碳板性能測試張拉裝置研發(fā)與試驗(yàn)研究

程鴻偉王珍珍周 智歐進(jìn)萍

（1.大連理工大學(xué)土木工程學(xué)院，遼寧 大連 116024；2.大連理工大學(xué)海岸和近海工程實(shí)驗(yàn)室，遼寧 大連 116024）

碳板性能測試張拉裝置研發(fā)與試驗(yàn)研究

程鴻偉1，2，王珍珍1，2，周 智1，2，歐進(jìn)萍1，2

（1.大連理工大學(xué)土木工程學(xué)院，遼寧 大連 116024；2.大連理工大學(xué)海岸和近海工程實(shí)驗(yàn)室，遼寧 大連 116024）

針對碳纖維板性能測試張拉裝置缺乏的情況，設(shè)計(jì)一種碳纖維板性能測試張拉裝置，主要由底座鋼板、實(shí)心受壓桿、錨板、張拉桿和擋板組成。同時(shí)，利用有限元軟件對張拉裝置主要部件進(jìn)行應(yīng)力分析，確定各部件的合理尺寸，并且進(jìn)行該裝置與反力式張拉裝置的對比試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：設(shè)計(jì)的張拉裝置具有組裝簡便、操作容易、相對自重較輕，試驗(yàn)數(shù)據(jù)較穩(wěn)定、實(shí)用性較強(qiáng)等特點(diǎn)，可為碳纖維板材性能測試提供一種簡易且精準(zhǔn)的平臺。

碳板；張拉裝置；預(yù)應(yīng)力；有限元

0 引 言

纖維增強(qiáng)材料（fiber reinforced polymer，F(xiàn)RP)加固技術(shù)于1996年開始在我國發(fā)展，并逐漸在復(fù)合材料工業(yè)中形成了一個新的應(yīng)用領(lǐng)域。我國目前已經(jīng)成為國際上土木工程中應(yīng)用FRP數(shù)量最多、發(fā)展最快、范圍最廣的國家。應(yīng)用FRP進(jìn)行結(jié)構(gòu)加固不僅可以提高勞動生產(chǎn)效率，而且能夠減少施工的消耗和對環(huán)境的影響[1-2]。碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（carbon fiber reinforced polymer，CFRP)板材主要采用拉擠成型工藝生產(chǎn)制作，該工藝于20世紀(jì)70年代得到了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，其生產(chǎn)效率較高，且設(shè)備是自動化的，比較容易控制，生產(chǎn)出的產(chǎn)品也比較穩(wěn)定[3]。CFRP板材憑借良好的性能在工程中得到了廣泛應(yīng)用，普通的粘貼碳纖維加固方法使得碳纖維材料性能不能充分發(fā)揮；而通過對碳纖維板材施加預(yù)應(yīng)力，可以達(dá)到充分發(fā)揮碳纖維材料強(qiáng)度的目的，因而發(fā)展預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固技術(shù)也就成為了發(fā)展的必然趨勢[4-5]。國內(nèi)外學(xué)者針對碳纖維板以及錨具性能試驗(yàn)的研究較多，但是相應(yīng)的專門用于碳纖維板性能測試的裝置還很少，這就增大了開展碳纖維板性能試驗(yàn)的困難，而對碳板及其錨固措施進(jìn)行性能檢驗(yàn)是必不可少的環(huán)節(jié)，因此設(shè)計(jì)一種用于開展碳纖維板材相關(guān)性能測試試驗(yàn)的張拉裝置很有必要。

