CN108535100A - 一种钢筋混凝土试件的损伤定量评价方法 - Google Patents

一种钢筋混凝土试件的损伤定量评价方法 Download PDF

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Abstract

一种钢筋混凝土试件的损伤定量评价方法，包括以下步骤：第一步：试件浇筑；第二步：试验前的预处理；第三步：连接感应系统至动态应变仪，进行预加载；第四步：根据预定的反复加载规则施加荷载并记录应力‑应变数据，根据试验结束后卸载静置目标时间后读取混凝土表面的残余应变，计算出混凝土受拉疲劳损伤初始状态时的残余应变混凝土受拉破坏所对应的累计残余应变εrc和混凝土受拉疲劳荷载循环N次后的残余应变εr；第五步：基于混凝土的损伤发展规律与疲劳变形规律的一致性，采用残余应变法定量单轴拉伸混凝土的损伤定量。本发明提供一种操作简便、测试稳定性高的钢筋混凝土试件的损伤定量评价方法。

Description

一种钢筋混凝土试件的损伤定量评价方法
技术领域
本发明涉及带损伤混凝土材料性能研究技术领域，尤其涉及一种钢筋混凝土试件的损伤定量评价方法。
背景技术
服役过程中的混凝土结构都是在荷载和环境共同作用下工作的，无荷载作用下混凝土耐久性的研究成果不能合理反映结构所处的实际状态。混凝土结构在承受荷载作用的同时，往往经受海水、除冰盐和二氧化碳等侵蚀，在荷载与环境双重或多重因素耦合作用下，混凝土构筑物往往未达到设计年限就破坏的事故时有发生，由此带来的巨大经济损失和人员伤亡，已引起国内外的广泛关注。混凝土是典型的多孔材料，侵蚀介质正是通过混凝土孔隙侵入混凝土内部，由此导致钢筋锈蚀、混凝土保护层开裂，进而影响混凝土的服役性能。荷载作用对侵蚀介质向混凝土内传输的影响主要体现在：荷载损伤使混凝土内部产生微裂纹，从而加速了侵蚀介质在混凝土中的传输速率。
研究荷载作用对介质传输的影响，目前主要考虑持续荷载作用。又由于弯曲荷载加载容易，被广泛采用，并陆续出现了两根混凝土梁试件背对背持续加载、基于杠杆原理的持续加载等试验方法，以进行荷载作用下氯盐传输试验研究。然而，由于沿着钢筋混凝土梁截面高度荷载损伤程度不同，难以将荷载损伤对介质传输速率的影响进行定量分析，研究结果也只能得到一些定性的结论。从荷载作用对介质传输的影响来看，拉伸荷载对介质传输的影响最为突出。轴拉荷载作用下，混凝土试件中荷载损伤均匀，可以结合耐久性试验，有效的建立荷载作用与介质传输之间的关系为耐久性预测、结构设计提供参考。
跟轴心受压试验不同，直接拉伸试验由于需要将混凝土两端夹持存在很大困难，且难以实现试件轴心与试验机夹具中心对中，基于轴心受拉荷载施加的报道较为少见，目前主要采用的方法是将混凝土试件做成两端大头的“狗骨”试件以利于夹持，在试件与试验机交界处设置球铰来减少试件与试验机不能有效对中带来的误差。例如，中国专利公告号CN104330314A，申请公布日是2015年2月4日，名称为“用于超高温陶瓷高温直接拉伸强度测试装置的装夹机构”，中国专利授权公告号CN103175733B，授权公告日是2015年7月2日，名称为“不可压缩材料的直接拉伸试验夹具”，中国专利申请公布号CN103267682A，申请公布日是2013年8月28日，名称为“拉应力与环境耦合作用下材料徐变的测试装置及测试方法”，以及中国专利授权公告号CN2014 2 0400110.2，申请公布日是2015年1月14日，名称为“轴拉荷载作用下水泥基材料渗透性测试装置”。