碳板性能测试张拉装置研发与试验研究

程鸿伟王珍珍周 智欧进萍

（1.大连理工大学土木工程学院，辽宁 大连 116024；2.大连理工大学海岸和近海工程实验室，辽宁 大连 116024）

碳板性能测试张拉装置研发与试验研究

程鸿伟1，2，王珍珍1，2，周 智1，2，欧进萍1，2

（1.大连理工大学土木工程学院，辽宁 大连 116024；2.大连理工大学海岸和近海工程实验室，辽宁 大连 116024）

针对碳纤维板性能测试张拉装置缺乏的情况，设计一种碳纤维板性能测试张拉装置，主要由底座钢板、实心受压杆、锚板、张拉杆和挡板组成。同时，利用有限元软件对张拉装置主要部件进行应力分析，确定各部件的合理尺寸，并且进行该装置与反力式张拉装置的对比试验。试验结果表明：设计的张拉装置具有组装简便、操作容易、相对自重较轻，试验数据较稳定、实用性较强等特点，可为碳纤维板材性能测试提供一种简易且精准的平台。

碳板；张拉装置；预应力；有限元

0 引 言

纤维增强材料（fiber reinforced polymer，FRP)加固技术于1996年开始在我国发展，并逐渐在复合材料工业中形成了一个新的应用领域。我国目前已经成为国际上土木工程中应用FRP数量最多、发展最快、范围最广的国家。应用FRP进行结构加固不仅可以提高劳动生产效率，而且能够减少施工的消耗和对环境的影响[1-2]。碳纤维增强复合材料（carbon fiber reinforced polymer，CFRP)板材主要采用拉挤成型工艺生产制作，该工艺于20世纪70年代得到了突飞猛进的发展，其生产效率较高，且设备是自动化的，比较容易控制，生产出的产品也比较稳定[3]。CFRP板材凭借良好的性能在工程中得到了广泛应用，普通的粘贴碳纤维加固方法使得碳纤维材料性能不能充分发挥；而通过对碳纤维板材施加预应力，可以达到充分发挥碳纤维材料强度的目的，因而发展预应力碳纤维板加固技术也就成为了发展的必然趋势[4-5]。国内外学者针对碳纤维板以及锚具性能试验的研究较多，但是相应的专门用于碳纤维板性能测试的装置还很少，这就增大了开展碳纤维板性能试验的困难，而对碳板及其锚固措施进行性能检验是必不可少的环节，因此设计一种用于开展碳纤维板材相关性能测试试验的张拉装置很有必要。

1 碳纤维板试验装置概况

目前常用的碳纤维板性能测试方法主要有3种。1)在大体积混凝土块上进行，如图1所示，该方式适合多种形式锚具锚固的碳纤维板性能测试，也是目前研究人员较为常用的试验方式；但这种混凝土块测试由于体积巨大，不便放置于室内，而放置室外进行试验时，会受到各种天气因素的影响，所以不宜开展长期的碳纤维预应力损失等试验；而且该种混凝土块测试平台不便移动，具有诸多不便；此外，由于是通过螺栓将锚板锚固于混凝土基材中，张拉碳纤维时可能会受到基材不稳定的影响，从而导致试验结果的不准确。2)立体式反力架，如图2所示，该种反力架承载力较大，占地空间也较大，而试验中配合的是穿心千斤顶以及穿心传感器，由于非常沉重，需要专门的吊车进行组装，因此该种装置并不适合所有相关科研机构进行装备，而只是在特别的测试场所装备，且试验中需要多名工人的通力合作，这样才能准确开展相关试验。3)图3所示的反力装置，该装置由4根全螺纹杆以及两块钢板组成，整个装置重达1000 kg，也需要吊车的配合进行组装。此外，文献[6]也总结了国内一些常用的反力架，基本涵盖了各种形式，包括二维自平衡反力架、三维的空间加载反力架、多功能电液伺服加载试验系统等，但这些反力架都不适合碳纤维板相关性能试验的开展。

上述装置各有优缺点，但是对碳纤维板的性能测试，作为高校或者一般的科研院所，没有必要用这样体格较大的装置。所以，考虑到张拉装置的组装简便性、容易操作性、试验人员需求少、占地空间小等特点，本文研发设计了一套针对碳纤维板材性能测试的张拉装置。

