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一种测试胶体与钢质基体间粘结剪切性能的新方法 .pdf

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上传者: 做梦的人2000 2012-06-28 评分 0 0 0 0 0 0 暂无简介 简介 举报

简介:本文档为《一种测试胶体与钢质基体间粘结剪切性能的新方法 pdf》,可适用于经济金融领域,主题内容包含http:qkscqueducn第33卷第3期土木建筑与环境工程Vol.33No.32011年6月JournalofCivilArchitectur符等。

http:qkscqueducn第33卷第3期土木建筑与环境工程Vol.33No.32011年6月JournalofCivilArchitectural&EnvironmentalEngineeringJun.2011一种测试胶体与钢质基体间粘结剪切性能的新方法全学友1a1b刘连杰1a王仁燕1a马 松2严 勇3(1.重庆大学a.土木工程学院b.山地城镇建设与新技术教育部重点实验室重庆4000452.重庆市设计院重庆4000153.中国中铁八局集团第一工程有限公司重庆400050)收稿日期:20101011基金项目:重庆市建设科技计划项目(200917)重庆市交委计划项目(200968)作者简介:全学友(1963)男副教授硕士生导师主要从事结构工程加固与改造研究(Email)quanxueyou@163.com。摘 要:中国现行国家标准试验方法中的单层金属片搭接接头拉伸剪切试件由于粘结区剪应力分布极不均匀并在粘结面上产生很高的拉应力试验结果不能真实反映胶体与金属基体之间的粘结强度只能作为胶体质量的检验指标不能作为强度条件使用。该文采用的组合圆盘粘结试件用于胶层粘结剪切性能测试时胶层及结合面剪应力分布很均匀均匀系数可达0.97以上胶层端部引入圆弧面并对钢质基体进行倒角处理后粘结面正拉应力可以降低到20MPa以下不致引起受拉破坏因此组合圆盘的测试结果能真实反映胶体与金属基体之间的粘结剪切强度或剪压复合强度可作为粘结构件承载力设计的强度条件使用。关键词:胶体钢质基体粘结剪切性能组合圆盘粘结试件中图分类号:TU365  文献标志码:A  文章编号:16744764(2011)03003107犃犖犲狑犕犲狋犺狅犱犳狅狉犕犲犪狊狌狉犻狀犵犅狅狀犱犻狀犵犛犺犲犪狉犘狉狅狆犲狉狋犻犲狊狅犳犃犱犺犲狊犻狏犲狊狅狀犛狋犲犲犾犛狌犫狊狋狉犪狋犲狊犙犝犃犖犡狌犲狔狅狌1ab犔犐犝犔犻犪狀犼犻犲1a犠犃犖犌犚犲狀狔犪狀1a犕犃犛狅狀犵2犢犃犖犢狅狀犵3(1a.CollegeofCivilEngineering1b.KeyLaboratoryofNewTechnologyforConstructionofCitiesinMountainAreaMinistryofEducationChongqing400045P.R.China2.ChongqingArchitecturalDesignInstituteChongqing400015P.R.China3.No.1EngineeringCompanyofChinaRailwayNo.8EngineeringGroupCo.LtdChongqing400050P.R.China)犃犫狊狋狉犪犮狋:Singlelapjointadhesivelybondedmetalspecimenwhichisthenationalstandardexperimentalmethodinusehasanextremelynonuniformdistributionofshearstressesalongthejointandtensilestressconcentrationofhighvaluesisproducedonthesteelsubstrateinterfaces.Thereforethetestresultwhichisnottherealbondingshearstrengthbetweenadhesiveandsteelsubstratescanonlybeusedasatestindexforqualitiesofadhesivesnotthestrengthcriterionforloadiscapacityevaluation.Thecombinedbondingdiscspecimenisadoptedformeasuringbondingshearpropertiesofadhesiveonsteelsubstrateshasaveryuniformdistributionofshearstressesinadhesiveandalongthebondingsurfacesofsteelsubstratesofwhichtheuniformcoefficientisgreaterthan0.97.Furthermorewhenadhesivejointistreatedasanarcandsteelsubstratesarechamferedatbothendsofthejointtensilestressesonthebondingsurfacescanbereducedtolessthan20MPawhichcanhardlycausetensilefailure.Thustheresultsofcombinedbondingdiscspecimenscanactuallyrepresenttherealbondingshearstrengthorbondingshearcompressionstrengthbetweenadhesiveandsteelsubstrateswhichcanbeusedasstrengthcriterionforloadcapacityevaluationofbondingmembers.犓犲狔狑狅狉犱狊:adhesivesteelsubstratesbondingshearpropertiescombinedbondingdiscspecimenhttp:qkscqueducn  FRP(纤维增强塑料)依靠与粘结胶的粘结强度以及粘结胶与基体混凝土或基体金属之间的粘结强度实现对混凝土结构或金属结构的加固增强。在FRP端部以及混凝土裂缝两侧的粘结界面存在高剪应力使FRP与基体之间易于出现剥离破坏[14]。碳纤维板端部外侧补充粘贴一块钢板并采用锚栓穿过钢板后植入钢筋混凝土梁内或将钢板压在梁端支座下[5]可以推迟端部剥离破坏提高梁的受弯承载力为了在正常工作状态下利用碳纤维材料的高强度必须对碳纤维材料进行预张拉采用两块钢板涂胶后将碳纤维片材粘贴于其间固化后即可作为张拉夹具使用[6]预张拉的纤维复合材粘贴于钢筋混凝土受拉面后在纤维复合材端部表面粘贴钢板并用锚栓固定于梁上固化后可作为预应力纤维复合材的锚具使用[67]。上述各种情况下如要对端部锚固区域进行应力分析或锚固承载力设计必然需要使用到胶体与钢质基体之间的粘结剪切强度或剪压复合强度同时也需要胶体本身的应力应变本构关系。已经存在一些测试胶体与金属基体之间粘结强度的标准方法。薄层金属片构成的单层搭接接头[89]和双层搭接接头[10]试件广泛用于测试胶体与金属基体之间的粘结强度但是由于胶层中的剪应力分布极不均匀并且存在很高的拉应力这种拉应力往往控制了接头的破坏因此所获得的剪切强度只是一个表观剪切强度只能用于胶体质量评定不能作为剪切强度条件使用[11]。ASTM标准试验方法[12]认为厚层金属搭接接头区域的应力分布较为均匀可以测试胶体与金属基体之间的粘结剪切强度利用专门的位移测试系统可以获得胶体受剪应力-应变关系。J.Y.Cognard[13]与P.Davies[14]对改进的Arcan圆盘试验装置中胶体与厚层铝合金基体之间的粘结应力分布进行了精细的有限元分析表明可在平直的粘合面上形成较为均匀的剪应力分布并可以对粘结剪切强度和剪拉、剪压复合强度进行测试利用专用的数码相机系统对胶层的变形图像进行处理可以获得胶体在纯剪及复合应力状态下的应力-应变关系。但是ASTM标准试验方法[12]不能测试胶体与金属基体之间在压剪应力状态下的粘结强度普通实验室难以直接测试薄层胶体的变形因此有必要发展一种在普通实验室中即可完成胶体与金属基体之间粘结性能测试的新方法。1 组合圆盘试验方法的提出在中国材料和结构实验室中具有位移控制功能的伺服试验机系统已不鲜见。