而中国专利申请公布号CN201510863028.2，申请公布日是2016年3月23日，名称为“混凝土构件施加轴向拉伸荷载的试验装置”发明了一种能够方便施加持续荷载，且可以将试验装置与试件同时置于盐水、盐雾等严酷环境同时进行试验的装置。随着科学研究的深入，科研工作需要面对和解决更加复杂、更接近于工程实际的科学问题，例如，钢筋混凝土桥梁要承受车辆反复加载而产生混凝土损伤累积，从而导致耐久性劣化。我国海岸线长、桥梁多，跨海大桥建设动辄上百亿投入，高速铁路建设中也大量采用了高架桥方式以利于列车平稳运行。要研究钢筋混凝土在反复加载条件下的损伤劣化过程，试验研究不可避免。然而，在查阅大量国内外文献和相关发明专利基础上，采用已有的轴拉试验装置进行混凝土反复拉伸加载，尤其是施加轴拉荷载较大时，往往经过较少的加载次数后混凝土试件即出现断裂破坏，与200万次反复加载目标相差甚远。经过反复查找原因发现，混凝土是一种非均匀材料，在浇筑成型过程中即会出现骨料分布不均、微裂缝等缺陷随机分布等问题。另外，由于混凝土试件几何中心与物理中心不重合的问题以及设备加载时出现偏心荷载，即便一次加载试验都难以获得有效的试验结果，而反复加载试验更难以成功。
可见，设计一种操作简单、方法可靠、成本低，可以使混凝土试件在反复加载条件下产生均匀受拉损伤的加载装置，并且给出定量评价混凝土损伤程度的方法，对研究反复加载条件下混凝土劣化过程至关重要。
发明内容
为了克服已有现有目前试验方法无法完成反复加载下混凝土轴拉损伤试验的不足，本发明提供一种操作简便、测试稳定性高的钢筋混凝土试件的损伤定量评价方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种钢筋混凝土试件的损伤定量评价方法，该损伤定量评价方法包括以下步骤：
第一步：试件浇筑：在钢筋两端分别加工出预设长度螺纹，将钢筋穿过模具长度方向侧模的预留孔以固定钢筋的位置，带螺纹部分裸露在外浇筑混凝土，拆模后置于养护室中养护；
第二步：试验前的预处理：试验前将试件从养护室中取出晾干，沿试件长度方向两对称侧面轴线位置布置感应系统，在试件两端头位置及中部沿长度方向隔设定距离均匀布置多功能自适应约束系统；
第三步：连接感应系统至动态应变仪，进行预加载；根据采集到的试件侧面对应位置的应变大小判断是否存在偏心荷载，将螺帽调整至试件侧面对应位置应变接近一致；
第四步：根据预定的反复加载规则施加荷载并记录应力-应变数据，根据试验结束后卸载静置目标时间后读取混凝土表面的残余应变，计算出混凝土受拉疲劳损伤初始状态时的残余应变εro、混凝土受拉破坏所对应的累计残余应变εrc和混凝土受拉疲劳荷载循环N次后的残余应变εr；
第五步：基于混凝土的损伤发展规律与疲劳变形规律的一致性，采用残余应变法定量单轴拉伸混凝土的损伤定量，其计算公式为：
式中，εr0为疲劳损伤初始状态时的残余应变，εrc为损伤破坏时的累积残余应变，εr为疲劳荷载循环N次后的残余应变。
进一步，所述第二步中，采用使混凝土产生均匀受拉损伤的装置，所述装置包括加载系统、球铰对中系统、钢筋混凝土试件、多功能自适应约束系统和感应系统，所述感应系统均匀对称粘贴在钢筋混凝土试件上，再将多功能自适应约束系统均匀固定在钢筋混凝土试件上；所述球铰对中系统对称安装在钢筋混凝土试件两端，所述球铰对中系统与加载系统连接。
再进一步，所述多功能自适应约束系统为钢筋混凝土试件施加侧向约束，所述多功能自适应约束系统采用自平衡体系加载，每个多功能自适应约束系统中的四个夹片进行铰接，每个夹片具有两个自由度，可进行水平方向旋转，直角夹片和弧形夹片可以互换；多功能自适应约束系统夹片与试件间布置高弹性、高耐久橡胶。
