專利名稱：雙材料界面的斷裂試驗裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種試驗裝置，特別涉及一種雙材料界面的斷裂試驗裝置。

背景技術(shù)：
纖維復(fù)合材料(即FRP)具有強度高、重量輕、耐腐蝕、耐疲勞、施工方便等優(yōu)點，在土木工程的加固領(lǐng)域中的應(yīng)用日益廣泛。通過FRP外貼法可以對混凝土結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)進行抗彎、抗剪和抗震等方面的加固，使得結(jié)構(gòu)的耐久性得以增強。但是，加固后的結(jié)構(gòu)，往往在構(gòu)件發(fā)生強度破壞之前，就發(fā)生了FRP與混凝土(或者鋼結(jié)構(gòu))界面之間的剝離破壞。這個問題一直困擾著國內(nèi)外大量的研究學(xué)者。國內(nèi)外的研究學(xué)者曾試圖用強度理論解釋其破壞機理，但不是很成功。光纖布拉格光柵Optic Fiber Bragg Grating(OFBG)傳感器具有抗電磁干擾、尺寸小、分布式測量、耐腐蝕、絕對測量等優(yōu)點，如果將其與纖維復(fù)合材料復(fù)合，由于光纖布拉格光柵特別纖細(xì)，將其粘在纖維復(fù)合材料的表面，涂敷層為聚合物，它與纖維復(fù)合材料具有天然的相容性，基本不會改變纖維復(fù)合材料的力學(xué)性能。有人對含有光纖傳感器的智能FRP材料進行了傳感特性、疲勞特性、抗腐蝕特性等探索性研究，結(jié)果表明，纖維復(fù)合材料中復(fù)合光纖傳感器滿足結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的需要。
目前，國內(nèi)外的學(xué)者越來越傾向于用斷裂力學(xué)的觀點來闡述FRP-混凝土界面的剝離機理。但是，到目前為止，尚未設(shè)計出一個有效的試驗裝置，可以模擬FRP-混凝土(鋼材)雙材料界面的滑移型模式和混合模式的斷裂破壞。除此之外，在FRP剝離的試驗過程中，研究者對FRP具體剝離的長度不是很清楚，大大影響了相關(guān)關(guān)鍵參數(shù)的研究。
在滑移型模式的研究方面關(guān)于采用傳統(tǒng)的研究滑移型模式的試驗裝置，已經(jīng)很成熟，如圖1和圖2所示。
如圖1和圖2所示，相關(guān)技術(shù)的雙材料界面的斷裂試驗裝置包括疲勞機6’、固定于疲勞機6’上的底板4’、置于底板4’上的混凝土構(gòu)件2’、放置于材料二2’(即混凝土構(gòu)件或鋼構(gòu)件)上的壓板5’、穿過壓板5’并將混凝土構(gòu)件2’固定于疲勞機6’上的螺桿3’和與材料二2’(即混凝土構(gòu)件或鋼構(gòu)件)相連的材料一1’(即FRP)。上述裝置可以模擬雙材料界面的滑移型模式的斷裂破壞。
在混合模式的斷裂破壞研究方面，有人曾提出利用滑移型模式的斷裂試驗裝置，采取適當(dāng)?shù)募虞d偏心對混合模式加載下的剝離破壞進行了研究。這種方法的局限性在于一、FRP的偏移角度不易測量且不易控制，自然也不容易得到相應(yīng)的理論推導(dǎo)；二、這種方法僅僅適用于小偏心的加載。
另一種相關(guān)的雙材料界面的混合模式的斷裂試驗裝置，采用組合梁的方法(裂縫的兩端，一邊是混凝土構(gòu)件，另一邊是鋼構(gòu)件)，研究FRP-混凝土界面的粘結(jié)滑移破壞。這種方法的缺陷在于第一，構(gòu)件制作復(fù)雜，且試驗的可操作性不強；第二，試驗的成本偏高，不宜做過多的構(gòu)件進行線性回歸，只能做一個定性的分析。


發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明目的本發(fā)明的目的在于提供一種可同時模擬雙材料滑移型模式和混合模式的雙材料界面的斷裂試驗裝置。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的雙材料界面的斷裂試驗裝置包括疲勞機、固定于疲勞機上的底板、置于底板的材料二、置于材料二的壓板和一端貼合于材料二的材料一，其特征在于所述雙材料界面的斷裂試驗裝置還包括固定于壓板上的頂板以及置于頂板上的可自由伸縮的頂桿系統(tǒng)，所述頂桿系統(tǒng)包括固定于頂板上的支撐桿、連接于支撐桿一端的支撐塊和穿過支撐塊的頂桿。
優(yōu)選的，所述雙材料界面的斷裂試驗裝置還包括一端穿過支撐桿，另一端通過連接件與頂板連接的后置板。
優(yōu)選的，所述材料一為纖維復(fù)合材料與光纖布拉格光柵的復(fù)合物。
優(yōu)選的，所述材料二為混凝土。
優(yōu)選的，所述材料二為鋼材。
有益效果本發(fā)明的雙材料界面的斷裂試驗裝置不僅能夠準(zhǔn)確的模擬雙材料界面的滑移型模式和混合模式的斷裂破壞，而且能夠準(zhǔn)確的得到計算上述斷裂模式的斷裂能所需的各種關(guān)鍵參數(shù)。采用該試驗裝置，可以方便研究人員進行雙材料界面斷裂破壞的試驗研究，同時，所得的參數(shù)能夠滿足相關(guān)理論模型的概念要求。
當(dāng)前，研究雙材料界面這個領(lǐng)域主要存在的問題是當(dāng)前的學(xué)術(shù)界尚未提出一個能經(jīng)濟、有效并能準(zhǔn)確模擬混合模式的的試驗裝置。雙材料界面斷裂能的試驗裝置，用來模擬不同模式下的雙材料界面的斷裂破壞。為了克服以上缺點，本發(fā)明提供的實驗裝置不僅能夠準(zhǔn)確的模擬雙材料界面不同斷裂模式，而且能夠為試驗者準(zhǔn)確的提供計算不同斷裂模式的斷裂能所需的各種關(guān)鍵參數(shù)，進而得到滑移型斷裂模式和混合型斷裂模式下的斷裂能。



圖1是相關(guān)技術(shù)的雙材料界面的斷裂試驗裝置的示意圖； 圖2是相關(guān)技術(shù)的雙材料界面的斷裂試驗裝置另一視角的示意圖； 圖3是本發(fā)明雙材料界面的斷裂試驗裝置的示意圖； 圖4是本發(fā)明雙材料界面的斷裂試驗裝置的另一視角的示意圖； 圖5是本發(fā)明雙材料界面的斷裂試驗裝置部分部件的示意圖； 圖6是本發(fā)明雙材料界面的斷裂試驗裝置部分部件另一視角的示意圖； 圖7是本發(fā)明雙材料界面的斷裂試驗裝置部分部件第三視角的示意圖； 圖8是光纖布拉格光柵測試FRP應(yīng)變示意圖。

具體實施例方式 本發(fā)明所采用的技術(shù)方案由兩部分組成滑移型模式和混合型模式的試驗。當(dāng)該裝置的頂桿系統(tǒng)沒有使纖維復(fù)合材料產(chǎn)生偏移，則該試驗屬于滑移型試驗?zāi)Ｊ?；?dāng)該裝置的頂桿系統(tǒng)使纖維復(fù)合材料產(chǎn)生偏移，則該試驗屬于混合型試驗?zāi)Ｊ健＠迷撛囼炑b置，試驗者能快速并準(zhǔn)確的得到混合型試驗?zāi)Ｊ街欣w維復(fù)合材料產(chǎn)生的側(cè)移。在采用本裝置的試驗中，材料一采用帶有復(fù)合光纖布拉格光柵的纖維復(fù)合材料，該材料可以準(zhǔn)確反映出纖維復(fù)合材料在長度方向的應(yīng)變分布。已開裂的纖維復(fù)合材料的應(yīng)變遠大于未開裂處纖維復(fù)合材料的應(yīng)變，所以在已開裂與未開裂的交界處必有一個應(yīng)變突變，而這個交界處(即應(yīng)變突變點)就是該方式中裂縫的所在。
請參閱圖3至圖8，一種雙材料界面的斷裂試驗裝置11，其包括疲勞機6、固定于疲勞機6上的底板4、置于底板4上的材料二2、放置于材料二2的壓板5、穿過壓板5并將材料二2固定于疲勞機6上的螺桿3和一端貼合于材料二2的材料一1，其中，所述雙材料界面的斷裂試驗裝置11還包括固定于壓板5上的頂板7和置于頂板7上的可自由伸縮的頂桿系統(tǒng)8。
頂桿系統(tǒng)8包括固定于頂板7上的支撐桿14、連接于支撐桿11一端的支撐塊16和穿過支撐塊16的頂桿15。
所述雙材料界面的斷裂試驗裝置11包括一端穿過支撐桿14，另一端通過連接件9與頂板7連接的后置板10。
頂板7焊接于壓板5，并由頂板支撐塊13和置于構(gòu)件后面的后置板10以及連接件9共同對其提供側(cè)向支撐。
本發(fā)明材料二2采用尺寸為150mm×150mm×550mm混凝土構(gòu)件，在所述材料二2上粘貼100mm寬和250mm長的材料一1，即纖維復(fù)合材料與光纖布拉格光柵的復(fù)合物，以構(gòu)成試驗所需的雙材料構(gòu)件。材料二2也可以為鋼材。頂桿系統(tǒng)8使材料一1的自由端精確產(chǎn)生試驗人員所需的偏移距離。
將材料一1的自由端固定于疲勞機6的加載端，即可用疲勞機6進行加載。
滑移型剝離破壞試驗的加載結(jié)束后，由疲勞機6可直接得到Nx；混合型剝離破壞試驗的加載結(jié)束后，由疲勞機6可直接得到Nx；通過對頂桿系統(tǒng)8應(yīng)變的測量，換算即可得到頂桿系統(tǒng)8對材料一的側(cè)移力Ny。
