基于落錘試驗(yàn)機(jī)的動(dòng)態(tài)粘結(jié)滑移試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)

陳育志，陳曉洪

(金陵科技學(xué)院建筑工程學(xué)院，江蘇南京211169)

鋼筋和混凝土這兩種性質(zhì)不同的材料之所以能夠共同工作，很重要的一個(gè)原因就是這兩者之間存在著粘結(jié)作用，這種作用使鋼筋與混凝土之間能夠?qū)崿F(xiàn)應(yīng)力傳遞，從而在鋼筋與混凝土中建立起結(jié)構(gòu)承載所必須的工作應(yīng)力。因此，鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)滑移關(guān)系對(duì)研究鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)有著重要意義。國(guó)內(nèi)外學(xué)者就此開(kāi)展了大量的試驗(yàn)研究，并取得了大量研究成果，但這些研究大多是在靜載作用下得到的［1－2］。結(jié)構(gòu)在地震、沖擊、爆炸等作用下，其內(nèi)部鋼筋與混凝土以及兩者之間的相互粘結(jié)是承受動(dòng)荷載作用的。常規(guī)力學(xué)試驗(yàn)機(jī)僅能進(jìn)行靜態(tài)加載，即便是電液伺服加載系統(tǒng)，也只能適合進(jìn)行10－2/s 以下應(yīng)變率試驗(yàn)［3］。

圖1 實(shí)驗(yàn)室內(nèi)已有落錘試驗(yàn)機(jī)

落錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)是一種簡(jiǎn)單、可靠、重復(fù)性好的加載裝置。落錘加載系統(tǒng)由垂直軌道和自由落體的重物及高度測(cè)量系統(tǒng)組成，圖1為實(shí)驗(yàn)室內(nèi)現(xiàn)有的落錘試驗(yàn)機(jī)。沖擊載荷由重錘的自由下落撞擊到試樣上，可以通過(guò)調(diào)節(jié)不同的落錘下落距離、落錘重力來(lái)獲得不同的載荷脈沖的波形［4－5］。落錘試驗(yàn)適用的應(yīng)變率范圍可達(dá)10/s。

圖2 粘結(jié)滑移拔出試件

拔出試驗(yàn)是研究鋼筋與混凝土粘結(jié)滑移性能常采用的一種方法，試件如圖2 所示，現(xiàn)有的試驗(yàn)機(jī)無(wú)法將落錘的沖擊轉(zhuǎn)化為鋼筋的拔出荷載，并同時(shí)記錄鋼筋拔出的荷載滑移數(shù)據(jù)。但任何儀器設(shè)備都不是萬(wàn)能的，隨著科學(xué)研究的不斷深入，各種新型試驗(yàn)方法也將不斷涌現(xiàn)，針對(duì)每種試驗(yàn)都生產(chǎn)采購(gòu)對(duì)應(yīng)設(shè)備也不現(xiàn)實(shí)，因此對(duì)現(xiàn)有儀器設(shè)備進(jìn)行簡(jiǎn)單改造從而使其滿足試驗(yàn)要求，是研究人員應(yīng)具備的基本能力。根據(jù)試件和落錘試驗(yàn)機(jī)自身構(gòu)造，在試驗(yàn)機(jī)原有基礎(chǔ)上稍作改動(dòng)，加工適當(dāng)裝置，使其滿足鋼筋混凝土動(dòng)態(tài)粘結(jié)滑移試驗(yàn)的要求是一項(xiàng)很有意義的工作。

1 試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)

1.1 荷載轉(zhuǎn)換裝置

落錘試驗(yàn)機(jī)的加載原理是，將一定重力的落錘升至指定高度后釋放，做自由落體運(yùn)動(dòng)撞擊加載對(duì)象，因此落錘試驗(yàn)機(jī)施加的是一種沖擊壓力。而進(jìn)行鋼筋粘結(jié)性能研究，需要拉荷載將鋼筋從混凝土中拔出，因此進(jìn)行粘結(jié)滑移試驗(yàn)研究需要施加拉荷載。若想利用落錘試驗(yàn)機(jī)的沖擊荷載將鋼筋從混凝土中拔出，必須設(shè)計(jì)一種能夠?qū)⒙溴N沖擊荷載轉(zhuǎn)換為鋼筋拔出力的裝置。

