CN108760495B - 弱刚度筋材双向受拉粘结试验装置及测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种弱刚度筋材双向受拉粘结试验装置及测试方法，试验装置，包括双向作动器、试件、反力框架和加载框架，所述试件包括混凝土试块和筋材，筋材贯穿混凝土试块且与混凝土试块粘结，所述双向作动器通过转换头可带动加载框架对混凝土试块施加沿筋材长度方向的双向作用力，当所述加载框架对混凝土试块施加沿筋材长度方向的作用力时，所述反力框架对筋材施加反向作用力。本发明可以测量弱刚度筋材与混凝土试块的相对滑移，从而建立弱刚度筋材在双向受力荷载作用下的粘结滑移本构关系，可以为实际工程提供可靠、真实的理论支撑。

Description

弱刚度筋材双向受拉粘结试验装置及测试方法

技术领域

本发明涉及结构工程技术领域，更具体地说是弱刚度筋材双向受拉粘结试验装置及测试方法。

背景技术

弱刚度筋材主要指钢绞线和FRP筋（纤维增强复合材料筋），它们具有良好的受拉性能，但是抗弯刚度较低，在轴向压力作用下容易产生侧向弯曲。钢绞线被广泛地应用到桥梁工程及大跨度空间结构中的预应力构件中，是目前工程中不可缺少的筋材；而FRP筋由于其轻质高强、耐腐蚀、低松弛和抗疲劳性能好等优点，被认为是替代钢筋的理想筋材。混凝土结构受力时之所以能够发挥混凝土的抗压性能和筋材的抗拉性能，主要在于混凝土与筋材之间存在粘结作用，二者得以协调变形、共同抵抗外力。因此，粘结性能是混凝土结构最基本的性能。

粘结性能通过粘结应力与相对滑移量的关系来表征，其对混凝土结构的影响主要为：在承载能力和正常使用极限状态下，筋材的抗拉强度能否得到充分发挥，取决于它和混凝土粘结的有效程度；粘结应力过小，会导致混凝土结构承载力降低；粘结滑移本构关系可以用来精准地确定筋材锚固长度范围或者搭接长度，参与结构的刚度及裂缝的计算，同时也是有限元分析的基本方程之一。

地震作用、风荷载及车辆荷载下，结构会承受反复的双向荷载，导致混凝土与筋材之间的粘结性能减弱，影响到结构的刚度、延性和承载力，最终造成结构破坏。因此，必须研究反复的双向荷载作用下筋材与混凝土之间的粘结性能，来判断筋材锚固长度范围或者搭接长度，同时对分析构件的恢复力特性具有极其重要的影响，也是准确进行地震作用下结构响应有限元分析的关键。

拉拔试验能够较为简便的测试钢筋与混凝土之间的粘结滑移性能，加载设备夹持钢筋端部并施加拉力或压力实现双向荷载的施加。但是对于FRP筋及钢绞线之类的弱刚度筋材，现有的拉拔试验装置存在以下缺点：首先，筋材受压时侧向弯曲过大，无法进行试验；其次，FRP筋材端部受到加载设备夹持时易碎，造成无法施加荷载，从而无法得到准确的粘结滑移本构关系。因此，非常需要一种能够测试弱刚度筋材在双向荷载作用下粘结滑移性能的试验装置，为实际工程提供可靠、真实的理论支撑。

发明内容

本发明的目的在于提供一种弱刚度筋材双向受拉粘结试验装置及测试方法，可以通过对混凝土试块施加往复双向受拉荷载，进而测量弱刚度筋材与混凝土试块的相对滑移，从而建立弱刚度筋材在双向受力荷载作用下的粘结滑移本构关系，可以为实际工程提供可靠、真实的理论支撑。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种弱刚度筋材双向受拉粘结试验装置，包括双向作动器1、试件2、反力框架3和加载框架4，所述试件2包括混凝土试块201和筋材202，筋材202贯穿混凝土试块201且与混凝土试块201粘结，所述双向作动器1通过转换头101可带动加载框架4对混凝土试块201施加沿筋材202长度方向的双向作用力，当所述加载框架4对混凝土试块201施加沿筋材202长度方向的作用力时，所述反力框架3对筋材202施加反向作用力。

所述试件2还包括固定在筋材202一端的第一筋材锚具203和固定在筋材202另一端的第二筋材锚具204，所述第一筋材锚具203和第二筋材锚具204均由钢套筒和高强灌浆料组成。

所述反力框架3包括第一支撑件31、第二支撑件32及多个撑杆33，第一支撑件31、第二支撑件32和撑杆33使筋材202处于拉紧状态，撑杆33的一端与第一支撑件31固定连接，撑杆33的另一端与第二支撑件32固定连接；所述混凝土试块201位于第一支撑件31、第二支撑件32之间，所述第一筋材锚具203位于在第一支撑件31的外侧，所述第二筋材锚具204位于第二支撑件32的外侧。

