CN116593300A - 一种frp板拉-弯耦合加载装置 - Google Patents

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CN116593300A CN202310359627.5A CN202310359627A CN116593300A CN 116593300 A CN116593300 A CN 116593300A CN 202310359627 A CN202310359627 A CN 202310359627A CN 116593300 A CN116593300 A CN 116593300A
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刘晓刚
岳清瑞
亓立刚
杨燕
黄斌
李剑文
李知恒
冯明扬
吴杭姿
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Abstract

本发明公开了一种FRP板拉‑弯耦合加载装置，包括FRP单向板,第一固定组件，第二固定组件，第三固定组件，横向拉力组件以及施压组件；所述FRP单向板的两端分别与第一固定组件和第二固定组件的一侧连接；所述横向拉力组件分别设置于第一固定组件和第二固定组件的另一侧并通过传动件与FRP单向板的两端进行连接，对FRP单向板的两端施加相反的横向拉力；所述施压组件相对于FRP单向板的中部垂向设置并设置于第三固定组件上，对FRP单向板施加向下的压力，使其弯曲。本方案用于研究FRP板在复杂受力情况下的力学性能，解决目前试验装置加载方式单一，不能满足实际工程表征材料特性的试验装置要求，为FRP板力学性能测试提供技术支撑。

Description

一种FRP板拉-弯耦合加载装置
技术领域
本发明涉及土木工程技术领域，具体涉及一种FRP板拉-弯耦合加载装置。
背景技术
FRP是一种由纤维和树脂基体组成的复合材料，重量轻(约为钢重量的0.2倍)、强度高(超过高强度钢抗拉强度的两倍)和具有优异的耐腐蚀性。这些优异的性能使FRP产品广泛用于外部加固、抗震加固、预应力混凝土和拉索结构。从20世纪40年代问世以来，FRP材料被使用于军事、航空等领域，但由于材料制备成本高昂、产量低下，在很长一段时间其应用范围非常有限。随着技术的发展，制备成本逐步降低，FRP材料开始实现商业化生产，在各领域得到快速推广。
在工程应用中FRP主要发挥沿纤维方向拉伸强度高的性能，但在实际工程结构中，FRP在承受拉力的同时，也会承受横向力，但FRP的横向受力性能远低于其沿纤维方向的特性，横向应力只能由抗剪性能较弱的基体和纤维弯曲变形来承担。由于FRP板在使用中会存在较大的预张力，横向荷载与纵向荷载产生的耦合应力会损伤FRP板甚至发生脆断。
现有的FRP板力学性能试验装置主要为单向的加载，如单向拉伸/压缩装置、三点弯曲式短梁加载装置等，现有的这些装置不能应用到拉-弯耦合应力的施加以及实际服役中索体的复杂受力情景中。
因此现需一种CFRP板拉弯耦合加载装置来对FRP板力学性能进行验证。
发明内容
针对于现有FRP板力学性能试验装置所存在的技术问题，本发明提供了一种FRP板拉-弯耦合加载装置，包括FRP单向板,第一固定组件，第二固定组件，第三固定组件，横向拉力组件以及施压组件；所述FRP单向板的两端分别与第一固定组件和第二固定组件的一侧连接；所述横向拉力组件分别设置于第一固定组件和第二固定组件的另一侧并通过传动件与FRP单向板的两端进行连接，对FRP单向板的两端施加相反的横向拉力；所述施加组件相对于FRP单向板的中部垂向设置并设置于第三固定组件上，对FRP单向板施加向下的压力，使其弯曲。
进一步地，所述第一固定组件包括第一立柱，第一转换头，第二转换头以及第一锚具；
所述第一转换头通过传动件配合设置于第一立柱的第一侧向上，将第一转换头完全贴合在第一立柱上；所述第一转换头与第二转换头配合连接并配合锁紧件相对于地面纵向穿过第一转换头以及第二转换头，将第二转换头与第一转换头进行连接；所述第一锚具与第二转换头配合连接，并配合锁紧件相对于地面横穿第一锚具的螺栓面，将第一锚具的一端与第二转换头进行连接；所述第一锚具的另一端与FRP单向板连接。