图1 大体积混凝土块试验台

图2 立体式反力架

图3 反力装置

2 张拉装置设计

本文开发的碳纤维板性能测试张拉装置需要满足CFRP锚固系统锚固性能试验、智能碳板感知性能试验和CFRP板松弛等试验，能够完成长1 300～2 500mm，最大板宽150mm FRP板性能试验，所以张拉装置设计成长度可调式以适应不同板长性能试验。张拉装置强度设计从CFRP板材料的实际力学性能角度出发，以碳板极限抗拉强度为设计依据。100mm×2 mm规格CFRP板极限强度最高为2 600 MPa，极限破坏荷载为520 kN；50 mm×3 mm规格CFRP板极限强度最高为2 800 MPa，极限破坏荷载为420 kN。考虑张拉装置极限承载力的安全储备，以800 kN的水平荷载为设计值，依据钢结构设计规范[7]和机械设计手册[8]进行设计计算及绘制机械加工图。

2.1 张拉装置材料选择

张拉装置主体材料选用40Cr低合金结构钢，属于中碳调质钢，其价格适中，加工起来比较容易，经过适当的热处理以后就可以获得一定的韧性和耐磨性，屈服强度也有较大提高，耐腐蚀性好，其力学性能指标如表1所示。

表1 40Cr钢材力学性能

2.2 张拉装置主体部件设计

张拉装置主要由100t千斤顶、100t传感器、两块底座钢板、两根实心受压杆、两块锚板、一系列张拉杆和挡板组成。通过螺栓把底座钢板与两根实心受压杆连接，底座钢板与锚板也是通过螺栓连接，千斤顶和传感器放置在张拉端一侧，通过拉杆把张拉碳板固定于装置中，张拉装置的长度可调体现在试验中可针对不同长度的碳板通过螺栓的位置来进行调节。本装置具有组装简单、容易操作、占地面积小、占用空间小、试验时易于做防护措施、造价便宜等优点，并且试验中容易进行测量等工作，能够充分模拟工程中真实的碳板加固锚固系统，并且可以排除混凝土自身材料性能的影响，准确地进行锚具锚固性能测试等相关试验。张拉装置三维效果图如图4所示。

图4 张拉装置三维效果图

实心受压杆为两根平行布置的40Cr钢杆，采用75mm×60mm矩形截面设计，杆长3360mm，螺栓孔共设计17个，如图5所示。作为整个张拉装置的重要部件之一，张拉拉杆的设计尤为重要，它是保证试验成功的关键因素，既不能发生屈服，伸长量也要很小，选用直径28mm的40Cr钢材加工。锚板是CFRP板锚固系统中重要部件，尺寸大小主要受到千斤顶和传感器直径大小的约束，其千斤顶最大直径为168mm，张拉拉杆穿过的两孔间距为200mm，故锚板长、宽、厚尺寸分别取为325，300，60 mm，如图6所示。底座钢板决定着试验台架的整体刚度，所以钢板尺寸的选择至关重要。考虑到试验装置放置于试验室内，尺寸不能太大，采用长、宽、厚550，500，50 mm的40Cr钢板设计。钢板通过做半圆切割处理，可以增加测试碳板的长度，又能减轻质量，而整体刚度又不会降低，是较好的设计方式，如图7所示。

2.3 张拉装置主体部件尺寸校核

实心受压杆为主要承压部件，张拉装置设计荷载为800kN，所以每根受压杆承受400kN的力，由于是钢材，强度破坏所需的力为2430kN，远远超过设计荷载，所以主要是失稳问题，要进行压杆稳定的计算。按两端固定，长度系数μ取为0.5，考虑到实际固定端不可能对位移完全限制，应将理想的μ适当加大，取为0.65。由于装置两端有1000mm，相当于底座钢板约束，所以计算长度取为2 360 mm。经计算，压弯临界荷载Fcr为1187kN，大于400kN，满足承载力要求。

锚板与底座钢板都是通过螺栓连接，它们主要受力部位位于螺孔处，受力相对复杂，内力分布不均匀，故用ANSYS有限元软件进行分析计算，采用参数化编程[9-10]进行实体建模分析，选用SOLID185单元，用于构造三维固体结构。模型网格划分通过扫略方式进行，计算结果分别如图8和图9所示。由图8可见锚板最大位移为0.072mm，变形量很小，满足刚度要求，其最大应力为728.614 MPa，发生在螺孔处；由于建模时直接在螺帽与锚板之间的接触面积上进行施加荷载，因此计算出的应力接近屈服应力750MPa，属于应力集中现象，在具体试验中可以通过在螺帽与锚板间增加垫片的方式减小应力。由图9可见底座钢板的最大应力为166.207MPa，发生在螺孔处，小于屈服应力750 MPa，满足强度条件，且最大位移为0.195 mm，变形量很小，满足刚度要求。