所述第一支撑件31、第二支撑件32均由外固定板和内固定板叠加组成，所述筋材202靠近第一支撑件31的一端依次穿过内固定板、外固定板且使第一筋材锚具203与第一支撑件31的外固定板抵接，靠近第二支撑件32的另一端依次穿过第二支撑件32的内固定板、外固定板且使第二筋材锚具204与第二支撑件32的外固定板抵接；

所述第一支撑件31、第二支撑件32的外固定板和内固定板的中部分别设有开口，外固定板开口与内固定板开口的开口方向相对，外固定板开口的内端位于外固定板中心，内固定板开口的内端位于内固定板中心；外固定板开口内端与内固定板开口内端组成了供所述筋材202穿过的通道，通道的内径大于所述筋材202的直径且小于所述第一筋材锚具203、第二筋材锚具204的外径。

所述加载框架4包括第三支撑件41、第四支撑件42及多个拉杆43，所述混凝土试块201位于所述第三支撑件41、第四支撑件42之间且被第三支撑件41、第四支撑件42夹紧，所述第三支撑件41、第四支撑件42均位于所述第一支撑件31、第二支撑件32之间且均固定在所述拉杆43靠近所述混凝土试块201的一端；所述第三支撑件41、第四支撑件42的长度均小于所述第一支撑件31、第二支撑件32的长度，所述第三支撑件41、第四支撑件42的宽度均大于所述第一支撑件31、第二支撑件32的宽度。

所述第三支撑件41、第四支撑件42均由外固定板和内固定板叠加组成，所述筋材202靠近第三支撑件41的一端依次穿过第三支撑件41内固定板、外固定板，靠近第四支撑件42的另一端依次穿过第四支撑件42的内固定板、外固定板；

所述第三支撑件41、第四支撑件42的外固定板和内固定板的中部分别设有开口，外固定板开口与内固定板开口的开口方向相对，外固定板开口的内端位于外固定板中心，内固定板开口的内端位于内固定板中心；外固定板开口内端与内固定板开口内端组成了供所述筋材202穿过的通道，通道的内径大于所述筋材202的直径且小于所述第一筋材锚具203、第二筋材锚具204的外径。

所述第三支撑件41、第四支撑件42内固定板的开口内均卡设有与开口形状相适配的插片，所述插片与混凝土试块201表面抵接且插片内端与开口内端围合成供所述筋材202穿过的通孔。

所述反力框架3通过靠近所述第二筋材锚具204的固定底座5进行固定，所述固定底座5由第一固定板501、第二固定板502和多个腹板503组成，所述腹板503均匀间隔固设在第一固定板501和第二固定板502之间，相邻的腹板503之间设有加劲肋504；所述第一固定板501中部设有供所述第二筋材锚具204穿过的通孔506。

所述混凝土试块201被筋材202穿过的两个表面上分别设有两个位移计7，位于同一侧的两个位移计7通过一个位移计夹具6进行固定，所述位移计7均沿筋材202长度方向布置；

所述位移计夹具6由第一夹板61和第二夹板62沿垂直于所述筋材202的方向拼接而成，第一夹板61和第二夹板62拼接处的中部设有供所述筋材202穿过的中心通孔63和与所述位移计7位置相对应的侧通孔64，靠近第三支撑件41的位移计7内端穿过所述侧通孔64后与所述第三支撑件41抵接，靠近第四支撑件42的位移计7内端穿过所述侧通孔64后与所述第四支撑件42抵接；所述第一夹板61和第二夹板62的侧面上均设有用于固定第一夹板61和第二夹板62的固定孔65，所述第一夹板61侧面上还设有用于紧固所述筋材202的紧固孔66、所述位移计7的紧固孔67。

弱刚度筋材的双向受拉粘结的测试方法，包括以下步骤：

（1）制作试件2：首先，根据混凝土试块201的尺寸制作木模，木模两个侧面各钻一孔，孔的位置由混凝土保护层厚度决定；接着将两段PVC套管205插入上述的孔中，两段PVC套管205内端的间距就是混凝土201与筋材202的粘结长度；然后将筋材202贯穿两段PVC套管205，调整好筋材202位置 ，保证PVC套管205与木模之间、筋材202与PVC套管205之间受力时位置无错动；然后将木模内的PVC套管205管口均进行密封，防止浇筑时混凝土进入PVC套管205内而导致筋材202与混凝土试块201之间的粘结长度增加；最后进行混凝土的浇筑，浇筑前，木模内表面及PVC套管205埋入混凝土试块201部分的外表面涂上脱模剂，拆模并拔出PVC套管205；最后制作筋材锚具203，将筋材竖向插入钢套筒，在钢套筒中浇入高强灌浆料，养护成型与筋材形成整体；

（2）将固定底座5固定于双向作动器1的龙门架下横梁上，固定底座5第二固定板502上均匀分布有四个固定孔505，固定孔505的位置取决于龙门架下横梁孔洞的位置，利用外六角螺栓穿过固定孔505与龙门架下横梁孔洞将固定底座5固定在龙门架下横梁上；

