剪切强度测试仪及剪切强度测试方法

摘要

一种剪切强度测试仪及剪切强度测试方法是在工程结构加固改造项目中混凝土结构采用浅层嵌固高强板条或表面粘贴高强板条时，检测板条与原混凝土结构之间粘结剪切强度的专用仪器和方法。设备分为测力杆、剪切支架、示数仪三部分，通过旋紧测力杆螺栓，使剪切支架端部张开，利用传力靴对粘结完成的板条进行剪切，使之与混凝土界面粘结破坏，采用测力杆内设的拉压传感器测试剪切力的大小，由示数仪显示最大剪切力。通过该设备测得的剪切强度还可以对锚固长度进行理论计算。该设备具有构造简单，传力明确，操作简便，易于维护等优点，该设备不需要外接电源，可以在各类环境下使用。

说明书

技术领域

本发明涉及建筑结构检测设备和检测方法，尤其涉及一种测试板条与混凝土之间的粘结剪切强度的剪切强度测试仪及剪切强度测试方法。

背景技术

工程结构加固改造项目中，有采用采用浅层嵌固或表面粘贴板条的技术措施。此类措施通过粘贴的方式，发挥板条良好的抗拉强度，可以很大程度地提高混凝土结构的承载力。板条提供的拉力通过结构胶的粘结作用传递到混凝土结构上，板条与结构胶之间、结构胶与混凝土界面之间存在较大的剪应力。加固的关键就是板条与原混凝土结构的剪切强度能否满足设计要求。目前《混凝土结构加固设计规范》GB 50367-2006等标准中，对于表面粘贴高强板条只是通过正拉粘结强度的检验推测剪切强度，属间接手段，具有一定的误差；对于浅层嵌固板条，则没有相应的检测设备和手段。没有板条与混凝土之间的剪切强度参数，就无法得出板条在混凝土中的理论锚固长度，而目前各加固规范中所取的锚固长度均为半估算半经验值。

发明内容

本发明针对现有技术中的不足提出了一种能够通过测试判断板条粘结质量的优劣，以保证混凝土结构加固工程中的相关技术的顺利实施的剪切强度测试仪及剪切强度测试方法。

本方案是通过如下技术措施实现的：一种剪切强度测试仪，它包括剪切支架、测力杆、示数仪，其特征是所述剪切支架包括呈倒八字形对称设置于旋转轴两侧的左支架和右支架，所述左支架和右支架前部铰接于旋转轴并自然延伸至旋转轴前方相接，在右支架后端铰接有与铰轴轴线垂面上摆动的测力杆，在左支架后端设置竖槽，所述竖槽与测力杆适配，在测力杆另一端设置有螺杆和与螺杆适配的螺母；在测力杆中设置有拉压传感器，所述拉压传感器与示数仪电连接。

剪切支架施力端铰接传力靴，可以保证剪切过程中传力靴与混凝土面和加固材料断面保持面接触，保证剪切力始终垂直于加固材料断面。传力靴的工作面为长方形，工作面尺寸主要为1.2mm×10mm(适用于FRP板条)、3mm×20mm(适用于钢板)，传力靴可更换，使其与检测时受检板条的截面形式一致。

本方案的有益效果可根据对上述方案的叙述得知，采用杠杆原理，通过收紧测力杆使剪切支架短臂端张开，由短臂端传力靴对粘结好的板条进行剪切，并测试其最大剪切力。可以测试混凝土结构加固工程中浅层嵌固和表面粘贴板条的施工质量。测力杆内置拉压传感器，不仅可以施加外力，还可以输出所测试的外力。本发明的有益效果还在于该设备具有构造简单，传力明确，操作简便，易于维护等优点，该设备不需要外接电源，可以在各类环境下使用。因此本发明与现有技术相比，实现了技术目的。

一种剪切强度测试方法，其特征是它包括如下步骤：①仪器校验；②隔离或者暴露待测部位；③用剪切强度测试仪测试剪切破坏前的最大力值，计算剪切强度。

所述仪器校验包括如下步骤：打开示数仪并示数清零，将传力靴顶住标准测力仪，旋紧测力杆上的螺栓以主动加压，分8～10级顺序递增施加力，每级记录示数仪和标准测力仪的读数，直到额定力值，然后退回到初始点；示值检定时施加试验力应平稳，加到检定点前应缓慢施加，以便于准确读数；重复本步骤测量三次；建立本仪器的示数仪读数P与标准测力仪读数N的对应关系，确定示数仪读数所代表的标准力值：N＝μ·P+b