张拉拉杆抗拉承载力设计值满足要求，如下式所示：

图8 锚板ANSYS应力图

图9 底座钢板ANSYS应力图

张拉装置所有部件之间都是靠螺栓连接，因此螺栓的验算也很重要，不仅要保证装置的整体性，也要保证在最大荷载下装置本身不发生连接部位的错动，因此螺栓要选择高强度的螺栓。

实心受压杆与底座钢板连接螺栓选用4个8.8级M24普通螺栓，其抗剪强度设计值为320MPa，4个螺栓的抗剪承载力一共可以达到为580 kN，满足要求。锚板与底座钢板连接螺栓设计选用4个8.8级M30普通螺栓，4个螺栓的抗剪承载力一共可以达到900kN，满足要求。

2.4 张拉装置制作

通过以上的设计以及计算校核，整个张拉装置长3360 mm，宽550 mm，高110 mm，选用40Cr低合金结构钢材料进行加工制作，总质量约500kg。加工的技术要求：所有部件进行热处理，以便提高材料的强度和硬度，热处理硬度为20～28HRC，且进行发蓝处理，提高装置的耐腐蚀性。

3 张拉装置性能试验

3.1 试验方案

图10 FRP板-锚具张拉装配图

图11 CFRP板-锚具张拉装配图

为验证开发的张拉装置的实用性、便捷性以及稳定性，本文选用两种张拉装置，一种是本文设计的张拉装置，另一种是图3所示反力装置，进行两组试验，试验1～3为第1组试验，在自行设计的张拉装置上进行的性能试验，如图10所示；试验4～6为第2组试验，在如图11所示反力装置上进行对比试验，选用50mm×3mm规格碳纤维板进行张拉装置的性能试验，根据碳纤维板生产厂家提供的数据，碳纤维板的极限破坏强度为2800MPa，能够验证张拉装置各方面的性能。

3.2 试验加载

根据两种张拉装置的特点，选择不一样的千斤顶和传感器，本文设计的张拉装置由于体积较小故选用直径较小的千斤顶及传感器，千斤顶量程为75t，传感器的量程为100 t对比试验张拉装置上的设备，为100t千斤顶以及100t传感器。试验加载方式为分级加载，每10kN为一级，逐级递增，每级之间持荷3min，到碳纤维极限强度的80%时保压5min，然后继续加载，直到破坏。

3.3 试验结果及分析

表2 碳纤维板张拉试验结果

通过表2中试验数据可以看出，碳纤维板破坏强度都比较高，两种张拉装置在测试碳纤维板极限荷载方面都能完全胜任。通过试验过程对比，本文设计的张拉装置具有如下优点：

1)实用性方面，能够满足更多的试验开展，比如进行FRP锚固系统性能试验，本张拉装置上两端的锚板就相当于碳纤维板加固系统中锚固到混凝土基材上的锚板，而对比试验的反力装置并不能进行此项试验的开展。

2)便捷性方面，组装比较容易，不必借助大型吊装设备，试验时由于离地面较近，尽管锚具碳纤维板组装件比较沉重，但并不需要支撑即可将锚具碳纤维板组装件快捷地组装到张拉装置上，试验操作人员要求较少，两人即可组装好，试验时碳纤维板组装件易于对中调整，并且方便开展碳板滑移量、锚具夹片内缩量测量工作。

3)稳定性方面，由于装置结构简单，受力清晰明了，设计合理，碳纤维板测试强度更加稳定。

4 结束语

通过两种张拉装置的试验对比，在本文设计的张拉装置上进行试验时试验过程更加便捷，碳纤维板组装更加容易操作，需求试验人员较少，并且本装置组装时不用调用大型设备，占地空间小，非常适合一般规模实验室配备，能够满足碳纤维板相关性能试验的顺利完成。

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[5]杨勇新，李庆伟，岳清瑞.预应力FRP片材加固混凝土结构研究现状 [C]∥中国土木工程学会等.第三届全国FRP学术交流会议论文集.中国土木工程学会、全国纤维增强塑料（FRP)及工程应用委员会，2004.

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[9]王新敏.ANSYS工程结构数值分析[M].北京：人民交通出版社，2007：44-47.

[10]龚曙光，谢桂兰，黄云清.ANSYS参数化编程与命令手册[M].北京：机械工业出版社，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

国家973计划项目（2011CB013705)

程鸿伟（1990-)，男，辽宁葫芦岛市人，硕士研究生，专业方向为FRP工程结构加固。

周 智（1973-），男，教授，博导，研究方向为防灾减灾工程及防护工程。