（3）组装反力框架3：利用外固定板和内固定板相向堆叠拼装第一支撑件31和第二支撑件32，在拼装第一支撑件31和第二支撑件32过程中，使筋材202穿过外固定板开口内端与内固定板开口内端组成的供筋材202穿过的通道；将撑杆33分别穿过第一支撑件31和第二支撑件32上的固定孔，接着调整第一支撑件31和第二支撑件32的间距，使筋材202处于拉紧状态，且第一筋材锚具203与第一支撑件31，第二筋材锚具204与第二支撑件32抵接；

（4）将反力框架3固定在第一固定板501上，并使第二筋材锚具204穿过第一固定板501中部的通孔506；

（5）组装加载框架4：利用外固定板和内固定板相向堆叠拼装第三支撑件41和第四支撑件42，在拼装第三支撑件41和第四支撑件42过程中，将插片插入内固定板对应的开口内；将拉杆43分别穿过第三支撑件41和第四支撑件42上的固定孔，接着调整第三支撑件41和第四支撑件42的位置，使第三支撑件41和第四支撑件42夹紧混凝土试块201；

（6）将加载框架4固定在双向作动器1的转换头101上；

（7）安装位移计夹具6及位移计7，将位移计夹具6的第一夹板61和第二夹板62对称夹在筋材202上，使筋材202穿过中心通孔63，使用螺栓旋入固定孔65，使第一夹板61和第二夹板62固定在一起；接着在侧通孔64中插入位移计7，使用螺栓旋入紧固孔67并压紧位移计7，使用螺栓旋入紧固孔66直至位移计夹具6牢固固定于筋材202上；

（8）开始试验，进行力—位移控制加载

加载方式为往复双向加载，双向受拉粘结试验前首先进行相同规格试件的单向拉拔试验，获得单向拉拔情况下混凝土与筋材间的极限粘结力Pmax。双向受拉粘结试验加载初期采用力控制加载，荷载级差为P，每级循环开始时初始荷载均为0，如第一次往复双向加载，由初始荷载0加载至荷载P，然后卸载至0，再反向加载至-P，随后卸载至0，完成一次双向加载，每级荷载循环1次；当荷载达到0.8Pmax时转为位移控制加载，位移控制时以Δs为位移级差进行往复拉压加载，Δs为力控制加载结束时的滑移值，位移控制加载时每级循环3次。

与现有技术相比，本发明的有益效果具体如下：

（1）本发明的试验装置根据力的作用与反作用原理，用双向作动器1通过加载框架4对混凝土试块201施加往复拉压荷载，当双向作动器1向混凝土试块201所在方向运动时，加载框架4带动混凝土试块201沿同一方向运动，反力框架3的第一支撑件31对第一筋材锚具203提供反方向的力；当双向作动器1向背离混凝土试块201所在方向运动时，加载框架4带动混凝土试块201沿同一方向运动，反力框架3的第二支撑件32对第二筋材锚具204提供反方向的力；在上述的两个加载过程，混凝土试块201与反力框架3保持静力平衡，可以较为简单地测试往复双向荷载作用下弱刚度筋材202与混凝土试块201之间双向的粘结滑移本构关系，本发明解决了传统试验无法测试往复的双向荷载作用下弱刚度筋材202与混凝土试块201之间粘结滑移本构关系的问题，因为传统的往复荷载作用下的粘结滑移性能试验通常采用万能压力机夹持钢筋端部，对钢筋施加反复的拉、压力，而弱刚度筋材由于在轴向压力下容易发生侧向弯曲而不能承受压力，造成无法进行试验。

（2）本发明试验装置的加载框架4与反力框架3垂直交叉布置，加载框架4的宽度大于反力框架3的宽度，加载框架4的长度小于反力框架3的长度，因此在加载方向上，加载框架4不会受到其他因素干扰，保证了试验的精确度。

（3）本发明试验装置可以准确测量混凝土试块201与筋材202之间的滑移，克服了加载过程中反力框架3与第一筋材锚具203或第二筋材锚具204之间产生的空隙对滑移的影响，保证了试验的精确度。

（4）本发明试验装置可以通过调节加载框架4第三支撑件41、第四支撑件42之间的间距来适应较多尺寸的混凝土试件201进行粘结滑移性能研究，适用范围广。

（5）本发明试验装置通过在第一支撑件31、第二支撑件32、第三支撑件41、第四支撑件42的外固定板和内固定板上均设置开口，可以实现先预制试件2，然后再安装试件2的试验顺序，本发明的加载框架4与反力框架3可反复利用，即本发明可完成大批量试件2的粘结滑移性能试验，很大程度上节省了试验成本。

（6）本发明试验装置在第三支撑件41、第四支撑件42的内固定板开口内均插入插片，插片可以避免内固定板开口的棱角与混凝土试块201接触部位产生集中应力，保证了试验的精确度。

（7）本发明试验装置位移计夹具6由第一夹板61和第二夹板62拼接而成，便于固定安装位移计7，解决了传统粘结滑移性能试验中，整体式位移计夹具6带来的麻烦。

（8）本发明试验装置在固定底座5上第一固定板501中部设置供第二筋材锚具204穿过的通孔506，有效利用了固定底座5的内部空间，降低了试验装置的高度，便于进行试验。