1 碳纖維板試驗(yàn)裝置概況

目前常用的碳纖維板性能測試方法主要有3種。1)在大體積混凝土塊上進(jìn)行，如圖1所示，該方式適合多種形式錨具錨固的碳纖維板性能測試，也是目前研究人員較為常用的試驗(yàn)方式；但這種混凝土塊測試由于體積巨大，不便放置于室內(nèi)，而放置室外進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，會受到各種天氣因素的影響，所以不宜開展長期的碳纖維預(yù)應(yīng)力損失等試驗(yàn)；而且該種混凝土塊測試平臺不便移動，具有諸多不便；此外，由于是通過螺栓將錨板錨固于混凝土基材中，張拉碳纖維時(shí)可能會受到基材不穩(wěn)定的影響，從而導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果的不準(zhǔn)確。2)立體式反力架，如圖2所示，該種反力架承載力較大，占地空間也較大，而試驗(yàn)中配合的是穿心千斤頂以及穿心傳感器，由于非常沉重，需要專門的吊車進(jìn)行組裝，因此該種裝置并不適合所有相關(guān)科研機(jī)構(gòu)進(jìn)行裝備，而只是在特別的測試場所裝備，且試驗(yàn)中需要多名工人的通力合作，這樣才能準(zhǔn)確開展相關(guān)試驗(yàn)。3)圖3所示的反力裝置，該裝置由4根全螺紋桿以及兩塊鋼板組成，整個裝置重達(dá)1000 kg，也需要吊車的配合進(jìn)行組裝。此外，文獻(xiàn)[6]也總結(jié)了國內(nèi)一些常用的反力架，基本涵蓋了各種形式，包括二維自平衡反力架、三維的空間加載反力架、多功能電液伺服加載試驗(yàn)系統(tǒng)等，但這些反力架都不適合碳纖維板相關(guān)性能試驗(yàn)的開展。

上述裝置各有優(yōu)缺點(diǎn)，但是對碳纖維板的性能測試，作為高?；蛘咭话愕目蒲性核瑳]有必要用這樣體格較大的裝置。所以，考慮到張拉裝置的組裝簡便性、容易操作性、試驗(yàn)人員需求少、占地空間小等特點(diǎn)，本文研發(fā)設(shè)計(jì)了一套針對碳纖維板材性能測試的張拉裝置。

圖1 大體積混凝土塊試驗(yàn)臺

圖2 立體式反力架

圖3 反力裝置

2 張拉裝置設(shè)計(jì)

本文開發(fā)的碳纖維板性能測試張拉裝置需要滿足CFRP錨固系統(tǒng)錨固性能試驗(yàn)、智能碳板感知性能試驗(yàn)和CFRP板松弛等試驗(yàn)，能夠完成長1 300～2 500mm，最大板寬150mm FRP板性能試驗(yàn)，所以張拉裝置設(shè)計(jì)成長度可調(diào)式以適應(yīng)不同板長性能試驗(yàn)。張拉裝置強(qiáng)度設(shè)計(jì)從CFRP板材料的實(shí)際力學(xué)性能角度出發(fā)，以碳板極限抗拉強(qiáng)度為設(shè)計(jì)依據(jù)。100mm×2 mm規(guī)格CFRP板極限強(qiáng)度最高為2 600 MPa，極限破壞荷載為520 kN；50 mm×3 mm規(guī)格CFRP板極限強(qiáng)度最高為2 800 MPa，極限破壞荷載為420 kN。考慮張拉裝置極限承載力的安全儲備，以800 kN的水平荷載為設(shè)計(jì)值，依據(jù)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[7]和機(jī)械設(shè)計(jì)手冊[8]進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算及繪制機(jī)械加工圖。

2.1 張拉裝置材料選擇

張拉裝置主體材料選用40Cr低合金結(jié)構(gòu)鋼，屬于中碳調(diào)質(zhì)鋼，其價(jià)格適中，加工起來比較容易，經(jīng)過適當(dāng)?shù)臒崽幚硪院缶涂梢垣@得一定的韌性和耐磨性，屈服強(qiáng)度也有較大提高，耐腐蝕性好，其力學(xué)性能指標(biāo)如表1所示。

表1 40Cr鋼材力學(xué)性能

2.2 張拉裝置主體部件設(shè)計(jì)

