[发明专利]测量结构工程用复合材料管轴向压缩性能的试验装置和试验方法

说明书

本发明涉及测量结构工程用复合材料管轴向压缩性能的试验装置，其特征在于：包括上端板、下端板、半圆形钢条、轴向应变片、环向应变片；上端板和下端板的结构相同，均包括圆形的端板和位于端板中心的圆柱形凸起，两条半圆形钢条通过粘胶固定在端板上，两条半圆形钢条与圆柱形凸起之间形成一条环形的凹槽，凹槽用于容纳管状受压试样的端部，凹槽内填充高强度石膏将试样的端部与端板固定；轴向应变片和环向应变片均环绕试样圆周均布在试样的外表面，且位于试样的中部。还涉及测量结构工程用复合材料管轴向压缩性能的试验方法。本发明结构简单，试验方法操作灵活、便捷，适用性广，检测精度高，属于土木工程中结构材料性能检测技术领域。

技术领域

本发明涉及土木工程中结构材料性能检测技术，具体涉及测量结构工程用复合材料管轴向压缩性能的试验装置和试验方法。

背景技术

纤维增强复合材料(Fiber Reinforced Polymer，即FRP)作为一种新型的材料，具有强度高、耐腐蚀性好等优良的性能，近年来被广泛应用于土木工程领域，其中最典型的应用为纤维增强复合材料管(以下简称：复材管)约束混凝土。复材管既可以采用纤维布湿铺法手工制作，也可以直接采用拉挤制作或纤维缠绕制作。在轴向压力的作用下，混凝土的横向膨胀能够有效的被接近环向布置的纤维所约束，从而大大的提高了组合构件的强度和延性。另外，组合构件中的外复材管同时可以作为浇筑混凝土的模板，在浇筑混凝土时需要承担一定的施工荷载，因此结构工程用复材管往往需要具有一定的轴向刚度。但是，由于其纤维以接近环向布置为主，所以复材管在轴向压缩下，表现出明显的非线性。因此，对于复材管在土木工程的应用研究和实践来说，准确的测定复材管的轴向压缩性能，包括轴向压缩线性参数(轴向压缩强度、轴向压缩弹性模量和泊松比)和考虑非线性的参数具有重要的意义。在测量复合材料压缩性能的试验方法中，除了传统的直条形片材压缩试验外，世界各国的学者也提出了各种各样的试验方法，但是现有的这些方法在实际工程应用中都存在着一定的局限性。

直条形片材压缩试验方法测量纤维增强复合材料的压缩性能在很多国家和地区的试验规范里都有明确的阐述，例如《剪切荷载作用下聚合物基复合材料无支撑测量截面压缩性能标准试验方法》[ASTM D3410/D3410M-16(2014)]、《采用组合荷载加压试验装置的聚合物基复合材料压缩性能标准试验方法》[ASTM D6641/D6641-16(2016)]、《纤维增强塑料面内压缩性能试验方法》[GB/T 5258(2008)]等等。但是，直条形片材压缩试验方法主要适用于连续的单向纤维增强复合材料平板。对于结构工程用复材管而言，为了保证其具有一定的轴向刚度，纤维的缠绕或铺陈方向往往与水平方向具有一定的夹角，而直条形片材压缩试验方法对于非连续的偏轴材料，尤其是偏轴比较大的情况下，纤维材料将在试样边缘被切断而形成边缘效应，这将使得试验所测得的材料性能误差较大；而另一方面，对复材拉挤或缠绕管而言，沿其轴向截取的试样具有一定的弧度，无法适用直条形片材压缩试验方法；而对于采用手工湿铺法制作的复材管，虽然可以制作出与管材相同材料和相同铺层的直条形片材试样，并进行压缩试验，但是由于两者之间曲率的差别，以及制作方法的不同，直条形片材压缩试验方法的结果很难准确标定复材管的实际性能。

为了消除边界效应、试样弧形等不利影响，在测定复材管轴向压缩性能时直接采用完整的管段作为试样是最佳的解决办法，如《环向缠绕聚合物基复合材料圆管横向压缩性能标准试验方法》[ASTM D5449/D5449M-16(2016)]和《纤维增强热固性塑料管轴向压缩性能试验方法》[GB/T 5350-2005]，则是采用的这种方法。前者是将圆管端部嵌固到端板的凹槽中，然后通过端板对试样进行轴心加压，但由于端板凹槽非常狭窄，很难适应工业化生产的纤维缠绕管管径的波动以及壁厚的变化，且试验装置难以重复利用；而后者则是通过对管状试样端部进行加固后，直接对试样加压，但此方法仅适用于公称直径为50～100mm、直径与增强厚度之比不大于50的复材管。

另外，针对结构工程用复材管在双向受力状态下，其轴向表现出来的明显的非线性，国内外还没有任何可以直接使用的测定方法和表达方式。