更进一步，所述钢筋混凝土试件两端各布置一个多功能自适应约束系统；所述多功能自适应约束系统适应矩形截面或圆形截面试件。
所述感应系统采用应变片或夹式引伸计或应变计与动态应变仪连接；感应系统在钢筋混凝土试件上对称均匀布置。
本试验装置适用于疲劳试验机MTS下产生疲劳损伤，也适用于静载下产生一次加载损伤。
本发明的技术构思为：基于钢筋混凝土共同工作原理，通过对钢筋混凝土试件施加轴向拉伸荷载取代素混凝土试件施加轴拉荷载，避免由于混凝土自身材料的不均匀性等局部缺陷导致试件加载断裂失效；本装置中球铰对中系统采用穿心式球铰以适应轴向拉伸试验，保证试件对中避免发生偏心受拉,进而产生均匀损伤；多功能自适应约束系统替代内置箍筋，多功能自适应约束系统可以在加载后移除，弥补传统素混凝土试件由于局部缺陷导致试验失败的缺陷，也为了保证切段分析混凝土中介质传输带来便利和提高多功能自适应约束系统的适用性；本装置采用可切换夹片和X型开槽的试件挂板，可以加载不同形状的试件和不同截面尺寸或钢筋间距的试件；本发明装置简单，操作方便，价格低廉，制作带损伤混凝土试件成功率极高，可以广泛应用于带损伤混凝土的介质传输研究，为制作带有某一确定损伤程度的混凝土试件提供了一种新的方法。
本发明的有益效果主要表现在：操作简便、测试稳定性高。
附图说明
图1为混凝土产生均匀轴拉损伤加载原理图；
图2为加载系统图；
图3为试件及感应系统粘贴位置正视图；
图4为试件及感应系统粘贴位置侧视图；
图5为球铰对中系统；
图6为球铰对中系统中的球头和球铰对中系统连接螺杆；
图7为球铰对中系统中的球铰连接板；
图8为球铰对中系统中的试件挂板；
图9为多功能自适应约束系统；
图10为多功能螺杆夹板装置正视图；
图11多功能螺杆夹板装置侧视图；
图12多功能螺杆夹板装置(弧形)；
图13钢筋混凝土梁应力-应变曲线，其中，(a)表示位置d的曲线，(b)表示位置g的曲线。
其中，1为加载系统、101为反力架装置、102为加载装置、103为上挂板、104为下座板、2为球铰对中系统、201为球铰连接板、202为试件挂板、203为条形孔、204为球铰对中系统挂杆、205为球铰对中系统连接螺杆与206为球头、3为钢筋混凝土试件、301为两端带螺纹钢筋、4为多功能自适应约束系统、400为正方形筒体、401为固定夹板，402为多功能螺杆夹板装置、403为螺杆、404为套筒、405为插销、406为第一钢板、407为第二钢板以及5为感应系统。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。
参照图1～图13，一种钢筋混凝土试件的损伤定量评价方法，该损伤定量评价方法包括以下步骤：
第一步：试件浇筑：在钢筋两端分别加工出预设长度螺纹，将钢筋穿过模具长度方向侧模的预留孔以固定钢筋的位置，带螺纹部分裸露在外浇筑混凝土，拆模后置于养护室中养护；
第二步：试验前的预处理：试验前将试件从养护室中取出晾干，沿试件长度方向两对称侧面轴线位置布置感应系统，在试件两端头位置及中部沿长度方向隔设定距离均匀布置多功能自适应约束系统；
第三步：连接感应系统至动态应变仪，进行预加载；根据采集到的试件侧面对应位置的应变大小判断是否存在偏心荷载，将螺帽调整至试件侧面对应位置应变接近一致；
第四步：根据预定的反复加载规则施加荷载并记录应力-应变数据，根据试验结束后卸载静置目标时间后读取混凝土表面的残余应变，计算出混凝土受拉疲劳损伤初始状态时的残余应变εro、混凝土受拉破坏所对应的累计残余应变εrc和混凝土受拉疲劳荷载循环N次后的残余应变εr；
