碳板性能測試張拉裝置研發(fā)與試驗研究

程鴻偉王珍珍周 智歐進萍

（1.大連理工大學土木工程學院，遼寧 大連 116024；2.大連理工大學海岸和近海工程實驗室，遼寧 大連 116024）

碳板性能測試張拉裝置研發(fā)與試驗研究

程鴻偉1，2，王珍珍1，2，周 智1，2，歐進萍1，2

（1.大連理工大學土木工程學院，遼寧 大連 116024；2.大連理工大學海岸和近海工程實驗室，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)計一種碳纖維板性能測試張拉裝置，主要由底座鋼板、實心受壓桿、錨板、張拉桿和擋板組成。同時，利用有限元軟件對張拉裝置主要部件進行應(yīng)力分析，確定各部件的合理尺寸，并且進行該裝置與反力式張拉裝置的對比試驗。試驗結(jié)果表明：設(shè)計的張拉裝置具有組裝簡便、操作容易、相對自重較輕，試驗數(shù)據(jù)較穩(wěn)定、實用性較強等特點，可為碳纖維板材性能測試提供一種簡易且精準的平臺。

碳板；張拉裝置；預(yù)應(yīng)力；有限元

0 引 言

纖維增強材料（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]。碳纖維增強復合材料（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70年代得到了突飛猛進的發(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，可以達到充分發(fā)揮碳纖維材料強度的目的，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)外學者針對碳纖維板以及錨具性能試驗的研究較多，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的困難，而對碳板及其錨固措施進行性能檢驗是必不可少的環(huán)節(jié)，因此設(shè)計一種用于開展碳纖維板材相關(guān)性能測試試驗的張拉裝置很有必要。

1 碳纖維板試驗裝置概況

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)，而放置室外進行試驗時，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；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，張拉碳纖維時可能會受到基材不穩(wěn)定的影響，從而導致試驗結(jié)果的不準確。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，需要專門的吊車進行組裝，因此該種裝置并不適合所有相關(guān)科研機構(gòu)進行裝備，而只是在特別的測試場所裝備，且試驗中需要多名工人的通力合作，這樣才能準確開展相關(guān)試驗。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1000 kg，也需要吊車的配合進行組裝。此外，文獻[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)性能試驗的開展。

上述裝置各有優(yōu)缺點，但是對碳纖維板的性能測試，作為高校或者一般的科研院所，沒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、試驗人員需求少、占地空間小等特點，本文研發(fā)設(shè)計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臺

圖2 立體式反力架

圖3 反力裝置

2 張拉裝置設(shè)計

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、智能碳板感知性能試驗和CFRP板松弛等試驗，能夠完成長1 300～2 500mm，最大板寬150mm FRP板性能試驗，所以張拉裝置設(shè)計成長度可調(diào)式以適應(yīng)不同板長性能試驗。張拉裝置強度設(shè)計從CFRP板材料的實際力學性能角度出發(fā)，以碳板極限抗拉強度為設(shè)計依據(jù)。100mm×2 mm規(guī)格CFRP板極限強度最高為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)計值，依據(jù)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[7]和機械設(shè)計手冊[8]進行設(shè)計計算及繪制機械加工圖。

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，其價格適中，加工起來比較容易，經(jīng)過適當?shù)臒崽幚硪院缶涂梢垣@得一定的韌性和耐磨性，屈服強度也有較大提高，耐腐蝕性好，其力學性能指標如表1所示。

表1 40Cr鋼材力學性能

2.2 張拉裝置主體部件設(shè)計

張拉裝置主要由100t千斤頂、100t傳感器、兩塊底座鋼板、兩根實心受壓桿、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)在試驗中可針對不同長度的碳板通過螺栓的位置來進行調(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、試驗時易于做防護措施、造價便宜等優(yōu)點，并且試驗中容易進行測量等工作，能夠充分模擬工程中真實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，準確地進行錨具錨固性能測試等相關(guān)試驗。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，桿長3360mm，螺栓孔共設(shè)計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)計尤為重要，它是保證試驗成功的關(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臺架的整體剛度，所以鋼板尺寸的選擇至關(guān)重要。考慮到試驗裝置放置于試驗室內(nèi)，尺寸不能太大，采用長、寬、厚550，500，50 mm的40Cr鋼板設(shè)計。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)計方式，如圖7所示。

