專利名稱：雙材料界面的斷裂試驗裝置的制作方法
技術領域：
本發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：
纖維復合材料(即FRP)具有強度高、重量輕、耐腐蝕、耐疲勞、施工方便等優點，在土木工程的加固領域中的應用日益廣泛。通過FRP外貼法可以對混凝土結構、鋼結構進行抗彎、抗剪和抗震等方面的加固，使得結構的耐久性得以增強。但是，加固后的結構，往往在構件發生強度破壞之前，就發生了FRP與混凝土(或者鋼結構)界面之間的剝離破壞。這個問題一直困擾著國內外大量的研究學者。國內外的研究學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、絕對測量等優點，如果將其與纖維復合材料復合，由于光纖布拉格光柵特別纖細，將其粘在纖維復合材料的表面，涂敷層為聚合物，它與纖維復合材料具有天然的相容性，基本不會改變纖維復合材料的力學性能。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，結果表明，纖維復合材料中復合光纖傳感器滿足結構健康監測的需要。
目前，國內外的學者越來越傾向于用斷裂力學的觀點來闡述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，大大影響了相關關鍵參數的研究。
在滑移型模式的研究方面關于采用傳統的研究滑移型模式的試驗裝置，已經很成熟，如圖1和圖2所示。
如圖1和圖2所示，相關技術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’上的混凝土構件2’、放置于材料二2’(即混凝土構件或鋼構件)上的壓板5’、穿過壓板5’并將混凝土構件2’固定于疲勞機6’上的螺桿3’和與材料二2’(即混凝土構件或鋼構件)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，采取適當的加載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的理論推導；二、這種方法僅僅適用于小偏心的加載。
另一種相關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，一邊是混凝土構件，另一邊是鋼構件)，研究FRP-混凝土界面的粘結滑移破壞。這種方法的缺陷在于第一，構件制作復雜，且試驗的可操作性不強；第二，試驗的成本偏高，不宜做過多的構件進行線性回歸，只能做一個定性的分析。
發明內容
發明目的本發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。
發明內容
本發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，所述頂桿系統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。
優選的，所述材料一為纖維復合材料與光纖布拉格光柵的復合物。
優選的，所述材料二為混凝土。
優選的，所述材料二為鋼材。
有益效果本發明的雙材料界面的斷裂試驗裝置不僅能夠準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，而且能夠準確的得到計算上述斷裂模式的斷裂能所需的各種關鍵參數。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，所得的參數能夠滿足相關理論模型的概念要求。
當前，研究雙材料界面這個領域主要存在的問題是當前的學術界尚未提出一個能經濟、有效并能準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，本發明提供的實驗裝置不僅能夠準確的模擬雙材料界面不同斷裂模式，而且能夠為試驗者準確的提供計算不同斷裂模式的斷裂能所需的各種關鍵參數，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是相關技術的雙材料界面的斷裂試驗裝置的示意圖； 圖2是相關技術的雙材料界面的斷裂試驗裝置另一視角的示意圖； 圖3是本發明雙材料界面的斷裂試驗裝置的示意圖； 圖4是本發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應變示意圖。
具體實施例方式 本發明所采用的技術方案由兩部分組成滑移型模式和混合型模式的試驗。當該裝置的頂桿系統沒有使纖維復合材料產生偏移，則該試驗屬于滑移型試驗模式；當該裝置的頂桿系統使纖維復合材料產生偏移，則該試驗屬于混合型試驗模式。利用該試驗裝置，試驗者能快速并準確的得到混合型試驗模式中纖維復合材料產生的側移。在采用本裝置的試驗中，材料一采用帶有復合光纖布拉格光柵的纖維復合材料，該材料可以準確反映出纖維復合材料在長度方向的應變分布。已開裂的纖維復合材料的應變遠大于未開裂處纖維復合材料的應變，所以在已開裂與未開裂的交界處必有一個應變突變，而這個交界處(即應變突變點)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8。
頂桿系統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和置于構件后面的后置板10以及連接件9共同對其提供側向支撐。
本發明材料二2采用尺寸為150mm×150mm×550mm混凝土構件，在所述材料二2上粘貼100mm寬和250mm長的材料一1，即纖維復合材料與光纖布拉格光柵的復合物，以構成試驗所需的雙材料構件。材料二2也可以為鋼材。頂桿系統8使材料一1的自由端精確產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束后，由疲勞機6可直接得到Nx；通過對頂桿系統8應變的測量，換算即可得到頂桿系統8對材料一的側移力Ny。
將剝離下來的材料一進行三點彎曲，并測得其撓度。根據材料力學中，關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，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，帶到以下相應的公式中，即可得到不同模式斷裂能G。
相應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(該試驗參數可由疲勞機讀得)，B為粘結寬度，h為材料一的厚度，1為材料一與材料二的粘結長度，a為預裂長度，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，盡管本發明的基本結構、原理、方法通過上述實施例予以具體闡述，在不脫離本發明要旨的前提下，根據以上所述的啟發，本領域普通技術人員可以不需要付出創造性勞動即可實施變換/替代形式或組合，此處不再贅述。
權利要求
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(8)，所述頂桿系統(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、根據權利要求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、根據權利要求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)為纖維復合材料與光纖布拉格光柵的復合物。
4、根據權利要求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、根據權利要求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，所述頂桿系統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。本發明的雙材料界面的斷裂試驗裝置不僅能夠準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，而且能夠準確的得到計算上述斷裂模式的斷裂能所需的各種關鍵參數。
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 優先權日2009年4月3日
發明者潘金龍, 曹雙寅, 安峰辰 申請人:東南大學