張拉裝置主要由100t千斤頂、100t傳感器、兩塊底座鋼板、兩根實(shí)心受壓桿、兩塊錨板、一系列張拉桿和擋板組成。通過螺栓把底座鋼板與兩根實(shí)心受壓桿連接，底座鋼板與錨板也是通過螺栓連接，千斤頂和傳感器放置在張拉端一側(cè)，通過拉桿把張拉碳板固定于裝置中，張拉裝置的長度可調(diào)體現(xiàn)在試驗(yàn)中可針對不同長度的碳板通過螺栓的位置來進(jìn)行調(diào)節(jié)。本裝置具有組裝簡單、容易操作、占地面積小、占用空間小、試驗(yàn)時(shí)易于做防護(hù)措施、造價(jià)便宜等優(yōu)點(diǎn)，并且試驗(yàn)中容易進(jìn)行測量等工作，能夠充分模擬工程中真實(shí)的碳板加固錨固系統(tǒng)，并且可以排除混凝土自身材料性能的影響，準(zhǔn)確地進(jìn)行錨具錨固性能測試等相關(guān)試驗(yàn)。張拉裝置三維效果圖如圖4所示。

圖4 張拉裝置三維效果圖

實(shí)心受壓桿為兩根平行布置的40Cr鋼桿，采用75mm×60mm矩形截面設(shè)計(jì)，桿長3360mm，螺栓孔共設(shè)計(jì)17個，如圖5所示。作為整個張拉裝置的重要部件之一，張拉拉桿的設(shè)計(jì)尤為重要，它是保證試驗(yàn)成功的關(guān)鍵因素，既不能發(fā)生屈服，伸長量也要很小，選用直徑28mm的40Cr鋼材加工。錨板是CFRP板錨固系統(tǒng)中重要部件，尺寸大小主要受到千斤頂和傳感器直徑大小的約束，其千斤頂最大直徑為168mm，張拉拉桿穿過的兩孔間距為200mm，故錨板長、寬、厚尺寸分別取為325，300，60 mm，如圖6所示。底座鋼板決定著試驗(yàn)臺架的整體剛度，所以鋼板尺寸的選擇至關(guān)重要?？紤]到試驗(yàn)裝置放置于試驗(yàn)室內(nèi)，尺寸不能太大，采用長、寬、厚550，500，50 mm的40Cr鋼板設(shè)計(jì)。鋼板通過做半圓切割處理，可以增加測試碳板的長度，又能減輕質(zhì)量，而整體剛度又不會降低，是較好的設(shè)計(jì)方式，如圖7所示。

2.3 張拉裝置主體部件尺寸校核

實(shí)心受壓桿為主要承壓部件，張拉裝置設(shè)計(jì)荷載為800kN，所以每根受壓桿承受400kN的力，由于是鋼材，強(qiáng)度破壞所需的力為2430kN，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過設(shè)計(jì)荷載，所以主要是失穩(wěn)問題，要進(jìn)行壓桿穩(wěn)定的計(jì)算。按兩端固定，長度系數(shù)μ取為0.5，考慮到實(shí)際固定端不可能對位移完全限制，應(yīng)將理想的μ適當(dāng)加大，取為0.65。由于裝置兩端有1000mm，相當(dāng)于底座鋼板約束，所以計(jì)算長度取為2 360 mm。經(jīng)計(jì)算，壓彎臨界荷載Fcr為1187kN，大于400kN，滿足承載力要求。

