一种“CFRP-胶层-钢”粘结性能的测量方法

摘要

本发明公开了一种“CFRP-胶层-钢”粘结性能的测量方法，包括以下步骤：S1、选择相应的CFRP测头和钢测头，并将其安装在极限粘结应力测量装置的测柄上，在两测头之间涂抹胶层形成“CFRP-胶层-钢”粘结界面；S2、启动极限粘结应力测量装置，弹簧拉力逐渐增大直到造成“CFRP-胶层-钢”粘结界面破坏，实时测量移动测柄和拉力滑块之间的距离，并绘制“长度-时间”的关系曲线；S3、得到“长度-时间”关系曲线的突变点，根据弹簧初始长度和突变点对应的弹簧长度计算极限粘结应力。本发明的方法原理清晰、测量速度快，利用的装置结构简单、成本低，便于实验室以较少的资金获得，无需借助疲劳试验机等大型复杂设备实验。

说明书

技术领域

本发明涉及碳纤维复合材料加固钢结构领域，尤其涉及一种“CFRP-胶层-钢”粘结性能的测量方法。

背景技术

CFRP(碳纤维复合材料)具有强度高、质量轻、抗腐蚀、耐久性好等优点，近几年来逐渐被应用到钢结构加固领域。CFRP加固钢结构就是在钢结构薄弱部位的表面粘贴CFRP材料，通过胶层的粘结作用使一部分载荷传递到CFRP上，从而改善粘贴处的应力状态，达到修复加固的目的。

由CFRP加固钢结构的工艺特点可知，加固后的力学薄弱环节是“CFRP-胶层-钢”粘结界面。研究表明，“CFRP-胶层-钢”粘结界面受力情况复杂，但分析时可简化为垂直于粘结界面的正向应力和平行于粘结界面的剪切应力。经CFRP加固后的钢结构，当受到的正向应力或剪切应力过大时，都有可能引起粘结界面的破坏，造成加固失效。在针对CFRP加固钢结构的研究中，如何通过实验测量“CFRP-胶层-钢”粘结界面破坏时的极限应力值显得尤为重要。目前，国内外学者往往是通过制作粘结试件，再利用疲劳试验机(或者拉伸试验机)进行实验测量的。这种测量方法存在的不足之处在于：尚没有专门的用于测量“CFRP-胶层-钢”粘结性能的实验装置及方法，若利用疲劳试验机等大型设备，存在设备复杂、成本高、不易获得等问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中难以测试“CFRP-胶层-钢”粘结性能的缺陷，提供一种测试快速，且成本较低的“CFRP-胶层-钢”粘结性能的测量方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

本发明提供一种“CFRP-胶层-钢”粘结性能的测量方法，包括以下步骤：

S1、根据测量需要，选择相应的CFRP测头和钢测头，并将其安装在极限粘结应力测量装置的测柄上，在两测头之间涂抹胶层形成“CFRP-胶层-钢”粘结界面；

S2、启动极限粘结应力测量装置，拉力滑块低速滑动，弹簧被拉伸带动移动测柄，弹簧拉力逐渐增大直到造成“CFRP-胶层-钢”粘结界面破坏，实时测量移动测柄和拉力滑块之间的距离，即弹簧的长度，并绘制“长度-时间”的关系曲线；

S3、得到“长度-时间”关系曲线的突变点，根据弹簧初始长度和突变点对应的弹簧长度计算极限粘结应力。

进一步地，本发明的步骤S3中包括正向极限应力的计算方法，其计算公式为：

$>\sigma =\frac{k(l_1-l_0)}{S}$>

其中，σ表示“CFRP-胶层-钢”粘结界面破坏时的正向极限应力，单位MPa，k表示弹簧的劲度系数，单位N/mm，l₀表示弹簧的初始长度，单位为mm，l₁表示粘结界面破坏时的弹簧长度，单位为mm，S表示测头的横截面积，单位为mm²。

进一步地，本发明的步骤S3中包括剪切极限应力的计算方法，其计算公式为：

$>\tau =\frac{k(l_1-l_0)}{S}$>

其中，τ表示“CFRP-胶层-钢”粘结界面破坏时的剪切极限应力，单位MPa，k表示弹簧的劲度系数，单位N/mm，l₀表示弹簧的初始长度，单位为mm，l₁表示粘结界面破坏时的弹簧长度，单位为mm，S表示测头的横截面积，单位为mm²。