μ、b——仪器换算系数，与剪切支架长短臂的比例、旋转轴摩阻力等因素有关。仪器应定期(一般半年左右)进行校验，示数仪、测力杆等部件维修或更换后亦应进行校验。

所述隔离待测部位是指针对浅层嵌固板条剪切强度的测试时：在待测部位垂直板条方向切割板条与混凝土，切槽深度为嵌固深度加5mm，切槽间待测板条长度15mm，板条两端的截面完全暴露；施加剪切力一侧设置测试槽，测试槽宽度70mm，另一侧设置变形槽，变形槽宽度5mm；除去切槽中的浮浆、杂物，露出洁净的混凝土表面。

所述暴露测试部位是指在表面粘贴板条剪切强度的测试时，在待测部位垂直板条方向切割板条与混凝土，切槽深度为5mm，切槽间待测板条长度15mm，板条两端的截面完全暴露；施加剪切力一侧切出宽度70mm的测试槽，另一侧切出宽度为5mm的变形槽；除去测试槽和变形槽中的浮浆、杂物等，露出洁净的混凝土表面。

所述用剪切强度测试仪测试剪切破坏前的最大力值，计算剪切强度是指：打开剪切强度测试仪的示数仪，将示数清零，选择峰值保持；将剪切支架的传力靴放入测试槽，剪切支架一侧传力靴抵住的混凝土内壁，另一侧传力靴抵住受检板条的外露横截面；缓慢匀速转动测力杆的螺栓，收紧测力杆，使剪切支架短臂端张开，传力靴逐渐抵紧受检板条并对其施加推力，最终使板条与混凝土间剪切破坏，此时示数仪显示的最大力值为P(N)；计算剪切强度f(MPa)

量取受检板条的剪切破坏面积A(剪切破坏面积为板条横截面周长与剪切面长度的乘积，mm²)，则剪切强度f：

$f=\frac{N}{A}=\frac{\mu ·P+b}{A}.$

由板条与混凝土间的剪切强度，可以得出板条的理论锚固长度l₀：

$l_0=\frac{f_{\mathrm{RP}}·A_{\mathrm{RP}}}{n·f·b_{\mathrm{RP}}}$

式中：f_RP——板条的抗拉强度标准值(MPa)；

A_RP——板条的截面积(mm²)；

b_RP——板条的宽度(mm)；

n——粘贴面系数，浅层嵌固取n＝2，表面粘贴取n＝1；

f——板条与混凝土的剪切强度(MPa)。

此理论锚固长度可以指导设计锚固长度取值。

剪切强度测试仪的应用试验

基本情况

加固构件为C30混凝土梁，梁底采用两根1.2mm×10mmFRP板条嵌固，施工完毕后，为检测施工质量，采用本设备进行检测。

仪器换算系数的测定

对以上数据进行线性回归，得出N＝0.4827·P-35.826

即对于本试验设备：μ＝0.4827、b＝-35.826

对检测构件选取三处进行检测，检测数据如下：

  试验编号  截面尺寸  (mm×mm) 示数仪读数P  剪切强度f  MPa  破坏形式  1  1.2×10  1794  2.77  混凝土破坏  2  1.2×10  1630  2.50  混凝土破坏  3  1.2×10  1750  2.70  混凝土破坏  最小值  /  1630  2.50  /  平均值  /  1725  2.66  /

结论

本次试验测得的剪切强度均大于2.5MPa，大于《混凝土结构设计规范》GB50010-2002中混凝土抗拉强度标准值，破坏状态均为混凝土破坏。结果表明FRP板条与混凝土结合牢靠，施工质量良好。本锚固长度计算方法是基于试验实测值得到的，区别于通常的半经验半估算方法，更加符合工程的实际情况。