該荷載轉(zhuǎn)換裝置應(yīng)具有一些基本要求: (1) 強(qiáng)度較高，能夠承受落錘的沖擊; (2) 有一定的彈塑性，能夠在落錘沖擊作用下反復(fù)使用，不會(huì)發(fā)生脆性破壞; (3) 剛度較大，能夠?qū)⒙溴N沖擊力快速直接傳遞到鋼筋上，剛度較小會(huì)產(chǎn)生“吸能”效應(yīng)，減弱落錘的沖擊作用; (4) 構(gòu)造貼合落錘試驗(yàn)機(jī)，便于安裝。

基于上述考慮，將荷載轉(zhuǎn)換裝置設(shè)計(jì)為由兩根螺桿穿過(guò)上下兩個(gè)橫梁并固定的框架，如圖3 所示?？梢圆捎?5 號(hào)鋼加工制成。

圖3 荷載轉(zhuǎn)換裝置的正視圖和側(cè)視圖

如圖3 所示，框架將置于落錘的正下方，框架上部橫梁將直接承受落錘的沖擊作用，下部橫梁通過(guò)連接件與粘結(jié)滑移拔出試件的鋼筋連接，通過(guò)圖3 所示的框架，將把落錘的沖擊荷載轉(zhuǎn)換為鋼筋的拔出力。為加強(qiáng)上下橫梁的剛度和便于螺桿穿過(guò)橫梁，宜將橫梁加工為雙腹板構(gòu)造。為避免在落錘沖擊作用下整個(gè)框架的失穩(wěn)，參照落錘的構(gòu)造，將上橫梁的翼緣中間設(shè)計(jì)為與落錘試驗(yàn)機(jī)軌道相吻合的凹槽，如圖4 所示。由于軌道的約束作用，整個(gè)框架在落錘沖擊作用下將僅能沿著軌道向下運(yùn)動(dòng)，不會(huì)出現(xiàn)大幅度的倒塌失穩(wěn)現(xiàn)象。

下部橫梁除了兩端設(shè)有用于穿過(guò)螺桿的兩個(gè)圓孔之外，橫梁中部也需要設(shè)有穿孔，用于通過(guò)螺桿與鋼筋拔出端連接，從而對(duì)鋼筋拔出端施加拉力，下部橫梁見(jiàn)圖5。

圖4 上橫梁構(gòu)造俯視圖

圖5 下橫梁構(gòu)造俯視圖

1.2 位移限位裝置

如果落錘沖擊荷載過(guò)大，遠(yuǎn)大于鋼筋與混凝土的最大粘結(jié)荷載，那么在落錘的沖擊作用下，鋼筋從混凝土中被拔出后仍會(huì)以較大速度向下運(yùn)動(dòng)，從而砸壞下部?jī)x器裝置。為避免這一現(xiàn)象的出現(xiàn)，應(yīng)在圖3 所示的框架上部橫梁底部設(shè)一限位裝置。通過(guò)預(yù)試驗(yàn)得出鋼筋與混凝土粘結(jié)強(qiáng)度從初始至峰值再降至趨于穩(wěn)定，整個(gè)過(guò)程鋼筋與混凝土的滑移值約10 mm，因此確定將限位裝置固定于上部橫梁下方1 ～2 cm 處，可以采用角鋼或槽鋼加工制成，采用螺栓固定于落錘試驗(yàn)機(jī)機(jī)架上。

1.3 試件固定裝置

進(jìn)行鋼筋與混凝土的粘結(jié)滑移試驗(yàn)，必然要使鋼筋與混凝土之間發(fā)生相對(duì)位移。通常做法為固定混凝土部分，對(duì)鋼筋施加拔出力。因此，整個(gè)裝置中還需要設(shè)置試件的固定部分。該部分可以參照位移限位裝置，將兩個(gè)槽鋼分別固定于落錘試驗(yàn)機(jī)機(jī)架前后兩側(cè)，兩個(gè)槽鋼處于同一高度，可以將試件擱置于該槽鋼上，阻止試件混凝土部分向下移動(dòng)，或者可以在落錘試驗(yàn)機(jī)底部安裝試件固定裝置用于放置試件。

