CN104819933A - 一种静动态粘结滑移全过程曲线试验装置及其试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及试验研究技术领域，尤其是一种筋材与混凝土拔出粘结滑移的测试装置及方法。静动态粘结滑移全过程曲线试验装置包括液压伺服试验机，试件拉拔框架，LVDT固定保护卡，球饺；所述的液压伺服试验机通过球饺与试件拉拔框架相连接，试件拉拔框架用于固定试件，LVDT固定保护卡布置在试件钢筋的自由端。本发明提供的装置简单，可重复使用，操作方便。将整个加载方案分为两个阶段，第一阶段采用LVDT作为控制信号，可以消除试验装置各个环节间隙以及自身变形的影响，第二阶段采用位移作为控制信号，可以避免钢筋拔出过程中刚度变化的影响，在整个加载过程中获得稳定的滑移速率，从而能够研究不同滑移速率对粘结滑移本构关系的影响。

Description

一种静动态粘结滑移全过程曲线试验装置及其试验方法

技术领域

本发明涉及试验研究技术领域，尤其是一种筋材与混凝土拔出粘结滑移的测试装置及方法。

背景技术

在钢筋混凝土结构中，钢筋和混凝土两种力学性质不同的材料之所以能够互为补充共同工作，除了具有相近的热膨胀系数，很重要的一个原因就是这两者之间存在着粘结作用，这种作用使钢筋与混凝土之间能够实现应力传递，对钢筋混凝土结构内部应力的分布，裂缝的开展、钢筋端部的锚固等诸多方面都有着重要影响，因此对钢筋与混凝土粘结滑移的研究在理论和工程应用中都有十分重大的意义。国内外学者就此开展了大量的试验研究，并取得了一定的研究成果，但这些研究大多是在静载作用下得到的。而建筑结构在地震、冲击、爆炸等作用下，钢筋与混凝土之间的锚固是承受动荷载作用的。由于混凝土的强度及变形均具有明显的应变率效应，这就必然造成动荷载作用下钢筋混凝土粘结滑移关系区别于静载情况。极端地震条件下重大工程钢筋混凝土结构倒塌数值模拟分析离不开准确的材料（混凝土、钢筋及钢筋-混凝土界面）动态本构模型，倒塌破坏阶段分析材料动态本构模型应包含软化段。因缺乏有效的试验成果，其动态软化段规律一般根据静载试验软化规律按相似性确定，因而相对滞后很多。因此钢筋-混凝土界面动态全曲线本构模型需要进—步探索和深化研究。

关于不同滑移速率对粘结滑移全过程本构关系影响的研究成果还很少见，其主要原因是稳定的滑移速率难以实现。整个试验装置各个环节存在间隙，试验装置各连接杆件在加载过程中也会出现变形，采用位移作为控制方式时，试验机的位移由于包含了上述间隙和试验装置自身变形，远大于钢筋的拔出滑移值；而采用测试滑移值的LVDT作为控制方式时，LVDT对应的P、I、D参数设置与试件刚度相关，钢筋与混凝土之间的荷载滑移关系的刚度在整个加载过程中是发生变化的，甚至变化很大，而试验前调试确定的参数值在试验过程中无法调整，采用LVDT信号无法实现全过程控制。因此，获得稳定的钢筋滑移速率存在一定的困难，从而无法定量研究滑移速率对钢筋混凝土粘结滑移全过程本构关系的影响。

发明内容

   本发明所要解决的技术问题是针对上述技术现状，而提供一种能有效获得稳定滑移速率的试验方法，从而能够研究得出不同滑移速率对粘结滑移全过程本构关系的影响。

本发明采用如下技术方案：

本发明所述的一种静动态粘结滑移全过程曲线试验装置，包括液压伺服试验机，试件拉拔框架，LVDT固定保护卡，球饺；所述的液压伺服试验机通过球饺与试件拉拔框架相连接，试件拉拔框架用于固定试件，通过LVDT固定保护卡将LVDT安装于试件钢筋的自由端，用于测试钢筋与混凝土之间的相对滑移。

本发明所述的静动态粘结滑移全过程曲线试验装置，所述的液压伺服试验机包括一个或若干个LVDT，液压伺服试验机的位移信号与LVDT(11)的信号对钢筋与混凝土之间的相对滑移进行精确闭环控制。

本发明所述的静动态粘结滑移全过程曲线试验装置，所述的试件拉拔框架包括顶板、底板、螺杆；所述的顶板与底板四角处分别设有有能够穿过螺杆的螺纹孔；顶板（21）顶端设有顶螺杆；底板中心位置设有圆孔。

本发明所述的静动态粘结滑移全过程本构关系试验装置，所述的LVDT固定保护卡包括用于穿过LVDT的圆孔，穿过钢筋的钢筋圆孔与用于保护LVDT的限位凸块；限位凸块位于穿过LVDT的圆孔和钢筋圆孔之间。