按剪切强度f＝2.5MPa，FRP板条设计强度标准值为2400MPa，则理论锚固长度l₀为：

$l_0=\frac{f_{\mathrm{RP}}·A_{\mathrm{rp}}}{n·f·b_{\mathrm{RP}}}=\frac{2400\times 1.2\times 10}{2\times 2.5\times 10}=576\mathrm{mm}$

实际锚固长度700mm，满足要求。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步详细的描述。图1是剪切强度测试仪结构示意图；图2是剪切强度测试仪部件分解图；图3是浅层嵌固板条剪切强度测试示意图；图4是表面粘贴板条剪切强度测试示意图；

图中，1、传力靴，2、旋转轴，3、测力杆，4、螺母，5、示数仪，6、左支架，7、右支架，8、剪切支架，9、浅层嵌固板条，10、待测嵌固板条，11、变形槽，12、测试槽，13、被加固的混凝土试件，14、表面粘贴的板条，15、待测粘贴板条，16、竖槽。

具体实施方式

如图1-2所示，一种剪切强度测试仪，它包括剪切支架、测力杆3、示数仪5，其特征是所述剪切支架包括呈倒八字形对称设置于旋转轴2两侧的左支架6和右支架7，所述左支架6和右支架7前部铰接于旋转轴2并自然延伸至旋转轴2前方相接，在右支架7后端铰接有在旋转轴2轴线垂面上摆动的测力杆3，在左支架6后端设置竖槽16，所述竖槽16与测力杆3适配，在测力杆3另一端设置有螺杆和与螺杆适配的螺母4；在测力杆3中设置有拉压传感器，所述拉压传感器与示数仪5电连接。

为了弥补在工程结构加固改造项目中混凝土结构采用浅层嵌固板条9或表面粘贴板条10时，目前设备和测试方法均不能直接检测剪切强度的不足，本发明剪切强度测试仪及测试方法提供了一种直接检测板条与被加固的混凝土试件13之间粘结剪切强度的专用仪器和方法，所测的粘结剪切强度即为板条与混凝土之间的最大剪应力，继而可以为板条理论锚固长度的计算提供参数。

剪切支架8利用杠杆原理，通过杠杆长臂一侧(测力杆侧)的收合使短臂一侧(传力靴侧)张开，传力靴1张开时一端抵住混凝土壁，一端抵住待测粘贴板条15并对其施加推力，使之与混凝土界面发生剪切破坏。剪切破坏时可以通过测力杆3来测试剪切力的大小，由内置电池的示数仪5显示最大剪切力。此种受力状态与板条在混凝土中受力状态一致，所测试的结果能够反映板条的实际粘结能力。

“剪切强度测试仪及剪切强度测试方法”是在工程结构加固改造项目中采用浅层嵌固或表面粘贴板条时，检测板条与原混凝土结构之间粘结剪切强度的专用仪器和方法。该仪器分为测力杆3、示数仪5，剪切支架8三部分。测力杆的作用有两个：一是给剪切支架提供剪切力，二是自动测试该剪切力。它通过外力旋紧螺栓4收紧剪切支架8长臂端以施加剪切力，以内设的拉压传感器量测剪切力值；剪切支架8分为左支架6和右支架7两部分，可以绕旋转轴2旋转，测力杆3将左支架6和右支架7的长臂端收紧时短臂端张开。测试时短臂端一侧传力靴1抵住混凝土内壁，另一侧传力靴抵住待测粘贴板条15的截面，短臂端张开过程中传力靴1对板条施加剪切力。剪切支架8短臂端与传力靴1铰接连接，传力靴可以适当旋转，以保证剪切支架张开过程中，传力靴始终与混凝土面和待测粘贴板条15的截面呈面接触；传力靴1具有多种截面形式并可更换，使其与检测时受检板条的截面形式一致，以保证剪切强度测试的顺利进行。示数仪5内置电源，可以方便地与测力杆3输出端口连接，并应有清零和示数峰值保持等功能。