第五步：基于混凝土的损伤发展规律与疲劳变形规律的一致性，采用残余应变法定量单轴拉伸混凝土的损伤定量，其计算公式为：
式中，εr0为疲劳损伤初始状态时的残余应变，εrc为损伤破坏时的累积残余应变，εr为疲劳荷载循环N次后的残余应变。
本实施例的方法采用的混凝土产生均匀受拉损伤的装置，由加载系统1、球铰对中系统2、钢筋混凝土试件3、多功能自适应约束系统4和感应系统5组成。
钢筋302两端分别加工出预设长度螺纹，将钢筋穿过模具长度方向侧模的预留孔以固定钢筋的位置，带螺纹部分裸露在外浇筑混凝土，拆模后置于养护室中养护。从养护室中取出晾干，沿试件长度方向两对称侧面轴线位置均匀布置长度合适的感应系统5，在试件两端头位置及中部沿长度方向隔一定距离均匀布置多功能自适应约束系统4。多功能自适应约束系统4具体使用方式：该系统中筒体400内侧两相邻面中部焊有固定夹板401，另外两个相邻面中部均开设有螺孔并螺纹连接多功能螺杆夹板装置402。先将多功能自适应约束系统4套在试件上，再通过旋转多功能螺杆夹板装置402对试件施加侧向约束，夹片与试件接触处垫有高弹性、高耐久的橡胶，以保证钢筋混凝土试件3均匀受压。球铰连接板201通过4根球铰对中系统挂杆204对称地与上挂板103和下底座104连接。然后将已布置好多功能自适应约束系统4的钢筋混凝土试件3两端钢筋301放入与下底板104相连的试件挂板202的四个条形螺孔内，通过目测使试件上端钢筋302对准上端的试件挂板202，调整试件位置使上下钢筋302都穿过试件挂板202的预留螺孔，拧上螺帽，并注意使各个螺帽的松紧程度适中。再将球头206套入球铰对中系统连接螺杆205，再将球铰对中系统连接螺杆205先旋入穿过球铰连接板201，再与试件挂板202对中螺接。试件挂板202和球铰连接板201之间拥有约100mm可上下调节的净空高度，保证钢筋混凝土梁3两端留出的带螺纹的带肋钢筋302在穿过试件挂板202上四个条形孔203进行固定时，钢筋不会挤压到球铰连接板201。接着就是将粘贴在钢筋混凝土试件3上的感应系统与应变仪连接，再启动试验机，进行预加载。根据采集到的试件侧面对应位置的应变大小判断是否存在偏心荷载，用扳手旋转螺帽调整至试件侧面对应位置应变接近一致。根据实验要求，用程序控制的方式进行混凝土均匀受拉损伤加载，计算机读取相应的应力应变值。最后通过相应的数据再进行损伤定量评价。
试验结束后，关闭电源，断开感应系统5与应变仪的连接并取下感应系统5。先拧出上端球铰对中系统连接螺杆205和连接上端试件挂板202的螺帽，取出试件挂板202，使得上端处于自由状态。接着拧开与下端试件挂板202的螺帽，拔出钢筋混凝土试件3。最后通过旋转多功能螺杆夹板装置402，解除多功能自适应约束系统4对钢筋混凝土试件3的约束，取出多功能自适应约束系统4。本装置可以循环使用，只需要按照上述步骤组装又可以进行下次试验。而且本装置又易于拆卸，只需要拧开各部位螺帽或球铰对中系统连接螺杆205，便完成拆卸。即使有部分零件损坏，也是可以进行二次替换，可见本发明装置简单，操作方便，价格低廉，制作带损伤混凝土试件成功率极高。
本实施例的工作过程为：