进一步地，所述第二固定组件包括第二立柱，第三转换头，第四转换头以及第二锚具；
所述第三转换头通过传动件设置于第二立柱的第一侧向上，所述第三转换头与第四转换头配合连接并配合锁紧件相对于地面纵向穿过第三转换头以及第四转换头，将第三转换头与第四转换头进行连接；所述第二锚具与第四转换头配合连接，并配合锁紧件相对于地面横穿第二锚具的螺栓面，将第二锚具的一端与第四转换头进行连接；所述第二锚具的另一端与FRP单向板连接。
进一步地，所述第三转换头与第二立柱之间留有可调度的空隙。
进一步地，所述第三固定组件包括反力墙以及销轴连接件；所述销轴连接件上设有锁紧部，并配合锁紧件将连接件设置于反力墙上。
进一步地，所述横向拉力组件包括第一千斤顶和第二千斤顶；所述第一千斤顶通过传动件贴合设置于第一立柱的第二侧面，所述第二千斤顶通过传动件贴合设置于第二立柱的第二侧面，通过第一千斤顶和第二千斤顶对FRP单向板提供预张力。
进一步地，所述第一千斤顶和第二千斤顶上分别设有第一传感器和第二传感器，通过第一传感器和第二传感器来采集第一千斤顶和第二千斤顶的荷载。
进一步地，所述施压组件包括作动器以及加载辊；所述作动器与销轴结构配合连接构成一体结构，所述作动器可通过销轴结构进行不同轴的转动，所述作动器驱动连接加载辊；所述加载辊与FRP单向板配合连接，能够在作动器的驱动下相对FRP单向板进行轴向移动，拉动FRP单向板进行弯曲。进一步地，所述加载辊为半圆体结构，其一面为平面端，另一面为圆弧面，所述圆弧面对应FRP单向板设置；所述加载棍上相对设有限位螺杆并与作动器进行连接；所述限位螺杆之间配合形成FRP单向板的安插空间。
进一步地，所述作动器上设有第三传感器，通过第三传感器来采集作动器的荷载。
本发明提供的FRP板拉-弯耦合加载装置，其用于研究FRP板在复杂受力情况下的力学性能，解决目前试验装置加载方式单一，不能满足实际工程表征材料特性的试验装置要求，为FRP板力学性能测试提供技术支撑。
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FRP板拉-弯耦合加载装置的整体结构示意图；
图2为本FRP板拉-弯耦合加载装置中第一转换头和第三转换头的结构图；
图3为本FRP板拉-弯耦合加载装置中第二转换头和第四转换头的结构图；
图4为本FRP板拉-弯耦合加载装置中施压构件的结构示意图；
图5为本FRP板拉-弯耦合装置中转换连接加载辊与作动器的钢板连接件；
图6为本FRP板拉-弯耦合加载装置中加载辊的结构示意图。
下面为附图中的部件标注说明：
100.第一固定组件110.第一立柱120.第一转换头130.第二转换头140.第一锚具150.第一螺杆组件121.安装槽131.第一部分132.第二部分133.安装槽160.连接螺栓170.连接螺栓180.第一锚具200.第二固定组件210.第二立柱220.第三转换头230.第四转换头221.安装槽231.第一部分232.第二部分233.安装槽240.连接螺栓250.连接螺栓260.第二锚具270.第二螺杆组件300.第三固定组件310.加载辊320.转换钢板321.连接孔322.销孔330.作动器340.第三传感器350.销轴连接件360.反力墙370.销轴380.限位螺杆400.横向拉力组件410.第一千斤顶420.第二千斤顶430.第一传感器440.第二传感器300.施压组件311.螺纹孔600.底梁700.FRP单向板。
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。
针对于现有FRP板力学性能试验装置所存在的技术问题，本发明提供了一种FRP板拉-弯耦合加载装置，其用于研究FRP板在复杂受力情况下的力学性能，解决目前试验装置加载方式单一，不能满足实际工程表征材料特性的试验装置要求，为FRP板力学性能测试提供技术支撑。
本方案提供的FRP板拉-弯耦合加载装置，包括FRP单向板，固定装置以及加载装置。
进一步地，参见图1，固定装置包括三组固定组件，分别为第一固定组件100，第二固定组件200以及第三固定组件300；第一固定组件100与第二固定组件200相对设置，第三固定组件300相对于第一固定组件100和第二固定组件200垂向设置。