（9）本发明的测试方法操作简单、易于实施，通过试验装置对混凝土试块施加往复双向受拉荷载，进而测量出弱刚度筋材与混凝土试块的相对滑移，从而建立弱刚度筋材在双向受力荷载作用下的粘结滑移本构关系，可以为实际工程提供可靠、真实的理论支撑。

附图说明

图1为本发明试验装置的主视图；

图2为图1的侧视图；

图3为第一支撑件31的立体图；

图4为图3的俯视图；

图5为图3中第一外固定板311的俯视图；

图6为第三支撑件41的立体图；

图7为图6的俯视图；

图8为图6中第三外固定板411的俯视图；

图9为图1中第一插片44的俯视图；

图10为固定底座5的主视图；

图11为图10中沿A-A向的截面图；

图12为图10中第一固定板501的主视图；

图13为位移计夹具6的俯视图；

图14为图13中第一夹板61的主视图；

图15为图13中第二夹板62的后视图；

图16为试件2的结构示意图；

图17为试件2未拆除PVC套管205的结构示意图。

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。须知，本说明书附图所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

如图1至图17所示，弱刚度筋材双向受拉粘结试验装置，包括双向作动器1、试件2、反力框架3和加载框架4。所述试件2包括混凝土试块201和筋材202，筋材202贯穿混凝土试块201且与混凝土试块201粘结，所述双向作动器1通过转换头101可带动加载框架4对混凝土试块201施加沿筋材202长度方向的双向作用力，当所述加载框架4对混凝土试块201施加沿筋材202长度方向的作用力时，所述反力框架3对筋材202施加反向作用力。

所述试件2还包括固定在筋材202一端的第一筋材锚具203和固定在筋材202另一端的第二筋材锚具204，所述第一筋材锚具203和第二筋材锚具204均由钢套筒和高强灌浆料组成。

所述反力框架3包括第一支撑件31、第二支撑件32及多个撑杆33，撑杆33可以采用强度高、韧性较好且成本较低的螺杆来制作。撑杆33的一端与第一支撑件31固定连接，撑杆33的另一端与第二支撑件32固定连接；所述混凝土试块201位于第一支撑件31、第二支撑件32之间，所述第一筋材锚具203位于在第一支撑件31的外侧，所述第二筋材锚具204位于第二支撑件32的外侧。

所述第一支撑件31由第一外固定板311和第一内固定板312叠加组成，第二支撑件32由第二外固定板321和第二内固定板322叠加组成，所述筋材202靠近第一支撑件31的一端依次穿过第一内固定板312、第一外固定板311且使第一筋材锚具203与第一外固定板311抵接，靠近第二支撑件32的另一端依次穿过第二支撑件32的第二内固定板322、第二外固定板321且使第二筋材锚具204与第二外固定板321抵接。

所述第一外固定板311中部设有第一开口313，所述第一开口313的内端位于第一外固定板311的中心；所述第一内固定板312中部设有第二开口，所述第二开口的内端位于第一内固定板312的中心，所述第一开口313与所述第二开口的开口方向相反，第一开口313内端的位置与第二开口内端的位置相对应，第一开口313内端与第二开口内端组成了供所述筋材202一端穿过的第一通道314，所述第一通道314的内径大于所述筋材202的直径且小于所述第一筋材锚具203的外径；所述第二外固定板321中部设有第三开口，所述第三开口的内端位于第二外固定板321的中心；所述第二内固定板322中部设有第四开口，所述第四开口的内端位于第二内固定板322的中心，所述第三开口与所述第四开口的开口方向相反，第三开口内端的位置与第四开口内端的位置相对应，第三开口内端与第四开口内端组成了供所述筋材202另一端穿过的第二通道，所述第二通道的内径大于所述筋材202的直径且小于所述第二筋材锚具204的外径。

所述加载框架4包括第三支撑件41、第四支撑件42及多个拉杆43，拉杆43可以采用强度高、韧性较好且成本较低的螺杆来制作。所述混凝土试块201位于所述第三支撑件41、第四支撑件42之间且被第三支撑件41、第四支撑件42夹紧。所述第三支撑件41、第四支撑件42均位于所述第一支撑件31、第二支撑件32之间且均固定在所述拉杆43靠近所述混凝土试块201的一端。所述第三支撑件41沿所述混凝土试块201长度方向的长度小于所述第一支撑件31、第二支撑件32沿所述混凝土试块201长度方向的长度，所述第三支撑件41沿所述混凝土试块201宽度方向的宽度大于所述第一支撑件31、第二支撑件32沿所述混凝土试块201宽度方向的宽度；所述第四支撑件42沿所述混凝土试块201长度方向的长度小于所述第一支撑件31、第二支撑件32沿所述混凝土试块201长度方向的长度，所述第四支撑件42沿所述混凝土试块201宽度方向的宽度大于所述第一支撑件31、第二支撑件32沿所述混凝土试块201宽度方向的宽度，综合来说，加载框架4的宽度大于反力框架3的宽度，加载框架4的长度小于反力框架3的长度，因此在加载方向上，加载框架4不会受到其他因素干扰，保证了试验的精确度。第三支撑件41和第四支撑件42之间的间距可调，因此可以适应较多尺寸的混凝土试件201进行粘结滑移性能研究，适用范围广。