錨板與底座鋼板都是通過螺栓連接，它們主要受力部位位于螺孔處，受力相對復(fù)雜，內(nèi)力分布不均勻，故用ANSYS有限元軟件進(jìn)行分析計(jì)算，采用參數(shù)化編程[9-10]進(jìn)行實(shí)體建模分析，選用SOLID185單元，用于構(gòu)造三維固體結(jié)構(gòu)。模型網(wǎng)格劃分通過掃略方式進(jìn)行，計(jì)算結(jié)果分別如圖8和圖9所示。由圖8可見錨板最大位移為0.072mm，變形量很小，滿足剛度要求，其最大應(yīng)力為728.614 MPa，發(fā)生在螺孔處；由于建模時(shí)直接在螺帽與錨板之間的接觸面積上進(jìn)行施加荷載，因此計(jì)算出的應(yīng)力接近屈服應(yīng)力750MPa，屬于應(yīng)力集中現(xiàn)象，在具體試驗(yàn)中可以通過在螺帽與錨板間增加墊片的方式減小應(yīng)力。由圖9可見底座鋼板的最大應(yīng)力為166.207MPa，發(fā)生在螺孔處，小于屈服應(yīng)力750 MPa，滿足強(qiáng)度條件，且最大位移為0.195 mm，變形量很小，滿足剛度要求。

張拉拉桿抗拉承載力設(shè)計(jì)值滿足要求，如下式所示：

圖8 錨板ANSYS應(yīng)力圖

圖9 底座鋼板ANSYS應(yīng)力圖

張拉裝置所有部件之間都是靠螺栓連接，因此螺栓的驗(yàn)算也很重要，不僅要保證裝置的整體性，也要保證在最大荷載下裝置本身不發(fā)生連接部位的錯動，因此螺栓要選擇高強(qiáng)度的螺栓。

實(shí)心受壓桿與底座鋼板連接螺栓選用4個8.8級M24普通螺栓，其抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為320MPa，4個螺栓的抗剪承載力一共可以達(dá)到為580 kN，滿足要求。錨板與底座鋼板連接螺栓設(shè)計(jì)選用4個8.8級M30普通螺栓，4個螺栓的抗剪承載力一共可以達(dá)到900kN，滿足要求。

2.4 張拉裝置制作

通過以上的設(shè)計(jì)以及計(jì)算校核，整個張拉裝置長3360 mm，寬550 mm，高110 mm，選用40Cr低合金結(jié)構(gòu)鋼材料進(jìn)行加工制作，總質(zhì)量約500kg。加工的技術(shù)要求：所有部件進(jìn)行熱處理，以便提高材料的強(qiáng)度和硬度，熱處理硬度為20～28HRC，且進(jìn)行發(fā)藍(lán)處理，提高裝置的耐腐蝕性。

3 張拉裝置性能試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)方案

圖10 FRP板-錨具張拉裝配圖

圖11 CFRP板-錨具張拉裝配圖

為驗(yàn)證開發(fā)的張拉裝置的實(shí)用性、便捷性以及穩(wěn)定性，本文選用兩種張拉裝置，一種是本文設(shè)計(jì)的張拉裝置，另一種是圖3所示反力裝置，進(jìn)行兩組試驗(yàn)，試驗(yàn)1～3為第1組試驗(yàn)，在自行設(shè)計(jì)的張拉裝置上進(jìn)行的性能試驗(yàn)，如圖10所示；試驗(yàn)4～6為第2組試驗(yàn)，在如圖11所示反力裝置上進(jìn)行對比試驗(yàn)，選用50mm×3mm規(guī)格碳纖維板進(jìn)行張拉裝置的性能試驗(yàn)，根據(jù)碳纖維板生產(chǎn)廠家提供的數(shù)據(jù)，碳纖維板的極限破壞強(qiáng)度為2800MPa，能夠驗(yàn)證張拉裝置各方面的性能。

3.2 試驗(yàn)加載

根據(jù)兩種張拉裝置的特點(diǎn)，選擇不一樣的千斤頂和傳感器，本文設(shè)計(jì)的張拉裝置由于體積較小故選用直徑較小的千斤頂及傳感器，千斤頂量程為75t，傳感器的量程為100 t對比試驗(yàn)張拉裝置上的設(shè)備，為100t千斤頂以及100t傳感器。試驗(yàn)加載方式為分級加載，每10kN為一級，逐級遞增，每級之間持荷3min，到碳纖維極限強(qiáng)度的80%時(shí)保壓5min，然后繼續(xù)加載，直到破壞。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