此处提出的新的试验方法就是利用伺服试验机的测力系统和内置位移测试系统完成胶体与金属基体之间粘结剪切强度和剪压复合强度的测试以及胶体本身在纯剪状态下以及剪压复合应力状态下的应力-应变关系的测试基本原理如下:根据ASTM标准[12]测试胶体强度的原理厚层金属搭接接头区域剪应力分布较为均匀因此提出图1所示的钢质圆盘组合粘结件利用伺服试验机精确的测力系统既可进行纯剪粘结强度试验(图1(a))也可完成剪压复合强度试验(图1(b))。粘结件是由金属完整圆盘经线切割加工而成粘结胶布置在对称于直径的窄缝内粘结长度中点与圆心重合。图1 组合圆盘试验装置示意图试验加载时调整垫条中心线使压力通过组合圆盘中心。假定组合圆盘粘结试件在伺服试验机上的破坏压力测试值为犘u则粘结面上的平均正压应力σn和与之对应的粘结剪切强度τu如式(1)、(2)所示:σn=犘usinα/犃(1)τu=犘ucosα/犃(2)式中犃和α分别为粘结面积和粘结面与压力之间的夹角(90)。由于篇幅所限利用组合圆盘在伺服试验机上测试胶层剪切变形的方法将在另文介绍。23土木建筑与环境工程                第33卷http:qkscqueducn2 纯剪受力条件下胶层的应力状态21 胶层厚度的确定  作者设想组合圆盘不仅可以测试胶体与金属基体之间的粘结性能也可以测试胶体本身的力学参数还可用于测试碳纤维板层间受剪性能参数。考虑到碳纤维板较多使用1.2mm厚规格组合圆盘中胶层厚度按1.3mm设计以适应对碳纤维板的性能试验。22 胶层长度两端面平直时的应力分布特性为了掌握胶层及粘结面上的应力分布采用弹性平面有限元方法对纯剪受力状态下的组合圆盘进行计算分析。计算模型如图2(a)所示胶层端面平直见图2(b)组合圆盘直径80mm组合圆盘厚度25mm粘结面长度30mm。计算参数取值为:钢质基体弹性模量2.0105MPa泊松比0.2胶体弹性模量2500MPa泊松比0.2。按粘结面上平均剪应力为14.0MPa计算外加剪切荷载取值为10.50kN。图2 计算分析模型采用ANSYS有限元分析程序对组合圆盘进行计算。为了确保计算精度参考了其它研究文献的成果[14]将胶层单元在厚度方向的尺度控制在0.001mm左右并取胶层单元长度不超过宽度的10倍。图3为胶层厚度中心平面处沿粘结面长度方向的剪应力和正应力分布由图可见剪应力分布已相当均匀正应力绝对值也相当低。图4为粘结面上的剪应力和正应力分布与中心平面相比较粘结面靠近端部剪应力和正应力均出现峰值分布拉应力甚至高达111.6MPa。图3 胶层中面剪应力和正应力分布图4 粘结面上的剪应力和正应力分布为了评价胶层剪应力分布特性引入剪应力均匀系数犽e和剪应力集中系数犽s。参看图5剪应力均匀系数犽e定义为剪应力分布曲线中位于平均剪应力线以下的实际应力分布面积犛shadow与平均剪应力分布矩形面积犛犃犅犆犇之比而剪应力集中系数犽s定义为峰值剪应力狊max与平均剪应力狊e之比即公式(3)、(4):犽e=犛shadow犛犃犅犆犇(3)犽s=狊max狊e(4)显然当剪应力均匀系数犽e=1.0时表示分布长度范围内的剪应力完全相同即绝对均匀此时剪应力集中系数犽s=1.0。图5 剪应力分布特征参考图根据上述定义图3所示的胶层厚度中心平面剪应力分布均匀系数为0.979剪应力集中系数为1.110表明胶层厚度中心平面的剪应力分布是相当均匀的剪应力集中现象不明显图4所示的粘结面剪应力分布均匀系数为0.984略优于中心平面但由于靠近端部存在剪应力尖峰剪应力分布集中系数为1.321略逊于胶层厚度中心平面。特别应该强调的是由于粘结面端部出现高达111.61MPa的拉应力会导致粘结面受拉破坏从而不能有效获得胶层与金属基体之间的粘结剪切强度因此必须采取措施尽量降低粘结面上的拉应力。23 胶层长度两端圆弧面的引入为了精确控制粘结面的长度并期望改善粘结面端部应力集中现象在胶层长度两端的金属基体上33第3期全学友等:一种测试胶体与钢质基体间粘结剪切性能的新方法http:qkscqueducn设置圆孔构造如图6所示。制作粘结件时圆孔内插入蜡纸卷或符合规定尺寸的表面具有油脂涂层的塑料棍可精确控制粘结面的长度防止胶体外流并使胶体固化后在两端形成圆弧面。有限元计算结果表明在其它条件相同的情况下引入圆孔后剪应力分布均匀系数基本不变但粘结面的剪应力集中现象有所改善正应力峰值显著降低。图7为圆孔直径2.5mm时胶层中面上剪应力和正应力分布曲线图8为粘结面上的剪应力和正应力分布曲线此时粘结面上的最大正拉应力为22.90MPa远低于胶层端面平直时的最大正拉应力111.61MPa。