第一步：试件浇筑：首先按照试验方法要求制作钢筋混凝土试件3，试件的尺寸为120mm×120mm×1200mm的长方体试件，水灰比为0.53，配合比为水泥:水:砂子:粗骨料＝1:0.35:1.52:2.50。该实施例拌制混凝土的原材料：水泥为钱潮水泥厂生产的42.5#普通硅酸盐水泥，砂采用细度模数2.4的河砂，粗骨料采用连续级配的碎石(最大粒径25mm)，水采用自来水。混凝土试件用木模成型，振动台振捣密实，24h后脱模，在养护室中标准养护28d，设置养护室的温度为20℃、相对湿度为90％。钢筋直径采用12mm，长度为1.35m的带肋钢筋302，使钢筋在试件两端各留出75mm并将两端伸出部分分别加工成螺纹。
第二步：试验前的预处理：试验前将试件从养护室中取出晾干，再沿试件长度方向两对称侧面轴线位置均匀布置长度合适的感应系统5。然后在试件两端头位置及中部沿长度方向隔一定距离均匀布置多功能自适应约束系统4。
该实施例感应系统5：采用长为80mm、宽为6mm的箔式电阻应变片直接测量，在试件的两个自由面距离端部150mm，中间间隔300-500mm的中间部位，沿试件的长度方向用细砂纸打磨平整宽度不小于10mm的竖向带，用酒精棉将浮灰擦干净，待表面干燥后，然后用刀片在打磨完的位置刮上一薄层环氧树脂，待环氧树脂干燥后，再用502胶水将电阻应变片紧密粘贴在竖向带上，感应系统5对称粘贴于试件的两个自由面上，每面各为4片。
该实施例多功能自适应约束系统4：在试件两端头位置及中部沿长度方向隔一定距离均匀布置两个多功能自适应约束系统4。该系统采用240mm×240mm×120mm的正方形筒体400，该正方形筒体400内侧两相邻面中部焊有固定夹板401，另外两个相邻面的中部均开设有螺孔并螺纹连接多功能螺杆夹板装置402。先将多功能自适应约束系统4套在试件上，再通过旋转多功能螺杆夹板装置402对试件施加侧向约束，夹片与试件接触处垫有高弹性、高耐久的橡胶，以保证钢筋混凝土试件3均匀受压。
第三步：将已布置好的钢筋混凝土试件3的两端钢筋302放入与下底座105相连的试件挂板202的四个条形螺孔内，通过目测使试件上端钢筋302对准上端的试件挂板202，调整试件位置使上下钢筋302都穿过试件挂板202的预留螺孔，拧上螺帽，并注意使各个螺帽的松紧程度适中。连接感应系统5至应变仪，进行预加载。根据采集到的试件侧面对应位置的应变大小判断是否存在偏心荷载，用扳手旋转螺帽调整至试件侧面对应位置应变接近一致。
第四步：根据预定的反复加载规则施加荷载并记录应力-应变数据，根据试验结束后卸载静置5h后读取混凝土表面的残余应变，计算出混凝土受拉疲劳损伤初始状态时的残余应变εro、混凝土受拉破坏所对应的累计残余应变εrc和混凝土受拉疲劳荷载循环N次后的残余应变εr。
疲劳加载：竖向疲劳荷载由计算机程序控制，加载程序中包含疲劳荷载均值和幅值、波形和频率、数据采集的通道选择、数据格式和存储、系统内锁保护和停止等设置，这些参数均可在试验前建立的试验程序中进行设置。本试验设定最大荷载15KN，最小荷载6KN，加载次数定为50000次，加载频率为5Hz，采用正弦波形式等幅加载。
疲劳试验：通过预加2kN荷载消除支座等连接件间的不良接触，检查仪器工作是否正常。接着对混凝土梁施加拉力至14KN，然后卸载至7KN，通过反复50000次加载和卸载。
变形量测：在疲劳试验过程中，当达到设定的循环次数50000次后停止疲劳加载，控制程序缓慢卸载并采集试件残余应变。
疲劳试验完成后，采集各位置残余应变值，各位置a、b、c、d、e、f、g和h的残余应变值分别为28.8×10-6、29.2×10-6、36.7×10-6、43.7×10-6、31.3×10-6、35.5×10-6、34.4×10-6和39.7×10-6。
其中，该钢筋混凝土梁的应力-应变曲线如图13所示。