所述第三支撑件41由第三外固定板411和第三内固定板412叠加组成，第四支撑件42由第四外固定板421和第四内固定板422叠加组成，所述筋材202靠近第三支撑件41的一端依次穿过第三内固定板412、第三外固定板411，靠近第四支撑件42的另一端依次穿过第四支撑件42的第四内固定板422、第四外固定板421。

所述第三外固定板411中部设有第五开口413，所述第五开口413的内端位于第三外固定板411的中心；所述第三内固定板412中部设有第六开口，所述第六开口的内端位于第三内固定板412的中心，所述第五开口413与所述第六开口的开口方向相反，第五开口413内端的位置与第六开口内端的位置相对应，第五开口413内端与第六开口内端组成了供所述筋材202一端穿过的第三通道414，所述第三通道414的内径大于所述筋材202的直径且小于所述第一筋材锚具203的外径；所述第四外固定板421中部设有第七开口，所述第七开口的内端位于第四外固定板421的中心；所述第四内固定板422中部设有第八开口，所述第八开口的内端位于第四内固定板422的中心，所述第七开口与所述第八开口的开口方向相反，第七开口内端的位置与第八开口内端的位置相对应，第七开口内端与第八开口内端组成了供所述筋材202另一端穿过的第四通道，所述第四通道的内径大于所述筋材202的直径且小于所述第二筋材锚具204的外径。

所述第六开口内卡设有所述第六开口形状相适配的第一插片44，所述第一插片44与混凝土试块201表面抵接且第一插片44内端与所述第六开口内端围合成供所述筋材202一端穿过的通孔；所述第八开口内卡设有所述第八开口形状相适配的第二插片45，所述第二插片45与混凝土试块201表面抵接且第二插片45内端与所述第八开口内端围合成供所述筋材202另一端穿过的通孔。第一插片44和第二插片45可以采用钢片来制作，可以避免第六开口和第八开口的棱角与混凝土试块201接触部位产生集中应力，保证了试验的精确度。

所述反力框架3通过靠近所述第二筋材锚具204的固定底座5进行固定，所述固定底座5由第一固定板501、第二固定板502和多个腹板503组成，所述腹板503均匀间隔固设在第一固定板501和第二固定板502之间，相邻的腹板503之间设有加劲肋504；所述第一固定板501中部设有供所述第二筋材锚具204穿过的通孔506。

所述混凝土试块201被筋材202穿过的两个表面上分别设有两个位移计7，位于同一侧的两个位移计7通过一个位移计夹具6进行固定，所述位移计7均沿筋材202长度方向布置。所述位移计夹具6由第一夹板61和第二夹板62沿垂直于所述筋材202的方向拼接而成，第一夹板61和第二夹板62拼接处的中部设有供所述筋材202穿过的中心通孔63和与所述位移计7位置相对应的侧通孔64，靠近第三支撑件41的位移计7内端穿过所述侧通孔64后与所述第三支撑件41的第三外固定板411抵接，靠近第四支撑件42的位移计7内端穿过所述侧通孔64后与所述第四支撑件42的第四外固定板421抵接；所述第一夹板61和第二夹板62的侧面上均设有用于固定第一夹板61和第二夹板62的固定孔65，所述第一夹板61侧面上还设有用于紧固所述筋材202、所述位移计7的紧固孔66、67。由于混凝土试块201的双向受拉过程中，第三支撑件41、第四支撑件42与混凝土试块201之间的相对位移可以忽略不计，因此，位移计7直接与第三支撑件41、第四支撑件42接触就可以，此方式为本技术领域的常识，在此不再赘述。

弱刚度筋材的双向受拉粘结的测试方法，包括以下步骤：

（1）制作试件2：首先，根据混凝土试块201的尺寸制作木模，木模两个侧面各钻一孔，孔的位置由混凝土保护层厚度决定；接着将两段PVC套管205插入上述的孔中，两段PVC套管205内端的间距就是混凝土201与筋材202的粘结长度；然后将筋材202贯穿两段PVC套管205，调整好筋材202位置 ，保证PVC套管205与木模之间、筋材202与PVC套管205之间受力时位置无错动；然后将木模内的PVC套管205管口均进行密封，防止浇筑时混凝土进入PVC套管205内而导致筋材202与混凝土试块201之间的粘结长度增加；最后进行混凝土的浇筑，浇筑前，木模内表面及PVC套管205埋入混凝土试块201部分的外表面涂上脱模剂，浇筑混凝土后养护成型如图17，拆模并拔出PVC套管205。最后制作筋材锚具203，将筋材竖向插入钢套筒，在钢套筒中浇入高强灌浆料，养护成型与筋材形成整体。