本发明的静动态粘结滑移全过程曲线试验装置的试验方法，步骤如下：

1）：采用三角波进行液压伺服试验机（1）的位移P、I、D参数调试，使液压伺服试验机（1）作动器的位移反馈信号与指令信号重合；

2）：组装试件拉拔框架（2），将试件放入组装试件拉拔框架（2）内，通过固定保护卡（3）将LVDT安装于试件钢筋的自由端，用于测试钢筋与混凝土的相对滑移；

3）：采用三角波进行LVDT的P、I、D参数调试，三角波波峰值S_P处于粘结滑移关系线性上升范围内，使LVDT的位移反馈信号与指令信号重合；

4）：开始加载进行试验，加载方案分为两个阶段，第一阶段采用LVDT作为控制信号，LVDT控制目标值设为粘结最大荷载对应滑移值S _m的0.6～0.8倍，第二阶段采用液压伺服试验机（1）的位移作为控制信号，目标值大于滑移最大值，记录保存液压伺服试验机（1）的荷载值、位移值和LVDT值。

5）：试验结束后，处理数据得出粘结滑移全过程拔出荷载与滑移值的关系曲线。

有益效果

本发明采用液压伺服试验机能够按照位移和LVDT两种信号进行控制加载，试件拉拔框架能够将试验机的拉力转为钢筋从混凝土中的拔出荷载，球饺能够消除偏心的影响，LVDT固定保护卡方便LVDT的安装而且限位凸块能够保护LVDT，防止由于量程不足损坏LVDT。本发明提供的装置简单，可重复使用，操作方便。将整个加载方案分为两个阶段，第一阶段采用LVDT作为控制信号，可以消除试验装置各个环节间隙以及自身变形的影响，第二阶段采用位移作为控制信号，可以避免钢筋拔出过程中刚度变化的影响，在整个加载过程中获得稳定的滑移速率，从而能够研究不同滑移速率对粘结滑移本构关系的影响。

附图说明

图1是本发明静动态粘接滑移全过程曲线试验装置示意图；

图2是试件拉拔框架示意图；

图3是试件拉拔框架顶板的正视图；

图4是试件拉拔框架顶板的俯视图；

图5是试件拉拔框架底板的正视图；

图6是试件拉拔框架底板的俯视图；

图7是LVDT固定卡的正视图；

图8是LVDT固定卡的俯视图；

图9是LVDT与试件固定示意图；

图10是采用试验机位移控制得到的位移及钢筋滑移时程关系；

图11是采用LVDT作为控制信号时P、I、D参数调试波形示意图；

图12是LVDT控制P、I、D参数调试时峰值S _P示意图；

图13是采用LVDT控制得到的粘结滑移关系曲线；

图14是采用本发明得到的位移及滑移时程关系；

图15是采用本发明得到的不同滑移速率粘结滑移全过程关系曲线；

具体实施方式

如图1所示，一种静动态粘接滑移全过程曲线试验装置，包括液压伺服试验机1，试件拉拔框架2，LVDT固定保护卡3，球饺4；液压伺服试验机1包括至少一个或多个测试位移的LVDT11，能够采用液压伺服试验机1的位移和LVDT11两种信号进行试件钢筋与混凝土之间相对滑移的精确闭环控制；如图2～图8所示，试件拉拔框架2，由顶板21、底板22、螺杆23、螺帽24组装而成，顶板21和底板22在四角处设有能够穿过螺杆23的螺纹孔223，顶板21顶面连接有与球饺4适配的顶螺杆214，底板22中心位置设有穿过试样钢筋的圆孔224；LVDT固定保护卡3，包括用于穿过LVDT的圆孔31，穿过钢筋的钢筋圆孔32和用于保护LVDT的限位凸块33。

如图9所示，粘结滑移试件由钢筋和混凝土两部分组成，钢筋锚固在混凝土内，钢筋下端用于试验机夹持加载，钢筋上端不施加荷载，处于自由状态，称为自由端。采用LVDT固定保护卡3将LVDT与试件固定过程中，LVDT固定于试件的钢筋自由端，LVDT端部与混凝土压紧，使LVDT向内缩进位移s，调整LVDT固定保护卡3、LVDT和试件三者之间的相对位置，使限位凸块31与试件混凝土之间的距离L略小于LVDT的有效量程，即LVDT最大伸缩值S ₀与s的差值。

上述静动态粘接滑移全过程曲线试验装置的试验方法，包括以下步骤：

第一，采用液压伺服试验机(1)的位移作为控制信号，采用三角波调试P、I、D参数，使液压伺服试验机1能够按照位移进行精确控制；

第二，按照图2所示组装试件拉拔框架2，螺杆23穿过顶板21和底板22螺纹孔223，并采用螺帽24将螺杆23与顶板21及底板22固定，将粘结滑移试件钢筋穿过圆孔224与液压伺服试验机1的下夹头夹住，球饺4与顶板21上的顶螺杆214拧紧后与液压伺服试验机1的上夹头夹住；