图6 胶层端部引入圆孔构造图7 胶层中面剪应力和正应力分布图8 粘结面上的剪应力和正应力分布24 圆孔的倒角处理鉴于粘结面上的拉应力过大会导致粘结受拉破坏使得试验结果不能有效反映粘结面的剪切受力特性因此应采取措施尽可能降低胶层中的正应力。出于方便加工的考虑并经试算后确定在胶层端部圆弧面过渡区附近的金属基体进行倒角处理如图9所示。倒角自圆孔象限点起算沿胶层长度方向的边长为1.0mm沿胶层厚度方向的边长为0.5mm。图10为圆孔直径2.5mm并经倒角处理后胶体厚度中面上的剪应力和正应力分布曲线图11为粘结面上的剪应力和正应力分布曲线。与倒角前比较剪应力均匀系数和应力集中系数基本不变但粘结面上的正应力进一步降低拉应力由倒角前的22.90MPa降低为17.02MPa。现行加固设计规范[15]对犃级、犅级胶钢钢正拉粘结强度规定分别不小于33MPa和25MPa因此可以认为前述倒角处理后的计算拉应力已不会导致粘结面发生正拉粘结破坏。图9 胶层端部金属基体倒角大样图10 胶层中面剪应力和正应力分布图11 粘结面剪应力和正应力分布3 剪压复合分析圆盘绕圆心旋转一定角度后加压(图12)便可使胶层处于剪压复合受力状态。以旋转30为例外加荷载犘u以在剪切面上形成14MPa的平均剪应力确定其值为犉=12.124kN此时粘结面上的平均正压应力为8.08MPa。图13、14分别为胶层中面、粘结面上的剪应力和正应力分布图由图可见43土木建筑与环境工程                第33卷http:qkscqueducn此时胶层中面已不存在拉应力剪应力和压应力分布都很均匀粘结面上绝大部分长度上的正压应力分布很均匀并接近平均压应力端部拉应力降低至11.64MPa。图12 旋转角30计算分析整体模型图13 胶层中面剪应力和正应力分布图14 粘结面剪应力和正应力分布表1 不同端部边界条件下胶层应力分布特性胶层端部条件端面平直端面圆孔直径4.0mm端面圆孔直径2.5mm端面圆孔直径2.5mm+倒角端面圆孔直径2.5mm+倒角+30剪压剪应力均匀系数犽e厚度中面0.980.980.980.980.97结合面0.980.980.980.970.97剪应力集中系数犽s厚度中面1.111.091.111.071.07结合面1.321.191.071.151.16最大拉应力/MPa厚度中面0.840.610.800.67-7.20结合面111.6140.8022.9017.0211.64最大压应力/MPa厚度中面-0.43-0.42-0.44-0.43-9.71结合面-101.45-27.24-21.69-16.13-20.11  选定不同的胶层端部边界条件进行有限元计算分析可作出表1所示的数据表格。表中数据表明组合圆盘粘结试件中各种情况下胶层的剪应力分布相当均匀均匀系数可达0.97以上但粘结面上的正拉应力分布差异很大。当胶层端面平直时粘结面端部存在很高的拉应力完全可能使粘结面受拉破坏当胶层端面引入圆弧面后粘结面正拉应力显著降低圆弧面直径越小降低幅度越大相同圆弧面直径情况下胶层端部金属基体倒角处理后能进一步降低粘结面上的正拉应力。4 试验验证为了验证组合圆盘粘结试件用于测试胶体抗剪性能的有效性采用中国品牌“承华”胶的碳纤维布粘贴胶进行对比试验。该品牌胶为犃、犅组份胶对比组采用一次调配的相同胶体。对比组包括:按中国国家标准[8]制作的一组共5个薄层金属片单搭头拉伸剪切试件(以下简称犃组)端面圆孔直径4mm的一组共5个组合圆盘粘结试件(以下简称犅组)端面圆孔直径2.5mm+倒角的一组共5个组合圆盘粘结试件(以下简称犆组)。犅、犆两组组合圆盘各5个试件分别按0、10、20、30、40进行试验其中0工况对应纯剪受力状态其余工况对应剪压复合受力状态图15为试验情景。图15 试验情况53第3期全学友等:一种测试胶体与钢质基体间粘结剪切性能的新方法http:qkscqueducn试验结果表明所有组合圆盘粘结试件的胶体均出现了剪切裂缝最终均在粘结面破坏胶体在两侧粘结面均有残留如图16所示。图16 胶层破坏照片根据破坏荷载和试件旋转角可以计算出粘结面上的平均剪应力和平均正压应力图17为犅、犆两组组合圆盘粘结试件实测剪切强度与粘结面平均压应力之间的关系。图17 犅、犆组试件剪切强度与粘结面平均压应力关系曲线根据实测数据计算的犃组薄层金属片单搭头试件平均剪切强度为14.60MPa。