表2 碳纖維板張拉試驗(yàn)結(jié)果

通過表2中試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，碳纖維板破壞強(qiáng)度都比較高，兩種張拉裝置在測試碳纖維板極限荷載方面都能完全勝任。通過試驗(yàn)過程對比，本文設(shè)計(jì)的張拉裝置具有如下優(yōu)點(diǎn)：

1)實(shí)用性方面，能夠滿足更多的試驗(yàn)開展，比如進(jìn)行FRP錨固系統(tǒng)性能試驗(yàn)，本張拉裝置上兩端的錨板就相當(dāng)于碳纖維板加固系統(tǒng)中錨固到混凝土基材上的錨板，而對比試驗(yàn)的反力裝置并不能進(jìn)行此項(xiàng)試驗(yàn)的開展。

2)便捷性方面，組裝比較容易，不必借助大型吊裝設(shè)備，試驗(yàn)時(shí)由于離地面較近，盡管錨具碳纖維板組裝件比較沉重，但并不需要支撐即可將錨具碳纖維板組裝件快捷地組裝到張拉裝置上，試驗(yàn)操作人員要求較少，兩人即可組裝好，試驗(yàn)時(shí)碳纖維板組裝件易于對中調(diào)整，并且方便開展碳板滑移量、錨具夾片內(nèi)縮量測量工作。

3)穩(wěn)定性方面，由于裝置結(jié)構(gòu)簡單，受力清晰明了，設(shè)計(jì)合理，碳纖維板測試強(qiáng)度更加穩(wěn)定。

4 結(jié)束語

通過兩種張拉裝置的試驗(yàn)對比，在本文設(shè)計(jì)的張拉裝置上進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)試驗(yàn)過程更加便捷，碳纖維板組裝更加容易操作，需求試驗(yàn)人員較少，并且本裝置組裝時(shí)不用調(diào)用大型設(shè)備，占地空間小，非常適合一般規(guī)模實(shí)驗(yàn)室配備，能夠滿足碳纖維板相關(guān)性能試驗(yàn)的順利完成。

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Development and experimental study of CFRP plates performance test tension device

CHENG Hongwei1，2，WANG Zhenzhen1，2，ZHOU Zhi1，2，OU Jinping1，2
（1.School of Civil Engineering，Dalian University of Technology，Dalian 116024，China；2.State Key Laboratory of Coastal and Offshore Engineering，Dalian University of Technology，Dalian 116024，China）

With the development and application of CFRP（carbon fiber reinforced polymer）plate reinforcement technology，it is essential to carry out CFRP plate performance tests，but there are insufficient tension devices for such test.A type of tension device applied to the performance test of CFRP plates was thus designed.The device is mainly composed of a base plate，a solid compression rod，an anchor plate，a pull rod and a baffle plate.At the same time，the stress of the device’s main parts was analyzed through finite element software;the reasonable sizes of these parts were determined;two tension devices were tested through comparison.The results indicate that the tension device has the advantages of simple assembly，easy operation，relatively light weight，stable test data，and strong practicability，which has provided a simple and accurate platform for testing the performances of CFRP plates.

CFRP plate；tension device；prestressing；finite element

A

：1674-5124（2015）10-0063-05

10.11857/j.issn.1674-5124.2015.10.014

2015-04-17；

：2015-06-02

國家973計(jì)劃項(xiàng)目（2011CB013705)

程鴻偉（1990-)，男，遼寧葫蘆島市人，碩士研究生，專業(yè)方向?yàn)镕RP工程結(jié)構(gòu)加固。

周 智（1973-），男，教授，博導(dǎo)，研究方向?yàn)榉罏?zāi)減災(zāi)工程及防護(hù)工程。