將剝離下來的材料一進行三點彎曲，并測得其撓度。根據(jù)材料力學(xué)中，關(guān)于三點彎曲梁的撓度公式反算，即可得到材料一的剛度Σ13E3。通過彈性模量的試驗，即可得到材料一的彈性模量E3。除此之外的其他試驗參數(shù)，試驗者可用直尺得出。
實驗人員僅需將得到的上述試驗參數(shù)，帶到以下相應(yīng)的公式中，即可得到不同模式斷裂能G。
相應(yīng)的不同斷裂模式的斷裂能G的計算方法 1、滑移型模式的應(yīng)力強度因子 斷裂能 2、混合型的斷裂能GM txedMode＝Gpeel+Gshear 其中，Ny為滑移型模式的極限剝離承載力(該試驗參數(shù)可由疲勞機讀得)，B為粘結(jié)寬度，h為材料一的厚度，1為材料一與材料二的粘結(jié)長度，a為預(yù)裂長度，E3為剝離時材料二的彈性模量(混凝土的彈性模量取其退化的彈性模量)，其中m，n分別為1，2，3，其中1為材料一，2為膠層，3為材料二。
h為材料一的厚度；t為膠層的厚度；H為材料二的厚度。
η＝h/H，γ＝t/H，ξ＝1/η，ξi＝Hi/h，其中i＝1，2，3。
α3＝(ηξ3)2+∑23γ(2ηξ3+γ)+∑13η(2ηξ3+2γ+η)/2η(ηξ3+∑23γ+∑13η) δ＝∑12+2∑12γ/η+(γ/η)2/2(∑12+γ/η) Δ2＝∑12(1+2(γ/η)-2ξ2)+(γ/η-ξ2)2/2(∑12+γ/η-ξ2) 綜上所述，盡管本發(fā)明的基本結(jié)構(gòu)、原理、方法通過上述實施例予以具體闡述，在不脫離本發(fā)明要旨的前提下，根據(jù)以上所述的啟發(fā)，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可以不需要付出創(chuàng)造性勞動即可實施變換/替代形式或組合，此處不再贅述。
權(quán)利要求
1、一種雙材料界面的斷裂試驗裝置，包括疲勞機(6)、固定于疲勞機(6)上的底板(4)、置于底板(4)的材料二(2)、置于材料二(2)的壓板(5)和一端貼合于材料二(2)的材料一(1)，其特征在于所述雙材料界面的斷裂試驗裝置(11)還包括固定于壓板(5)上的頂板(7)以及置于頂板(7)上的可自由伸縮的頂桿系統(tǒng)(8)，所述頂桿系統(tǒng)(8)包括固定于頂板(7)上的支撐桿(14)、連接于支撐桿(14)一端的支撐塊(16)和穿過支撐塊(16)的頂桿(15)。
2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙材料界面的斷裂試驗裝置，其特征在于所述雙材料界面的斷裂試驗裝置(11)還包括一端穿過支撐桿(14)，另一端通過連接件(9)與頂板(7)連接的后置板(10)。
3、根據(jù)權(quán)利要求2所述的雙材料界面的斷裂試驗裝置，其特征在于所述材料一(1)為纖維復(fù)合材料與光纖布拉格光柵的復(fù)合物。
4、根據(jù)權(quán)利要求3所述的雙材料界面的斷裂試驗裝置，其特征在于所述材料二(2)為混凝土。
5、根據(jù)權(quán)利要求3所述的雙材料界面的斷裂試驗裝置，其特征在于所述材料二(2)為鋼材。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種雙材料界面的斷裂試驗裝置，包括疲勞機、固定于疲勞機上的底板、置于底板的材料二、置于材料二的壓板和一端貼合于材料二的材料一，其中，所述雙材料界面的斷裂試驗裝置還包括固定于壓板上的頂板以及置于頂板上的可自由伸縮的頂桿系統(tǒng)，所述頂桿系統(tǒng)包括固定于頂板上的支撐桿、連接于支撐桿一端的支撐塊和穿過支撐塊的頂桿。本發(fā)明的雙材料界面的斷裂試驗裝置不僅能夠準(zhǔn)確的模擬雙材料界面的滑移型模式和混合模式的斷裂破壞，而且能夠準(zhǔn)確的得到計算上述斷裂模式的斷裂能所需的各種關(guān)鍵參數(shù)。
文檔編號G01N3/24GK101520386SQ20091002926
公開日2009年9月2日 申請日期2009年4月3日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月3日
發(fā)明者潘金龍, 曹雙寅, 安峰辰 申請人:東南大學(xué)