斤顶。
基于上述CFRP材料力学性能的试验装置，本方案还给出了相应的测试步骤，具体的可参见图2：
(1)制备CFRP试件：根据需求，截取长度为l0，截面面积为A的CFRP试件41，将CFRP试件41穿过张拉底板22和支撑底板12的通孔，将CFRP试件41放置于张拉底板22和支撑底板12之间，并在CFRP试件的两端安装牢靠的锚具42。
(2)安装传感组件：在支撑顶板14和张拉顶板23之间依次安装压力传感器33以及位移传感器32并与终端的数据采集系统连接。
(3)施加拉应力：将液压千斤顶25放置在支撑中板13和张拉顶板23之间，开启油泵，对底部的CFRP试件41施加拉应力，试验全程采集拉力数据(F)和位移数据(L)。
(4)对采集的数据进行计算：首先，计算CFRP试件41的应力应变值：根据试验过程中采集的数据，CFRP的应力σ＝F/A，应变为ε＝L/l0。
计算CFRP材料的力学性能：依据采集的数据，CFRP的弹性模量：E＝σe/εe，极限强度fu＝Fu/A，极限伸长率εu＝Lu/l0。其中σe和εe为应力-应变曲线的比例直线段对应的应力值和应变值，Fu为CFRP断裂时压力传感器的最大压力值，Lu为CFRP断裂时位移传感器的最大位移值。
由上述方案构成的工程CFRP材料的力学性能的试验装置及测试方法，其测试方法无需昂贵的材料试验机，有利于降低测试试验成本；测试装置不受场地限制，可以在工程施工现场应用，有利于摆脱测试场地的限制。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (10)

1.一种CFRP材料力学性能的试验装置，其特征在于，包括支撑组件，数据采集系统，以及安装于支撑组件上的张拉组件和传感组件；所述张拉组件与CFRP材料配合连接，通过动力驱动对CFRP材料施加拉应力；所述传感组件与张拉组件配合连接，对千斤顶对CFRP材料进行张拉时，采集拉伸过程中的拉力及位移数据；所述传感组件与终端的数据采集系统进行信号连接，将采集的拉力和位移数据实时传输给数据采集系统进行采集及计算，来判定CFRP材料的力学性能。
2.根据权利要求1所述的一种CFRP材料力学性能的试验装置，其特征在于，所述支撑组件包括两个支撑边框，支撑底板，支撑中板以及支撑顶板；所述两个支撑边框对称设置；所述支撑底板，支撑中板以及支撑顶板依次沿着支撑边框从下到上等距设置于两个支撑边框之间并与两侧的支撑边框进行连接。
3.根据权利要求2所述的一种CFRP材料力学性能的试验装置，其特征在于，所述支撑底板，支撑中板以及支撑顶板相互之间留有一定距离的安装空间；所述支撑顶板，支撑中板上对称设有若干穿孔；所述支撑底板中间设有通孔。
4.根据权利要求1～3中任意一项所述的一种CFRP材料力学性能的试验装置，其特征在于，所述张拉组件包括若干张拉螺杆，张拉底板，张拉顶板，千斤顶固定槽和千斤顶；
所述张拉底板设置于支撑底板和支撑中板之间；所述张拉顶板设置于支撑顶板和支撑中板之间；所述张拉底板和张拉顶板上分别对应支撑顶板，支撑中板设有若干的穿孔；所述张拉底板中间设有与支撑底板上对应的通孔；
所述若干张拉螺杆分别对应穿孔依次贯穿支撑顶板，张拉顶板，支撑中板，张拉底板，形成张拉顶板和张拉底板之间的传动组件；
所述千斤顶固定槽设置于支撑中板上并位于两侧张拉螺杆之间，所述千斤顶设置于千斤顶固定槽上并与上方的张拉顶板贴合。
5.根据权利要求4所述的一种CFRP材料力学性能的试验装置，其特征在于，将CFRP材料放置于支撑底板与张拉底板之间，两端分别穿过支撑底板和张拉底板上的通孔并通过设置锚具进行固定。
6.根据权利要求1或3或4中所述的一种CFRP材料力学性能的试验装置，其特征在于，所述传感组件包括位移传感器固定槽，位移传感器和压力传感器；所述位移传感器固定槽位于支撑顶板和张拉顶板之间并设置于支撑顶板上，将位移传感器与位移传感器固定槽配合连接；所述压力传感器与位移传感器配合连接并与张拉顶板进行贴合设置。
7.根据权利要求1所述的一种CFRP材料力学性能的试验装置，其特征在于，所述数据采集系统采集传感组件所传输的数据，并根据采集的数据对固定材料的应力应变值和力学性能进行计算。
8.根据权利要求1或4或7所述的一种CFRP材料力学性能的试验装置，其特征在于，所述应力应变值的计算满足于以下公式：
CFRP材料的应力为σ＝F/A，应变为ε＝L/l0；
其中，F为传感组件对千斤顶采集的拉力数据；A为CFRP材料的截面积；L为传感组件对千斤顶采集的位移数据；l0为CFRP材料的长度。
9.根据权利要求7或8中所述的一种CFRP材料力学性能的试验装置，其特征在于，所述力学性能的计算满足于以下公式：
CFRP材料的弹性模量E＝σe/εe，极限强度fu＝Fu/A，极限伸长率εu＝Lu/l0；
其中σe和εe为应力—应变曲线的比例直线段对应的应力值和应变值，Fu为CFRP材料断裂时压力传感器的最大压力值，Lu为CFRP材料断裂时位移传感器的最大位移值。
10.一种CFRP材料力学性能试验装置的测试方法，其特征在于，基于上述权利要求1-9所述的工程CFRP材料的力学性能试验装置实现，包括：
将被试CFRP材料安装于支撑底板和张拉底板之间并通过锚具将两端固定；
启动千斤顶对CFRP材料施加拉应力；
压力传感器和位移传感器在千斤顶对CFRP材料施加拉应力的过程中，对千斤顶全程采集拉力数据和位移数据，并将采集的拉力和位移数据传输给数据采集系统；
数据采集系统收集拉力数据和位移数据后，通过计算得出CFRP材料的力学性能。
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