进一步地，本发明的步骤S1中的CFRP测头和钢测头有多个，通过定制不同弹性模量的CFRP测头，进行CFRP弹性模量对“CFRP-胶层-钢”粘结性能影响的测试；通过定制不同表面粗糙度的钢测头，进行钢结构表面粗糙度对“CFRP-胶层-钢”粘结性能影响的测试。

本发明产生的有益效果是：本发明的“CFRP-胶层-钢”粘结性能的测量方法，通过动力系统逐渐拉伸皮带，实时记录下滑动测柄和拉力滑块之间的距离，直到“CFRP-胶层-钢”粘结界面破坏后，绘制“长度-时间”的关系曲线，根据突变点的数据结合计算公式得出“CFRP-胶层-钢”粘结界面破坏时的极限应力；本方法测量原理清晰、测量速度快，利用的装置结构简单、成本低，便于实验室以较少的资金获得，无需借助疲劳试验机等大型复杂设备实验。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明实施例的“CFRP-胶层-钢”粘结性能的测量方法的流程图；

图2是本发明实施例的“CFRP-胶层-钢”粘结性能的测量装置的结构示意图；

图3是本发明实施例的“CFRP-胶层-钢”粘结性能的测量装置的测头的结构示意图；

图4是本发明实施例的“CFRP-胶层-钢”粘结性能的测量方法的“长度-时间”关系曲线图；

图中，1-机架，2-底板，3-密封罩，4-导轨，5-测头，6-紧固卡环，7-第二移动测柄，8-测距仪，9-弹簧，10-第二拉力滑块，11-皮带，12-第一拉力滑块，13-第一移动测柄，14-固定测柄。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本发明实施例的“CFRP-胶层-钢”粘结性能的测量方法，包括以下步骤：

S1、根据测量需要，选择相应的CFRP测头和钢测头，并将其安装在极限粘结应力测量装置的测柄上，在两测头之间涂抹胶层形成“CFRP-胶层-钢”粘结界面；

S2、启动极限粘结应力测量装置，拉力滑块低速滑动，弹簧被拉伸带动移动测柄，弹簧拉力逐渐增大直到造成“CFRP-胶层-钢”粘结界面破坏，实时测量移动测柄和拉力滑块之间的距离，即弹簧的长度，并绘制“长度-时间”的关系曲线；

S3、得到“长度-时间”关系曲线的突变点，根据弹簧初始长度和突变点对应的弹簧长度计算极限粘结应力。

步骤S3中包括正向极限应力和剪切极限应力的计算方法，正向极限应力的计算公式为：

$>\sigma =\frac{k(l_1-l_0)}{S}$>

其中，σ表示“CFRP-胶层-钢”粘结界面破坏时的正向极限应力，单位MPa，k表示弹簧的劲度系数，单位N/mm，l₀表示弹簧的初始长度，单位为mm，l₁表示粘结界面破坏时的弹簧长度，单位为mm，S表示测头的横截面积，单位为mm²。

剪切极限应力的计算公式为：

$>\tau =\frac{k(l_1-l_0)}{S}$>

其中，τ表示“CFRP-胶层-钢”粘结界面破坏时的剪切极限应力，单位MPa，k表示弹簧的劲度系数，单位N/mm，l₀表示弹簧的初始长度，单位为mm，l₁表示粘结界面破坏时的弹簧长度，单位为mm，S表示测头的横截面积，单位为mm²。

如图2所示，本发明实施例的“CFRP-胶层-钢”粘结性能的测量装置用于实现本发明实施例的“CFRP-胶层-钢”粘结性能的测量方法，包括支撑部分、测量部分和动力部分；

支撑部分包括两根平行设置的导轨4，记作第一导轨和第二导轨；支撑部分还包括机架1和设置在机架1上的底板2，导轨4设置在底板2上；

测量部分包括：

设置在第一导轨上的固定测柄14、第一移动测柄13和第一拉力滑块12；固定测柄14和第一移动测柄13相对的面上分别设置有一个圆柱形凸台，固定测柄14在面向第二导轨的面上还设置有一个圆柱形凸台，第一移动测柄13与第一拉力滑块12之间通过弹簧9连接，第一移动测柄13与第一拉力滑块12相对的面上还设置有测距仪8；

设置在第二导轨上的第二移动测柄7和第二拉力滑块10；第二移动测柄7在与固定测柄14相对的面上设置有一个圆柱形凸台，第二移动测柄7与第二拉力滑块10之间通过弹簧9连接，第二移动测柄7与第二拉力滑块10相对的面上还设置有测距仪8；