第一固定组件100包括第一立柱110，第一转换头120，第二转换头130以及第一锚具180。
第一立柱110底部焊接钢板，并通过地脚螺栓接地。
参见图2，第一转换头120通过第一螺杆组件150配合设置于第一立柱110的侧向上，将第一转换头120完全贴合在第一立柱110上；第一转换头120内设有安装槽121，用于安装第二转换头130。
参见图3，第二转换头130包括第一部分131和第二部分132，第一部分131垂向设置于第二部分132的一端面，第二部分132的另一端面设有用于安装第一锚具180的安装槽133。
第二转换头130的第一部分131设置于第一转换头120的安装槽121内，并配合连接螺栓160相对于地面纵向穿过第一转换头120以及第二转换头130的第一部分131，将第二转换头130与第一转换头120进行连接。
第二转换头130另一端设有安装槽133，将第一锚具180的一端设置于第二转换头130的安装槽133内，并配合连接螺栓170相对于地面横穿第一锚具180的螺栓面，将第一锚具180的一端与第二转换头130进行连接；第一锚具180的另一端用于与FRP单向板700连接。
第二固定组件200包括第二立柱210，第三转换头220，第四转换头230以及第二锚具260。
第二立柱210底部焊接钢板，并通过地脚螺栓接地。
参见图2，第三转换头220通过第二螺杆组件270配合设置于第二立柱210上，第三转换头220内设有安装槽221，用于安装第四转换头230。
这里，第二立柱210与第三转换头220之间留段空余便于通过第二螺杆组件270来调节试件长度和施加拉力；同样的第一螺杆组件150与第二螺杆组件270相同，可通过松紧螺杆所配合的螺母来调节第一锚具180和第二锚具260之间的跨距，可实现对不同长度FRP杆/板的性能测试。
参见图3，第四转换头230包括第一部分231和第二部分232，第一部分231垂向设置于第二部分232的一端面，第二部分232的另一端面设有用于安装第二锚具260的安装槽233。
第四转换头230的第一部分231设置于第三转换头220的安装槽221内，并配合连接螺栓240相对于地面纵向穿过第三转换头220以及第四转换头230的第一部分231，将第四转换头230与第三转换头220进行连接。
第四转换头230另一端面安装槽233，将第二锚具260的一端设置于第四转换头230的安装槽233内，并配合连接螺栓250相对于地面横穿第二锚具260的螺栓面，将第二锚具260的一端与第四转换头230进行连接；第二锚具260的另一端用于与FRP单向板700连接。
通过将第一锚具180和第二锚具260，每个锚具通过两组转换头与立柱连接，由此设置，能够直接抵消锚具与转换头之间产生的附加弯矩。FRP单向板700的两端分别锚固于第一固定组件100以及第二固定组件200上；同时，在第一立柱110和第二立柱210之间设有底梁600，通过底梁600将第一立柱110和第二立柱210进行连接。
进一步地，第三固定组件300包括反力墙360以及销轴连接件350。
销轴连接件350通过锁紧件与反力墙360进行连接，销轴连接件350是由后板设置于后板上下两端的侧板构成，上下两个侧板之间构成用于安置加载组件的安置槽；同时，上下两个侧板上对称设有锁紧部，配合设置销轴370将加载组件设置于安置槽内并与反力墙360进行连接。
加载装置包括横向拉力组件400以及施压组件300。
横向拉力组件400用于对FRP单向板700施压预拉力，其包括第一千斤顶410和第二千斤顶420，第一千斤顶410通过第一螺杆组件150贴合设置于第一立柱110的侧面，第二千斤顶420通过第二螺杆组件270贴合设置于第二立柱210的侧面，第一千斤顶410和第二千斤顶420同步运行，通过第一螺杆组件150和第二螺杆组件270的传动，对FRP单向板700提供预张力。
本方案中，第一千斤顶410和第二千斤顶420优选为中空式结构，能够采用手动或自动加压加载，能够进一步提高在具体操作时的稳定性。
其次，在第一千斤顶410和第二千斤顶420上分别设有第一传感器430和第二传感器440，通过第一传感器430和第二传感器440来采集第一千斤顶410和第二千斤顶420的荷载，为FRP单向板力学性能测试提供数据支撑。