第三，按照图9所示采用LVDT固定保护卡3将LVDT固定于试件的钢筋自由端，LVDT端部与混凝土压紧，使LVDT向内缩进位移s，调整LVDT固定保护卡3、LVDT和试件三者之间的相对位置，使限位凸块31与试件混凝土之间的距离L略小于LVDT有效量程，即LVDT最大伸缩值S ₀与s的差值；

经过步骤一至步骤三，如果采用试验机1位移作为控制信号进行加载，由于试件拉拔框架2各连接部分的间隙及受力变形，如图10所示，钢筋的滑移速率特别是在荷载上升阶段无法同位移的速率同步，因此需要采用钢筋滑移值及LVDT所测位移作为控制信号，从而需要经过本发明的第四步；

第四，采用LVDT作为控制信号，如图11和图12所示，采用三角波调试P、I、D参数，调试过程中钢筋处于拔出受拉状态，LVDT峰值S _P处于粘结滑移关系曲线线性上升段，使液压伺服试验机(1)能够按照LVDT进行精确控制；

由于钢筋与混凝土粘结拔出过程中荷载与滑移关系的刚度会出现较大变化，荷载上升段的刚度远大于荷载峰值处及荷载下降阶段，而P、I、D参数与试件的刚度密切相关，刚度的显著变化会影响控制效果，如果整个加载过程采用LVDT作为控制信号进行加载，如图13所示，钢筋拔出过程出现了明显抖动，导致试验失败。因此需要采用如下第五步进行加载。

第五，开始加载进行试验，加载方案分为两个阶段，为避免间隙及变形的影响从而能够得出恒定速率的钢筋滑移，第一阶段需采用LVDT作为控制信号，LVDT控制目标值设为粘结最大荷载对应滑移值S _m的0.6～0.8倍，在荷载接近峰值时，由于试件刚度发生变化而加载过程中P、I、D无法重新设置，因此第二阶段采用液压伺服试验机(1)的位移作为控制信号，目标值大于滑移最大值，记录液压伺服试验机(1)的荷载值、位移值和LVDT值。如图14所示，采用本发明提供的方法能够得到恒定速率的钢筋滑移值。

第六，试验结束后，处理数据得出粘结滑移全过程拔出荷载与滑移之间的关系曲线。如图15所示，为采用本发明得到的滑移速率分别为0.01mm/s和10mm/s时粘结应力与钢筋滑移值的全过程关系曲线。

Claims (5)

1.一种静动态粘结滑移全过程曲线试验装置，其特征在于：包括液压伺服试验机（1），试件拉拔框架（2），LVDT固定保护卡（3），球饺（4）；所述的液压伺服试验机（1）通过球饺（4）与试件拉拔框架（2）相连接，试件拉拔框架（2）用于固定试件，LVDT固定保护卡（3）布置在试件钢筋的自由端。

2.根据权利要求1所述的静动态粘结滑移全过程曲线试验装置，其特征在于：所述的液压伺服试验机（1）包括一个或若干个LVDT（11），液压伺服试验机（1）的位移信号与LVDT(11)的信号对钢筋与混凝土之间的相对滑移进行精确闭环控制。

3.根据权利要求1所述的静动态粘结滑移全过程曲线试验装置，其特征在于：所述的试件拉拔框架（2）包括顶板（21）、底板（22）、螺杆（23）；所述的顶板（21）与底板（22）四角处分别设有能够穿过螺杆（23）的螺纹孔（233）；顶板（21）顶端设有顶螺杆（214）；底板(22)中心位置设有圆孔(224)。

4.根据权利要求1所述的静动态粘结滑移全过程曲线试验装置，其特征在于：所述的LVDT固定保护卡（3）包括用于穿过LVDT的圆孔(31)，穿过钢筋的钢筋圆孔(32)与用于保护LVDT的限位凸块(33)；限位凸块(33)位于圆孔(31)和钢筋圆孔(32)之间。

5.利用权利要求1-4任意一项所述的静动态粘结滑移全过程曲线试验装置的试验方法，其特征在于：步骤如下：

1）：采用三角波进行液压伺服试验机（1）的位移P、I、D参数调试，使液压伺服试验机（1）作动器的位移反馈信号与指令信号重合；

2）：组装试件拉拔框架（2），将试件放入组装试件拉拔框架（2）内，通过固定保护卡（3）将LVDT安装于试件钢筋的自由端，用于测试钢筋与混凝土的相对滑移；

3）：采用三角波进行LVDT的P、I、D参数调试，三角波波峰值S_P处于粘结滑移关系线性上升范围内，使LVDT的位移反馈信号与指令信号重合；

4）：开始加载进行试验，加载方案分为两个阶段，第一阶段采用LVDT作为控制信号，LVDT控制目标值设为粘结最大荷载对应滑移值S _m的0.6～0.8倍，第二阶段采用液压伺服试验机（1）的位移作为控制信号，目标值大于滑移最大值，记录保存液压伺服试验机（1）的荷载值、位移值和LVDT值；

5）：试验结束后，处理数据得出粘结滑移全过程拔出荷载与滑移值的关系曲线。