（2）将固定底座5固定于双向作动器1的龙门架下横梁上（图中未示出），固定底座5第二固定板502上均匀分布有四个固定孔505，固定孔505的位置取决于龙门架下横梁孔洞的位置，利用外六角螺栓穿过固定孔505与龙门架下横梁孔洞将固定底座5固定在龙门架下横梁上。

（3）组装反力框架3：将第一外固定板311和第一内固定板312相向堆叠拼装成第一支撑件31（如图 3所示），在拼装第一支撑件31过程中，依靠第一开口313和第二开口使试件2靠近双向作动器1一侧的部分筋材202穿过第一开口313和第二开口的内端；将第二外固定板321和第二内固定板322相向堆叠拼装成第二支撑件32，在拼装第二支撑件32过程中，依靠第三开口和第四开口使试件2远离双向作动器1一侧的部分筋材202穿过第三开口和第四开口的内端；将四个撑杆33分别穿过第一外固定板311、第一内固定板312、第二外固定板321和第二内固定板322上的固定孔，接着调整第一外固定板311、第一内固定板312、第二外固定板321和第二内固定板322的位置，使用螺母固定，保证第一筋材锚具203和第二筋材锚具204分别与第一外固定板311、第二外固定板321抵接，使筋材202处于拉紧状态。

（4）将反力框架3固定在第一固定板501上，并使第二筋材锚具204穿过第一固定板501中部的通孔506。

（5）组装加载框架4：将第三内固定板412放置在混凝土试块201一个表面上，并使筋材202穿过第六开口的内端，接着按照第五开口413与第六开口相向的方向堆叠第三外固定板411，第三外固定板411和第三内固定板412组成第三支撑件41，在拼装第三支撑件41过程中，将第一插片44插入第六开口内；同样的方法拼装第四支撑件42，在拼装第三支撑件42过程中，将第二插片45插入第八开口内；第一插片44和第二插片45可以避免第六开口和第八开口的棱角与混凝土试块201接触部位产生集中应力。将四个拉杆43分别穿过第三外固定板411、第三内固定板412、第四外固定板421和第四内固定板422上的固定孔，接着调整第三外固定板411、第三内固定板412、第四外固定板421和第四内固定板422的位置，使第三内固定板412、第四外固定板421分别与混凝土试块201对应的表面抵接。

（6）将加载框架4固定在双向作动器1的转换头101上。

（7）安装位移计夹具6及位移计7，将位移计夹具6的第一夹板61和第二夹板62对称夹在筋材202上，使筋材202穿过中心通孔63，使用螺栓旋入固定孔65，使第一夹板61和第二夹板62固定在一起；接着在侧通孔64中插入位移计7，使用螺栓旋入紧固孔67并压紧位移计7，使用螺栓旋入紧固孔66直至位移计夹具6牢固固定于筋材202上。

（8）开始试验，进行力—位移控制加载

加载方式为往复双向加载，双向受拉粘结试验前首先进行相同规格试件的单向拉拔试验，获得单向拉拔情况下混凝土与筋材间的极限粘结力Pmax。双向受拉粘结试验加载初期采用力控制加载，荷载级差为P，每级循环开始时初始荷载均为0，如第一次往复双向加载，由初始荷载0加载至荷载P，然后卸载至0，再反向加载至-P，随后卸载至0，完成一次双向加载，每级荷载循环1次；当荷载达到0.8Pmax时转为位移控制加载，位移控制时以Δs为位移级差进行往复拉压加载，Δs为力控制加载结束时的滑移值，位移控制加载时每级循环3次。

试验结束后进行试验数据处理与分析：

（1）平均粘结应力τ的计算：τ=P/πDL，式中P为双向作动器对混凝土试块的拉力或压力，D为筋材直径，L为粘结长度。

（2）相对滑移平均值的计算：st=(s1+s2-2s_J1)/2、sb=(s3+s4-2s_J2)，式中，st为位于混凝土试块201靠近双向作动器1一侧的两个位移计7测得的相对滑移平均值，s1、s2分别为位于混凝土试块201靠近双向作动器1一侧的两个位移计7测得的数值，s_J1为混凝土试块201靠近双向作动器1一侧的位移计夹具6固定点至混凝土试块201相对应表面之间的筋材变形量；sb为位于混凝土试块201远离双向作动器1一侧的两个位移计7测得的相对滑移平均值，s3、s4分别为位于混凝土试块201远离双向作动器1一侧的两个位移计7测得的数值，s_J2为混凝土试块201远离双向作动器1一侧的位移计夹具6固定点至混凝土试块201相对应表面之间的筋材变形量。

（3）筋材变形量的计算：s_J=P_L0/EA，式中L0为位移计夹具6固定点至混凝土试块201相对应表面之间筋材的长度，E为筋材弹性模量，A为筋材的横截面面积。

（4）绘制粘结应力-滑移滞回曲线

以平均粘结应力为纵坐标，相对滑移平均值为横坐标绘制双向受拉荷载作用下的粘结应力-滑移曲线，通过分析计算得到双向受拉荷载作用下弱刚度筋材与混凝土的粘结-滑移本构关系。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (6)