犆组组合圆盘粘结试件(倒角、圆孔径2.5mm)纯剪强度为38.93MPa远高于按现行标准试验方法[8]中单层搭接接头试件(犃组)所得的实测值这显然是由于组合圆盘粘结面剪应力分布相当均匀并且由于在粘结面端部引入圆弧面和倒角处理后粘结面上消除了高的正拉应力使胶体与金属基体之间的粘结剪切强度得以充分发挥。对比犅、犆两组试验结果可以看出正压应力较小时犅组抗剪强度低于犆组但当正压应力较大时两组试件的抗剪强度趋于一致。结合前述有限元计算分析结果可以看出造成这一现象的主要原因在于犅组胶层端部圆弧面直径较大且未进行倒角处理胶层粘结面端部的正拉应力高于犆组相应位置正拉应力造成试件提前破坏当正压应力较大时由于平均压应力部分抵消了粘结面端部的拉应力集中现象使得犅、犆两组的试验结果逐步趋于一致。实测结果还表明随着压应力的增加粘结抗剪强度相应提高但提高幅度相当缓慢本次实测最大压剪强度达46.98MPa(对应旋转角40)。5 结 论组合圆盘粘结试件能进行粘结接头的纯剪试验也可方便地进行粘结接头的剪压复合受力试验。组合圆盘粘结试件中胶层的剪应力分布很均匀适合用于胶体与金属基体间粘结剪切性能的测试。但是胶层端面平直时会在结合面上产生很高的正拉应力造成胶体的剪切性能不能有效发挥。对胶层端面引入圆弧面可显著改善胶层结合面的正拉应力集中现象圆弧面直径越小改善效果越好。对引入圆弧面的胶层端部钢质基体进行倒角处理可以进一步降低粘结面的正拉应力。根据算例选定胶层厚度1.3mm粘结胶层长度30mm胶层端面圆弧面直径2.5mm金属基体在胶层端部倒角1mm(长度方向):0.5mm(厚度方向)时胶层与金属基体间正拉应力最大值可以低于20MPa不致引起受拉破坏保证剪切试验能有效测试出胶层的粘结剪切强度。采用样品胶体作出的实测结果证实了组合圆盘及上述细部构造对测试胶层剪切性能的有效性。由于组合圆盘粘结试件胶层中剪应力分布均匀通过在胶层端部引入圆弧面和进行倒角处理可以将粘结面上的正拉应力降低到不致引起受拉破坏的水平因此测试结果能很好地反映胶体与金属基体之间的粘结剪切强度或剪压复合强度可作为粘结试件承载力设计的强度条件使用。参考文献:[1]YAOJTENGJG.PlateenddebondinginFRPplatedRCbeamsI:Experiments[J].EngineeringStructures200729:24572471.[2]YAOJTENGJG.PlateenddebondinginFRPplatedRCbeamsII:Strengthmodel[J].EngineeringStructures200729:24722486.[3]TENGJGYUANHCHENJF.FRPtoconcreteinterfacesbetweentwoadjacentcracks:Theoreticalmodelfordebondingfailure[J].InternationalJournalofSolidsandStructures200643:57505778.[4]CHRISTOPHERKYLEUNG.FRPdebongdingfromaconcretesubstrate:Somerecentfindingsagainstconventionalbelief[J].Cement&ConcreteComposites200628:742748.[5]HNGARDENTHOLLAWAYLC.Anexperimental63土木建筑与环境工程 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王秀玲櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆)(上接第18页)  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ZHOUYINGLUWENSHENGLUXILIN.Practicalmodeldesignmethodofshakingtabletests[J].StructuralEngineers2003(3):3033.(编辑 胡 玲)73第3期全学友等:一种测试胶体与钢质基体间粘结剪切性能的新方法

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