设置在圆柱形凸台上的测头5，如图3所示，测头5为套筒状，其内径与圆柱形凸台的外径相等，测头5的两侧设置有细槽，通过套接在测头5上的紧固卡环6固定在圆柱形凸台上；紧固卡环6为弹性钢环，配合螺栓和螺母对其固定；测头5包括CFRP测头和钢测头；

动力部分包括分别与第一拉力滑块12和第二拉力滑块10相连的皮带11，还包括与所述皮带11相连的电动机卷绕系统。

该装置还包括设置在导轨4两端的密封罩3，密封罩3的中部为可拆卸结构，该可拆卸结构为透明材料。导轨4上还设置有对第一拉力滑块12和第二拉力滑块10进行限位的限位开关。

在本发明的另一个实施例中，利用紧固卡环分别将CFRP测头和钢测头安装在固定测柄14和第一移动测柄13上；在两个测头之间涂抹胶层，并调整第一移动测柄13、弹簧和第一拉力滑块12的位置，使CFRP测头和钢测头靠近并粘合，形成“CFRP-胶层-钢”粘结界面；盖上密封罩防止灰尘落入，放置一段时间待胶层固化；控制电动机正反向转动，从而调整皮带伸出端的长度，将皮带钩连在第一拉力滑块12上；启动电动机卷绕系统，通过皮带带动第一拉力滑块12低速滑动，弹簧逐渐被拉伸，同时安装在第一移动测柄13和第一拉力滑块12之间的测距仪8开始工作，实时测量第一移动测柄13和第一拉力滑块12之间的距离；随着第一拉力滑块12向右滑动，弹簧的力逐渐增大，进而造成“CFRP-胶层-钢”粘结界面破坏；按下电动机停止按钮，测量过程完成。

如图4所示，根据测距仪的数据绘制出“长度-时间”图像，获得该图像上的突变点，通过简单的数学计算即可得出“CFRP-胶层-钢”粘结界面破坏时的正向极限应力。

其计算原理为：测距仪测量的是移动测柄和拉力滑块之间的距离，即弹簧的长度；t＝0时刻的距离l₀是弹簧的初始长度；随着拉力滑块向右运动，弹簧逐渐伸长，直到“CFRP-胶层-钢”粘结界面破坏时即t＝t₁时刻，弹簧的长度会发生突变；根据t＝0时刻和t＝t₁时刻的弹簧长度，即可算出“CFRP-胶层-钢”粘结界面破坏时弹簧中的拉力，该拉力除以测头的横截面积，即是“CFRP-胶层-钢”粘结界面破坏时的正向极限应力。其计算公式如下：

$>\sigma =\frac{k(l_1-l_0)}{S}$>

其中，σ表示“CFRP-胶层-钢”粘结界面破坏时的正向极限应力，单位MPa，k表示弹簧的劲度系数，单位N/mm，l₀表示弹簧的初始长度，单位为mm，l₁表示粘结界面破坏时的弹簧长度，单位为mm，S表示测头的横截面积，单位为mm²。

在本发明的另一个实施例中，利用紧固卡环6分别将CFRP测头和钢测头安装在固定测柄14和第二移动测柄7上；在两个测头之间涂抹胶层，并调整第二移动测柄7、弹簧和第二拉力滑块10的位置，使CFRP测头和钢测头靠近并粘合，形成“CFRP-胶层-钢”粘结界面；盖上密封罩防止灰尘落入，放置一段时间待胶层固化；再经过同样的测量过程，可以测得“CFRP-胶层-钢”粘结界面破坏时的剪切极限应力。其计算公式为：

$>\tau =\frac{k(l_1-l_0)}{S}$>

其中，τ表示“CFRP-胶层-钢”粘结界面破坏时的剪切极限应力，单位MPa，k表示弹簧的劲度系数，单位N/mm，l₀表示弹簧的初始长度，单位为mm，l₁表示粘结界面破坏时的弹簧长度，单位为mm，S表示测头的横截面积，单位为mm²。

本发明中的钢测头和CFRP测头不仅只有一个，而是可以定制多个。通过定制不同弹性模量的CFRP测头，可以通过本发明提供的装置研究CFRP弹性模量对“CFRP-胶层-钢”粘结性能的影响；通过定制不同表面粗糙度的钢测头，可以通过本发明提供的装置研究钢结构表面粗糙度对“CFRP-胶层-钢”粘结性能的影响。

若需要研究不同温湿度、盐碱度环境下“CFRP-胶层-钢”界面的粘结性能，可对本装置底板和密封罩的结构做一些改进型设计，进而模拟一定的温湿度和盐碱度条件，测量该种条件对“CFRP-胶层-钢”粘结性能的影响。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。