1.弱刚度筋材双向受拉粘结试验装置，其特征在于：包括双向作动器（1）、试件（2）、反力框架（3）和加载框架（4），所述试件（2）包括混凝土试块（201）和筋材（202），筋材（202）贯穿混凝土试块（201）且与混凝土试块（201）粘结，所述双向作动器（1）通过转换头（101）可带动加载框架（4）对混凝土试块（201）施加沿筋材（202）长度方向的双向作用力，当所述加载框架（4）对混凝土试块（201）施加沿筋材（202）长度方向的作用力时，所述反力框架（3）对筋材（202）施加反向作用力；

所述试件（2）还包括固定在筋材（202）一端的第一筋材锚具（203）和固定在筋材（202）另一端的第二筋材锚具（204），所述第一筋材锚具（203）和第二筋材锚具（204）均由钢套筒和高强灌浆料组成；

所述反力框架（3）包括第一支撑件（31）、第二支撑件（32）及多个撑杆（33），第一支撑件（31）、第二支撑件（32）和撑杆（33）使筋材（202）处于拉紧状态，撑杆（33）的一端与第一支撑件（31）固定连接，撑杆（33）的另一端与第二支撑件（32）固定连接；所述混凝土试块（201）位于第一支撑件（31）、第二支撑件（32）之间，所述第一筋材锚具（203）位于在第一支撑件（31）的外侧，所述第二筋材锚具（204）位于第二支撑件（32）的外侧；

所述第一支撑件（31）、第二支撑件（32）均由外固定板和内固定板叠加组成，所述筋材（202）靠近第一支撑件（31）的一端依次穿过内固定板、外固定板且使第一筋材锚具（203）与第一支撑件（31）的外固定板抵接，靠近第二支撑件（32）的另一端依次穿过第二支撑件（32）的内固定板、外固定板且使第二筋材锚具（204）与第二支撑件（32）的外固定板抵接；

所述第一支撑件（31）、第二支撑件（32）的外固定板和内固定板的中部分别设有开口，外固定板开口与内固定板开口的开口方向相对，外固定板开口的内端位于外固定板中心，内固定板开口的内端位于内固定板中心；外固定板开口内端与内固定板开口内端组成了供所述筋材（202）穿过的通道，通道的内径大于所述筋材（202）的直径且小于所述第一筋材锚具（203）、第二筋材锚具（204）的外径；

所述加载框架（4）包括第三支撑件（41）、第四支撑件（42）及多个拉杆（43），所述混凝土试块（201）位于所述第三支撑件（41）、第四支撑件（42）之间且被第三支撑件（41）、第四支撑件（42）夹紧，所述第三支撑件（41）、第四支撑件（42）均位于所述第一支撑件（31）、第二支撑件（32）之间且均固定在所述拉杆（43）靠近所述混凝土试块（201）的一端；所述第三支撑件（41）、第四支撑件（42）的长度均小于所述第一支撑件（31）、第二支撑件（32）的长度，所述第三支撑件（41）、第四支撑件（42）的宽度均大于所述第一支撑件（31）、第二支撑件（32）的宽度。

2.根据权利要求1所述的弱刚度筋材双向受拉粘结试验装置，其特征在于：所述第三支撑件（41）、第四支撑件（42）均由外固定板和内固定板叠加组成，所述筋材（202）靠近第三支撑件（41）的一端依次穿过第三支撑件（41）内固定板、外固定板，靠近第四支撑件（42）的另一端依次穿过第四支撑件（42）的内固定板、外固定板；

所述第三支撑件（41）、第四支撑件（42）的外固定板和内固定板的中部分别设有开口，外固定板开口与内固定板开口的开口方向相对，外固定板开口的内端位于外固定板中心，内固定板开口的内端位于内固定板中心；外固定板开口内端与内固定板开口内端组成了供所述筋材（202）穿过的通道，通道的内径大于所述筋材（202）的直径且小于所述第一筋材锚具（203）、第二筋材锚具（204）的外径。

3.根据权利要求2所述的弱刚度筋材双向受拉粘结试验装置，其特征在于：所述第三支撑件（41）、第四支撑件（42）内固定板的开口内均卡设有与开口形状相适配的插片，所述插片与混凝土试块（201）表面抵接且插片内端与开口内端围合成供所述筋材（202）穿过的通孔。

4.根据权利要求1所述的弱刚度筋材双向受拉粘结试验装置，其特征在于：所述反力框架（3）通过靠近所述第二筋材锚具（204）的固定底座（5）进行固定，所述固定底座（5）由第一固定板（501）、第二固定板（502）和多个腹板（503）组成，所述腹板（503）均匀间隔固设在第一固定板（501）和第二固定板（502）之间，相邻的腹板（503）之间设有加劲肋（504）；所述第一固定板（501）中部设有供所述第二筋材锚具（204）穿过的通孔（506）。

5.根据权利要求1所述的弱刚度筋材双向受拉粘结试验装置，其特征在于：所述混凝土试块（201）被筋材（202）穿过的两个表面上分别设有两个位移计（7），位于同一侧的两个位移计（7）通过一个位移计夹具（6）进行固定，所述位移计（7）均沿筋材（202）长度方向布置；