一种剪切强度测试方法，它包括如下步骤：

1对剪切强度测试仪校验

剪切强度测试仪应定期(一般半年左右)进行校验，示数仪、测力杆等部件维修或更换后亦应进行校验，校验步骤如下：

打开示数仪并示数清零，将传力靴顶住标准测力仪，旋紧测力杆上的螺栓以主动加压，分8～10级顺序递增施加力，每级记录示数仪和标准测力仪的读数，直到额定力值，然后退回到初始点。示值检定时施加试验力应平稳，加到检定点前应缓慢施加，以便于准确读数。重复本步骤测量三次。

建立剪切强度测试仪的示数仪读数P与标准测力仪读数N的对应关系，确定示数仪读数所代表的标准力值：

N＝μ·P+b

μ、b——仪器换算系数，与剪切支架长短臂的比例、旋转轴摩阻力等因素有关。

如图3所示：浅层嵌固板条剪切强度的测试方法

1隔离待测部位

在待测部位垂直板条方向切割浅层嵌固板条9与混凝土，切槽深度为嵌固深度加5mm，切槽间待测嵌固板条10长度15mm，待测嵌固板条10两端的截面完全暴露。施加剪切力一侧切出测试槽12，测试槽12宽度70mm，另一侧切出变形槽11，变形槽11宽度5mm。除去测试槽12和变形槽11中的浮浆、杂物等，露出洁净的混凝土表面。

2测试剪切力

打开剪切强度测试仪的示数仪5，示数清零，选择峰值保持。将剪切支架8短臂端的传力靴1放入测试槽12，剪切支架8短臂端一只传力靴抵住的混凝土内壁，另一只传力靴抵住待测嵌固板条10的外露横截面。缓慢匀速转动测力杆3的螺栓4，收紧测力杆3，使剪切支架8短臂端张开，传力靴1逐渐抵紧待测嵌固板条10并对其施加推力，最终使待测嵌固板条10与混凝土间剪切破坏，此时示数仪5显示的最大力值为P(N)。

3计算剪切强度f(MPa)

量取待测嵌固板条10的剪切破坏面积A(剪切破坏面积为板条横截面周长与剪切面长度的乘积，mm²)，则剪切强度：

$f=\frac{N}{A}=\mu \frac{P}{A}$

如图4所示，表面粘贴板条剪切强度的测试方法

1暴露待测部位。

在待测部位沿垂直表面粘贴板条14方向切割表面粘贴板条14与混凝土，切槽深度为5mm，切槽间待测粘贴板条15长度15mm，待测粘贴板条15两端的截面完全暴露。施加剪切力一侧切槽(测试槽)宽度70mm，另一侧(变形槽)5mm。除去切槽中的浮浆、杂物等，露出洁净的混凝土表面。

2测试剪切力。

打开剪切强度测试仪的示数仪5，示数清零，选择峰值保持。将剪切支架8施力端传力靴1放入测试槽12，剪切支架8短臂端一侧传力靴抵住的混凝土壁或提供反力的表面粘贴板条14横截面，另一侧传力靴抵住待测粘贴板条15的外露横截面。缓慢匀速转动测力杆3的螺栓4，收紧测力杆3，使剪切支架8短臂端张开，传力靴1逐渐抵紧待测粘贴板条15并对其施加推力，最终使待测粘贴板条15与混凝土剪切破坏，此时示数仪5显示的最大力值即为剪切力P(N)。

3计算剪切强度f(MPa)。

量取待测粘贴板条15的剪切破坏面积A(剪切破坏面积为板条横截面周长与剪切面长度的乘积，mm²)，则剪切强度：

$f=\frac{N}{A}=\frac{\mu ·P+b}{A}.$

板条理论锚固长度的计算方法

由板条与混凝土间的剪切强度，可以得出板条的理论锚固长度l₀：

$l_0=\frac{f_{\mathrm{RP}}·A_{\mathrm{RP}}}{n·f·b_{\mathrm{RP}}}$

式中：f_RP——板条的抗拉强度标准值(MPa)；

A_RP——板条的截面积(mm²)；

b_RP——板条的宽度(mm)；

n——粘贴面系数，浅层嵌固取n＝2，表面粘贴取n＝1；

f——板条与混凝土的剪切强度(MPa)。

本理论锚固长度计算方法是基于试验实测值得到的，区别于通常的半经验半估算方法，更加符合工程的实际情况，可以指导设计锚固长度取值。