有文献指出，素混凝土受拉疲劳破坏前的最大总应变一般在95×10-6和110×10-6之间，这一数值接近混凝土静载受拉破坏时的极限应变。本试验考虑钢筋粘结应力的影响，提出假定：每种混凝土的破坏累计残余应变都为125×10-6，而且材料初始应变均为零。将混凝土不同位置残余应变代入残余应变公式，如下：
式中，εr0为疲劳损伤初始状态时的残余应变，εrc为损伤破坏时的累积残余应变，εr为疲劳荷载循环N次后的残余应变。
可得其疲劳损伤，各位置a、b、c、d、e、f、g和h的疲劳损伤分别为0.230、0.234、0.294、0.350、0.250、0.284、0.275和0.318。
最后，需要注意的是，以上列举的仅针对本发明的一个具体实施例，显然，本发明并不限制以上实施例。还可以有许多其他变形，本发明的保护范围也包括本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。

Claims (5)

1.一种钢筋混凝土试件的损伤定量评价方法，其特征在于：该损伤定量评价方法包括以下步骤：
第一步：试件浇筑：在钢筋两端分别加工出预设长度螺纹，将钢筋穿过模具长度方向侧模的预留孔以固定钢筋的位置，带螺纹部分裸露在外浇筑混凝土，拆模后置于养护室中养护；
第二步：试验前的预处理：试验前将试件从养护室中取出晾干，沿试件长度方向两对称侧面轴线位置布置感应系统，在试件两端头位置及中部沿长度方向隔设定距离均匀布置多功能自适应约束系统；
第三步：连接感应系统至动态应变仪，进行预加载；根据采集到的试件侧面对应位置的应变大小判断是否存在偏心荷载，将螺帽调整至试件侧面对应位置应变接近一致；
第四步：根据预定的反复加载规则施加荷载并记录应力-应变数据，根据试验结束后卸载静置目标时间后读取混凝土表面的残余应变，计算出混凝土受拉疲劳损伤初始状态时的残余应变εro、混凝土受拉破坏所对应的累计残余应变εrc和混凝土受拉疲劳荷载循环N次后的残余应变εr；
第五步：基于混凝土的损伤发展规律与疲劳变形规律的一致性，采用残余应变法定量单轴拉伸混凝土的损伤定量，其计算公式为：
式中，εr0为疲劳损伤初始状态时的残余应变，εrc为损伤破坏时的累积残余应变，εr为疲劳荷载循环N次后的残余应变。
2.如权利要求1所述的钢筋混凝土试件的损伤定量评价方法，其特征在于：所述第二步中，采用使混凝土产生均匀受拉损伤的装置，所述装置包括加载系统、球铰对中系统、钢筋混凝土试件、多功能自适应约束系统和感应系统，所述感应系统均匀对称粘贴在钢筋混凝土试件上，再将多功能自适应约束系统均匀固定在钢筋混凝土试件上；所述球铰对中系统对称安装在钢筋混凝土试件两端，所述球铰对中系统与加载系统连接。
3.如权利要求2所述的一种使混凝土产生均匀受拉损伤的装置，其特征在于：所述多功能自适应约束系统为钢筋混凝土试件施加侧向约束，所述多功能自适应约束系统采用自平衡体系加载，每个多功能自适应约束系统中的四个夹片进行铰接，每个夹片具有两个自由度，可进行水平方向旋转，直角夹片和弧形夹片可以互换；多功能自适应约束系统夹片与试件间布置高弹性、高耐久橡胶。
4.如权利要求2或3所述的一种使混凝土产生均匀受拉损伤的装置，其特征在于：所述钢筋混凝土试件两端各布置一个多功能自适应约束系统；所述多功能自适应约束系统适应矩形截面或圆形截面试件。
5.如权利要求2或3所述的一种使混凝土产生均匀受拉损伤的装置，其特征在于：所述感应系统采用应变片或夹式引伸计或应变计与动态应变仪连接；感应系统在钢筋混凝土试件上对称均匀布置。
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