2.3 張拉裝置主體部件尺寸校核

實心受壓桿為主要承壓部件，張拉裝置設(shè)計荷載為800kN，所以每根受壓桿承受400kN的力，由于是鋼材，強度破壞所需的力為2430kN，遠遠超過設(shè)計荷載，所以主要是失穩(wěn)問題，要進行壓桿穩(wěn)定的計算。按兩端固定，長度系數(shù)μ取為0.5，考慮到實際固定端不可能對位移完全限制，應(yīng)將理想的μ適當加大，取為0.65。由于裝置兩端有1000mm，相當于底座鋼板約束，所以計算長度取為2 360 mm。經(jīng)計算，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，受力相對復雜，內(nèi)力分布不均勻，故用ANSYS有限元軟件進行分析計算，采用參數(shù)化編程[9-10]進行實體建模分析，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行，計算結(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；由于建模時直接在螺帽與錨板之間的接觸面積上進行施加荷載，因此計算出的應(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度的螺栓。

實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，其抗剪強度設(shè)計值為320MPa，4個螺栓的抗剪承載力一共可以達到為580 kN，滿足要求。錨板與底座鋼板連接螺栓設(shè)計選用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到900kN，滿足要求。

2.4 張拉裝置制作

通過以上的設(shè)計以及計算校核，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)鋼材料進行加工制作，總質(zhì)量約500kg。加工的技術(shù)要求：所有部件進行熱處理，以便提高材料的強度和硬度，熱處理硬度為20～28HRC，且進行發(fā)藍處理，提高裝置的耐腐蝕性。

3 張拉裝置性能試驗

3.1 試驗方案

圖10 FRP板-錨具張拉裝配圖

圖11 CFRP板-錨具張拉裝配圖

為驗證開發(fā)的張拉裝置的實用性、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)計的張拉裝置，另一種是圖3所示反力裝置，進行兩組試驗，試驗1～3為第1組試驗，在自行設(shè)計的張拉裝置上進行的性能試驗，如圖10所示；試驗4～6為第2組試驗，在如圖11所示反力裝置上進行對比試驗，選用50mm×3mm規(guī)格碳纖維板進行張拉裝置的性能試驗，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度為2800MPa，能夠驗證張拉裝置各方面的性能。

3.2 試驗加載

根據(jù)兩種張拉裝置的特點，選擇不一樣的千斤頂和傳感器，本文設(shè)計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對比試驗張拉裝置上的設(shè)備，為100t千斤頂以及100t傳感器。試驗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，到碳纖維極限強度的80%時保壓5min，然后繼續(xù)加載，直到破壞。

3.3 試驗結(jié)果及分析

表2 碳纖維板張拉試驗結(jié)果

通過表2中試驗數(shù)據(jù)可以看出，碳纖維板破壞強度都比較高，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。通過試驗過程對比，本文設(shè)計的張拉裝置具有如下優(yōu)點：

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

2)便捷性方面，組裝比較容易，不必借助大型吊裝設(shè)備，試驗時由于離地面較近，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，試驗操作人員要求較少，兩人即可組裝好，試驗時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)計合理，碳纖維板測試強度更加穩(wěn)定。

4 結(jié)束語

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

[1]岳清瑞.CFRP加固修補混凝土結(jié)構(gòu)新技術(shù)及應(yīng)用[J].高科技纖維與應(yīng)用，1998（5)：1-6.

[2]楊勇新，岳清瑞.我國FRP加固結(jié)構(gòu)技術(shù)的發(fā)展與展望[C]∥中國硅酸鹽學會玻璃鋼分會.第二十屆全國玻璃鋼/復合材料學術(shù)交流會暨中國玻璃鋼/復合材料學科建設(shè)、學術(shù)發(fā)展40年回顧與展望活動論文集，2014.

[3]何亞飛，矯維成，楊帆，等.樹脂基復合材料成型工藝的發(fā)展[J].纖維復合材料，2011（2)：7-13.

[4]彭暉，尚守平，張建仁，等.預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固受彎構(gòu)件的疲勞性能研究[J].土木工程學報，2009（8)：42-49.

[5]楊勇新，李慶偉，岳清瑞.預(yù)應(yīng)力FRP片材加固混凝土結(jié)構(gòu)研究現(xiàn)狀 [C]∥中國土木工程學會等.第三屆全國FRP學術(shù)交流會議論文集.中國土木工程學會、全國纖維增強塑料（FRP)及工程應(yīng)用委員會，2004.

[6]劉方，竇立軍，鄒向陽，等.大型結(jié)構(gòu)多功能加載試驗反力架的研究與設(shè)計 [J].長春工程學院學報：自然科學版，2009（3)：13-16.

[7]GB 50017—2003鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2003.

[8]成大先.機械設(shè)計手冊[M].5版.北京：化學工業(yè)出版社，2008：135-160.

[9]王新敏.ANSYS工程結(jié)構(gòu)數(shù)值分析[M].北京：人民交通出版社，2007：44-47.

[10]龔曙光，謝桂蘭，黃云清.ANSYS參數(shù)化編程與命令手冊[M].北京：機械工業(yè)出版社，2009：23-24.

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計劃項目（2011CB013705)

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

周 智（1973-），男，教授，博導，研究方向為防災(zāi)減災(zāi)工程及防護工程。