施压组件300用于对FRP单向板700施加向下的弯曲力，其包括作动器330以及加载辊310。
参见图4，作动器330通过销轴370与销轴连接件350配合构成一体结构，作动器330可通过销轴370以及销轴连接件350进行不同轴的转动。
作动器330配合设有油缸，能够驱动作动器330相对FRP板700进行轴向的移动，能够按照确定的加载方案通过加载辊310相对FRP板700施加荷载。
作动器330的驱动端与转换钢板320配合连接，参见图5，转换钢板320中间设有连接孔321，用于与作动器330的驱动配合连接,。
同时转换钢板320上下设有销孔322，在销孔322内配合设有两个限位螺杆380将转换钢板320与加载辊310进行连接，两个限位螺杆380之间配合形成FRP单向板700的穿插空间，两侧的限位螺杆380可对FRP单向板700进行限位。
参见图6，加载辊310为半圆体结构，其一面为平面端，另一面为圆弧面，圆弧面端对应FRP单向板700设置，圆弧面能够使得作动器在对FRP单向板700施加弯曲加载力时，FRP板能够贴合圆弧面形成弧形弯曲，可避免FRP单向板700的断裂。
同时，限位螺杆380既连接转换钢板又可对FRP板进行限位，圆弧面所对应FRP单向板700所设置，FRP单向板700正好位于上下两端限位螺杆380之间，当作动器330驱动加载辊310作用于FRP单向板700上时，加载辊310上的限位螺杆380可接触FRP单向板700，并在作动器330的作用力下，使得单向板与加载棍的圆弧面贴合，使得FRP单向板贴合圆弧面形成弧形的弯曲，对FRP单向板700施加弯曲荷载。
同时，作动器330与销轴370以及销轴连接件350配合连接，可通过销轴装置进行不同的角度的转动，可对FRP单向板700进行不同偏轴角度的施压。
其次，在施压组件300上设有第三传感器340，第三传感器340优选安装于作动器330的油缸之上以便于读取压力
通过千斤顶以及加载辊对FRP单向板的作用力，能够最终获得拉弯耦合荷载下FRP板的力学性能。
基于上述方案构成的FRP板拉-弯耦合加载装置，在应用时，首先调节第一螺杆组件150与第二螺杆组件270中螺杆实现试件长度的调节；其次，采用千斤顶加载为FRP板提供预张力，并通过压力传感器读数获得加载幅值；在达到预定荷载幅值后，由作动器通过压辊在FRP板上施加弯曲荷载由此测得拉弯耦合荷载下FRP板的力学性能。
针对上述给出的FRP板拉-弯耦合加载装置方案，以下举例说明其在具体应用时的实施步骤，具体的实施步骤如下：
S1：安装并固定第一立柱110和第二立柱210，并通过设置底梁600将第一立柱110和第二立柱210连接。
S2：在第一立柱110和第二立柱210上分别设置转换头，且第一立柱110侧的转换头完全与第一立柱110贴合设置，第二立柱210侧的转换头与第二立柱210之间留段空余便于调节试件长度和施加拉力。
S3：将FRP单向板700两端安装第一锚具180和第二锚具260并分别与第一立柱110和第二立柱210上的转换头进行连接。
S4：将第一千斤顶410和第二千斤顶420分别设置于第一立柱110和第二立柱210上并分别与FRP单向板700通过螺杆进行传动连接；同时，在第一千斤顶410和第二千斤顶420上分别设置第一传感器430和第二传感器440。
S5：安装并固定反力墙360，并通过连接螺栓370将作动器330与反力墙360连接。
S6：加载辊310通过内置螺纹与作动器330的油缸以及转换连接加载辊310与作动器330的转换钢板320相连，并在作动器330的油缸上设置第三传感器340。
S7：在对FRP板700进行张拉之后，根据试验的加载方案要求改变加载辊在FRP板700上的位置和加载辊310的尺寸及限位螺杆380的距离，后通过作动器330的拉力对FRP板700施加弯曲荷载。
由上述方案构成的FRP板拉-弯耦合加载装置，其通过调整螺杆跨距可实现对不同长度FRP杆/板的性能测试，且施压弯曲的加载辊可更换尺寸，通过调整加载辊限位螺杆间隔和调整横向施拉装置的螺杆跨距，即可对FRP板长/厚比的影响进行测试。