所述位移计夹具（6）由第一夹板（61）和第二夹板（62）沿垂直于所述筋材（202）的方向拼接而成，第一夹板（61）和第二夹板（62）拼接处的中部设有供所述筋材（202）穿过的中心通孔（63）和与所述位移计（7）位置相对应的侧通孔（64），靠近第三支撑件（41）的位移计（7）内端穿过所述侧通孔（64）后与所述第三支撑件（41）抵接，靠近第四支撑件（42）的位移计（7）内端穿过所述侧通孔（64）后与所述第四支撑件（42）抵接；所述第一夹板（61）和第二夹板（62）的侧面上均设有用于固定第一夹板（61）和第二夹板（62）的固定孔（65），所述第一夹板（61）侧面上还设有用于紧固所述筋材（202）的紧固孔（66）、所述位移计（7）的紧固孔（67）。

6.弱刚度筋材的双向受拉粘结的测试方法，基于权利要求1至5任一项所述的试验装置，其特征在于：包括以下步骤，

（1）制作试件（2）：首先，根据混凝土试块（201）的尺寸制作木模，木模两个侧面各钻一孔，孔的位置由混凝土保护层厚度决定；接着将两段PVC套管（205）插入上述的孔中，两段PVC套管（205）内端的间距就是混凝土（201）与筋材（202）的粘结长度；然后将筋材（202）贯穿两段PVC套管（205），调整好筋材（202）位置 ，保证PVC套管（205）与木模之间、筋材（202）与PVC套管（205）之间受力时位置无错动；然后将木模内的PVC套管（205）管口均进行密封，防止浇筑时混凝土进入PVC套管（205）内而导致筋材（202）与混凝土试块（201）之间的粘结长度增加；最后进行混凝土的浇筑，浇筑前，木模内表面及PVC套管（205）埋入混凝土试块（201）部分的外表面涂上脱模剂，拆模并拔出PVC套管（205）；最后制作筋材锚具（203），将筋材竖向插入钢套筒，在钢套筒中浇入高强灌浆料，养护成型与筋材形成整体；

（2）将固定底座（5）固定于双向作动器（1）的龙门架下横梁上，固定底座（5）第二固定板（502）上均匀分布有四个固定孔（505），固定孔（505）的位置取决于龙门架下横梁孔洞的位置，利用外六角螺栓穿过固定孔（505）与龙门架下横梁孔洞将固定底座（5）固定在龙门架下横梁上；

（3）组装反力框架（3）：利用外固定板和内固定板相向堆叠拼装第一支撑件（31）和第二支撑件（32），在拼装第一支撑件（31）和第二支撑件（32）过程中，使筋材（202）穿过外固定板开口内端与内固定板开口内端组成的供筋材（202）穿过的通道；将撑杆（33）分别穿过第一支撑件（31）和第二支撑件（32）上的固定孔，接着调整第一支撑件（31）和第二支撑件（32）的间距，使筋材（202）处于拉紧状态，且第一筋材锚具（203）与第一支撑件（31），第二筋材锚具（204）与第二支撑件（32）抵接；

（4）将反力框架（3）固定在第一固定板（501）上，并使第二筋材锚具（204）穿过第一固定板（501）中部的通孔（506）；

（5）组装加载框架（4）：利用外固定板和内固定板相向堆叠拼装第三支撑件（41）和第四支撑件（42），在拼装第三支撑件（41）和第四支撑件（42）过程中，将插片插入内固定板对应的开口内；将拉杆（43）分别穿过第三支撑件（41）和第四支撑件（42）上的固定孔，接着调整第三支撑件（41）和第四支撑件（42）的位置，使第三支撑件（41）和第四支撑件（42）夹紧混凝土试块（201）；

（6）将加载框架（4）固定在双向作动器（1）的转换头（101）上；

（7）安装位移计夹具（6）及位移计（7），将位移计夹具（6）的第一夹板（61）和第二夹板（62）对称夹在筋材（202）上，使筋材（202）穿过中心通孔（63），使用螺栓旋入固定孔（65），使第一夹板（61）和第二夹板（62）固定在一起；接着在侧通孔（64）中插入位移计（7），使用螺栓旋入紧固孔（67）并压紧位移计（7），使用螺栓旋入紧固孔（66）直至位移计夹具（6）牢固固定于筋材（202）上；

（8）开始试验，进行力—位移控制加载

加载方式为往复双向加载，双向受拉粘结试验前首先进行相同规格试件的单向拉拔试验，获得单向拉拔情况下混凝土与筋材间的极限粘结力Pmax；双向受拉粘结试验加载初期采用力控制加载，荷载级差为P，每级循环开始时初始荷载均为0，如第一次往复双向加载，由初始荷载0加载至荷载P，然后卸载至0，再反向加载至-P，随后卸载至0，完成一次双向加载，每级荷载循环1次；当荷载达到0.8Pmax时转为位移控制加载，位移控制时以Δs为位移级差进行往复拉压加载，Δs为力控制加载结束时的滑移值，位移控制加载时每级循环3次。