1.4 數(shù)據(jù)采集裝置

鋼筋拔出力以及鋼筋混凝土粘結(jié)滑移值是進(jìn)行粘結(jié)滑移試驗(yàn)必須要采集的數(shù)據(jù)，由于落錘試驗(yàn)機(jī)僅提供了落錘沖擊能量，無(wú)法采集上述試驗(yàn)數(shù)據(jù)，因此必須另外設(shè)置數(shù)據(jù)采集裝置。荷載通?？梢圆捎昧鞲衅鞑杉辰Y(jié)滑移數(shù)據(jù)可以采用位移計(jì)(LVDT) 采集，將力傳感器和位移計(jì)(LVDT) 連接至動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀，見(jiàn)圖6。需要指出的是，位移計(jì)(LVDT) 應(yīng)固定于試件混凝土上，伸縮導(dǎo)桿壓緊鋼筋自由端。

圖6 數(shù)據(jù)采集裝置

為使鋼筋與拉力傳感器連接，在試件澆筑之前將鋼筋一端加工為外螺紋，并作為鋼筋的拔出端。為實(shí)現(xiàn)不同直徑鋼筋與力傳感器連接，還應(yīng)加工不同規(guī)格的內(nèi)外螺紋螺帽，如圖7 所示。內(nèi)外螺紋螺帽外螺紋與力傳感器對(duì)應(yīng)，可以擰進(jìn)如圖8 所示的拉力傳感器內(nèi)，鋼筋螺紋可以擰進(jìn)圖7 所示的內(nèi)螺紋。

圖7 內(nèi)外螺紋螺帽

圖8 拉力傳感器

2 試驗(yàn)方法

根據(jù)上述試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)，基于落錘試驗(yàn)機(jī)的動(dòng)態(tài)粘結(jié)滑移試驗(yàn)方法可按照如下步驟操作:

(1) 安裝如圖3 所示的荷載轉(zhuǎn)換裝置框架，抬高上部橫梁使落錘軌道置于如圖4 所示的翼緣凹槽內(nèi)，上部橫梁抬高至限位裝置安裝位置上方后，安裝限位裝置，限位裝置安裝完成后，將上部橫梁擱置于限位裝置上;

(2) 安裝試件固定裝置，將試件放置在試件固定裝置上，將試件鋼筋拔出端向下;

(3) 將拉力傳感器一端與試件鋼筋拔出端連接，拉力傳感器另一端連接螺桿，該螺桿下端穿過(guò)圖5 所示下部橫梁翼緣上的中間通孔，用螺母固定在下部橫梁上;

(4) 安裝圖3 中豎向螺桿，使豎桿穿過(guò)下部橫梁和上部橫梁的兩邊孔，抬高上部橫梁至限位裝置上方1 ～2 cm，固定上部橫梁、下部橫梁和豎桿三者相對(duì)位置。

(5) 安裝位移計(jì)(LVDT) ，架立表架，使位移計(jì)抵住試件鋼筋自由端，將位移計(jì)和拉力傳感器連接至動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀，并調(diào)整動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀準(zhǔn)備采集數(shù)據(jù);

(6) 升高落錘至指定高度，使落錘落下沖擊荷載轉(zhuǎn)換裝置框架的上部橫梁，沖擊荷載將通過(guò)豎桿和下部橫梁，經(jīng)拉力傳感器，對(duì)試件鋼筋施加拔出力，該過(guò)程中動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀記錄下拉力傳感器數(shù)值和位移計(jì)數(shù)值，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理即可得到鋼筋從試件混凝土中拔出過(guò)程的粘結(jié)滑移關(guān)系。

整個(gè)試驗(yàn)裝置最后安裝完成如圖9 所示。

圖9 基于落錘的粘結(jié)滑移試驗(yàn)示意圖

3 結(jié)束語(yǔ)

作者在落錘試驗(yàn)機(jī)、拉力傳感器以及動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀這些實(shí)驗(yàn)室內(nèi)已有的試驗(yàn)設(shè)備基礎(chǔ)上，通過(guò)常規(guī)設(shè)計(jì)加工手段，完成了基于落錘試驗(yàn)機(jī)的動(dòng)態(tài)粘結(jié)滑移試驗(yàn)裝置及方法研究。在整個(gè)研究過(guò)程中，所有手段易于操作，而且考慮了裝置安裝方便性和試驗(yàn)過(guò)程中設(shè)備保護(hù)等細(xì)節(jié)。通過(guò)文中研究，能夠以高于常規(guī)力學(xué)試驗(yàn)機(jī)的加載速率進(jìn)行鋼筋混凝土粘結(jié)滑移試驗(yàn)研究，為進(jìn)行鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)理論研究提供參考。

［1］宋玉普，趙國(guó)藩．鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)滑移性能研究［J］．大連工學(xué)院學(xué)報(bào)，1987(2) :93－100．

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