其次，FRP板为线弹性材料、横向抗剪强度低、弹性模量低，在普通的加载装置中产生的附加弯矩的影响会造成试验结果产生较大的差异，通过两组转换头配合与锚具连接，可直接抵消锚具与连接头之间产生的附加弯矩，从而大大提高了试验结果的精度，减少相对误差。
并且，在施压装置上设置了销轴，由于作动器与销轴结构的作用可不同轴的转动，对FRP单向板进行不同偏轴角度的施压。
最后，能够解决目前试验装置加载方式单一，不能满足实际工程表征材料特性的试验装置要求，为FRP板力学性能测试提供技术支撑。
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FRP板拉-弯耦合加载装置，其特征在于，包括FRP单向板,第一固定组件，第二固定组件，第三固定组件，横向拉力组件以及施压组件；所述FRP单向板的两端分别与第一固定组件和第二固定组件的一侧连接；所述横向拉力组件分别设置于第一固定组件和第二固定组件的另一侧并通过传动件与FRP单向板的两端进行连接，对FRP单向板的两端施加相反的横向拉力；所述施压组件相对于FRP单向板的中部垂向设置并设置于第三固定组件上，对FRP单向板施加向下的压力，使其弯曲。
2.根据权利要求1所述的一种FRP板拉-弯耦合加载装置，其特征在于，所述第一固定组件包括第一立柱，第一转换头，第二转换头以及第一锚具；
所述第一转换头通过传动件配合设置于第一立柱的第一侧向上，将第一转换头完全贴合在第一立柱上；所述第一转换头与第二转换头配合连接并配合锁紧件相对于地面纵向穿过第一转换头以及第二转换头，将第二转换头与第一转换头进行连接；所述第一锚具与第二转换头配合连接，并配合锁紧件相对于地面横穿第一锚具的螺栓面，将第一锚具的一端与第二转换头进行连接；所述第一锚具的另一端与FRP单向板连接。
3.根据权利要求1所述的一种FRP板拉-弯耦合加载装置，其特征在于，所述第二固定组件包括第二立柱，第三转换头，第四转换头以及第二锚具；
所述第三转换头通过传动件设置于第二立柱的第一侧向上，所述第三转换头与第四转换头配合连接并配合锁紧件相对于地面纵向穿过第三转换头以及第四转换头，将第三转换头与第四转换头进行连接；所述第二锚具与第四转换头配合连接，并配合锁紧件相对于地面横穿第二锚具的螺栓面，将第二锚具的一端与第四转换头进行连接；所述第二锚具的另一端与FRP单向板连接。
4.根据权利要求3所述的一种FRP板拉-弯耦合加载装置，其特征在于，所述第三转换头与第二立柱之间留有可调度的空隙。
5.根据权利要求1所述的一种FRP板拉-弯耦合加载装置，其特征在于，所述第三固定组件包括反力墙以及销轴连接件；所述销轴连接件上设有锁紧部，并配合锁紧件将连接件设置于反力墙上。
6.根据权利要求1所述的一种FRP板拉-弯耦合加载装置，其特征在于，所述横向拉力组件包括第一千斤顶和第二千斤顶；所述第一千斤顶通过传动件贴合设置于第一立柱的第二侧面，所述第二千斤顶通过传动件贴合设置于第二立柱的第二侧面，通过第一千斤顶和第二千斤顶对FRP单向板提供预张力。
7.根据权利要求6所述的一种FRP板拉-弯耦合加载装置，其特征在于，所述第一千斤顶和第二千斤顶上分别设有第一传感器和第二传感器，通过第一传感器和第二传感器来采集第一千斤顶和第二千斤顶的荷载。
8.根据权利要求1所述的一种FRP板拉-弯耦合加载装置，其特征在于，所述施压组件包括作动器以及加载辊；所述作动器与销轴结构配合连接构成一体结构，所述作动器可通过销轴结构进行不同轴的转动，所述作动器驱动连接加载辊；所述加载辊与FRP单向板配合连接，能够在作动器的驱动下相对FRP单向板进行轴向移动，拉动FRP单向板进行弯曲。
9.根据权利要求8所述的一种FRP板拉-弯耦合加载装置，其特征在于，所述加载辊为半圆体结构，其一面为平面端，另一面为圆弧面，所述圆弧面对应FRP单向板设置；所述加载棍上相对设有限位螺杆并与作动器进行连接；所述限位螺杆之间配合形成FRP单向板的安插空间。
10.根据权利要求8所述的一种FRP板拉-弯耦合加载装置，其特征在于，所述作动器上设有第三传感器，通过第三传感器来采集作动器的荷载。
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