CN110132840A - 基于自平衡原理的压型钢板与混凝土水平粘结力测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于自平衡原理的压型钢板与混凝土水平粘结力测量装置，用以压型钢板与混凝土水平粘结力测量试验，测量方法简单，测量数据丰富，测量结果准确。该装置主要包括加载系统、导向系统、测量系统以及显示分析系统，其构造简单，便于安装，且装置采用DIC方法测量应变，测量方法简单，测量内容丰富；此外，本发明装置为自平衡系统，省去了反力墙这一体型大而复杂的装置，并且两端加载的方式解决了压型钢板局部锚固的难题；其中导向系统确保了加载方向为水平方向，测量粘结力为压型钢板与混凝土间水平粘结力，测量结果准确。

Description

基于自平衡原理的压型钢板与混凝土水平粘结力测量装置

技术领域

本发明属于桥梁工程测量技术领域，具体涉及一种基于自平衡原理的压型钢板与混凝土水平粘结力测量装置。

背景技术

压型钢板-混凝土组合截面作为工程建设中的一种常用截面，广泛用于楼面板，桥面板等工程结构上。相较于普通的钢筋混凝土结构，压型钢板-混凝土组合结构有着以下显著优势：(1)在施工阶段，组合桥面板中的钢板可以承担部分施工荷载，起到模板作用，还可以免除模板拆卸，且组合桥面板部分可以预制，大大简化了施工工序，保证了施工质量。(2)在使用阶段，组合桥面板的钢板被用作混凝土的受拉部分，可以抵抗板体截面的正弯矩，与混凝土一起共同提高抗承载能力，可只布置抵抗混凝土收缩和温度影响的构造筋以及支座处的负弯矩区的受拉钢筋，大大减少了钢筋用量。

研究表明，压型钢板-混凝土组合截面一般会发生竖向剪切，正截面受弯，纵向水平剪切破坏三种破坏模式，这其中纵向水平剪切破坏较为常见，反映了压型钢板与混凝土间粘结力的大小。提高压型钢板与混凝土间粘结力的大小，能够提高压型钢板与混凝土间的组合效应，进而提高压型钢板-混凝土组合截面的承载能力。工程应用中，往往通过在交界面设置剪力连接件的形式增强其界面间粘结力，提高纵向剪切承载力。对于压型钢板与混凝土的连接件，一般采用较多的是预埋焊钉连接件，开孔板焊接连接件。近年来不断出现新的剪力连接件的形式，对于新的剪力连接件形式以及不同剪力连接件的布置方式，在实际工程应用前往往需要经过实验验证连接是否可靠，这其中最主要的便是测量压型钢板和混凝土的纵向剪切承载力，因此，通过实验测量压型钢板与混凝土间水平粘结力尤为重要。

为测量压型钢板与混凝土间水平粘结力，大部分学者采取竖向加载的方式进行测量，测量流程大致为：预制压型钢板-混凝土组合构件，预制过程中预埋测量混凝土应变与压型钢板应变的应变片；安装压型钢板-混凝土组合构件至预定定位置，一般采取简支的布置形式；安装位移计及加载装置，加载装置一般采用千斤顶，通过分配梁实现压型钢板-混凝土组合构件的多点竖直加载；逐级施加荷载并测量预埋应变片的应变值，位移计的位移值，加载装置的加载力的大小，进而输出各种测量结果。通过此种测量方式，能够通过相关计算公式求得混凝土与压型钢板间的粘结力大小，进而得出压型钢板与混凝土间粘结力-滑移位移曲线，得出构件在破坏时的压型钢板-混凝土界面间粘结力大小。但是，此种实验方式测量压型钢板与混凝土间粘结力，构件实际受力为受弯，通过相关公式求得界面间粘结力并不直观。实验数据的丰富度取决于预埋应变片的多少，想要取得较多地方的应变，必须埋设较多应变片，使得构件预制过程较为繁琐，且应变片数量越多，应变片失效概率越大，可能会对实验结果产生较大误差。在加载过程中，观察裂缝发展时，由于构件本身受弯会产生一定数量受弯裂缝，与交界面剪切裂缝混杂在一起，不利于观察交界面受剪裂缝。因此，该实验装置及其配套的实验方案虽然较为成熟，应用较多，但对于实验人员的实验经验有较高要求。

为测量剪力连接件性能，也有学者采用了抗剪连接件推出实验。这种实验方式采用的装置主要包括作动器，加载钢梁，位移计，力传感器，夹具等，实验装置如图1(a)和图1(b)所示。测量流程大致为：预制及安装构件；安装位移计及传感器等测量装置；通过作动器的活塞下伸，下压加载钢梁，再传力至钢梁，按照预设的加载方式加载，收集实验数据，测量钢梁和混凝土板间的连接件的性能。这个推出实验较为广泛应用在钢梁与混凝土之间剪力连接件的实验测量上，但由于施加推出力时直接施加在钢梁上，并不适用于压型钢板与混凝土间粘结力测量，因为压型钢板刚度较小，直接将力加载在压型钢板上时会有较大的局部应力，因此此种实验方法并不适用于测量压型钢板与混凝土间粘结力。

纵向水平剪切破坏为压型钢板-混凝土组合截面常见破坏方式，其粘结力大小为其发挥承载力的基础，而目前测量压型钢板与混凝土纵向水平剪切力的装置都是通过受弯实现纵向受剪，实验流程较为繁琐。因此，开发一种专用的压型钢板-混凝土水平粘结力测量装置尤为重要。

发明内容

鉴于上述，本发明提供了一种基于自平衡原理的压型钢板与混凝土水平粘结力测量装置，用以压型钢板与混凝土水平粘结力测量试验，测量方法简单，测量数据丰富，测量结果准确。

一种基于自平衡原理的压型钢板与混凝土水平粘结力测量装置，包括加载系统、导向系统、测量系统以及显示分析系统；其中：

所述加载系统包括加载装置、钢垫板及荷载测量装置，加载装置用于对混凝土结构施加荷载，钢垫板位于加载装置与混凝土之间，用于将荷载分散在加载面上，荷载测量装置用于测量加载装置施加于混凝土上的荷载；

所述导向系统由若干导向空心圆管构成，导向空心圆管通过混凝土内预留的孔道贯穿整个混凝土结构；

所述测量系统由高清摄像机构成，高清摄像机分为两个方向布置，用以分别拍摄压型钢板以及压型钢板与混凝土交界面的图像；

所述显示分析系统采用计算机，其通过图像处理计算出压型钢板以及压型钢板与混凝土交界面上的位移、应变等力学参数，进而以图像、文字、表格等形式进行显示，并对加载情况实时分析。

进一步地，所述荷载测量装置设于加载装置内，且荷载测量装置与显示分析系统相连。

进一步地，所述加载装置采用千斤顶，所述荷载测量装置采用测力传感器。

进一步地，所述导向空心圆管表面经光滑处理，加载过程中混凝土会沿着导向空心圆管滑移。

进一步地，所述导向空心圆管长度略长于压型钢板。

进一步地，所述高清摄像机与计算机相连，计算机采用DIC(Digital ImageCorrelation，数字图像相关)方法处理高清摄像机所拍摄的图像。

进一步地，所述计算机与荷载测量装置相连，且实时显示加载装置所加载的荷载值大小。

进一步地，所述计算机通过图像处理计算出压型钢板以及压型钢板与混凝土交界面上的位移、应变等力学参数后，实时显示压型钢板的应变云图、压型钢板与混凝土交界面的应变云图、压型钢板与混凝土的滑移值大小，同时自动绘制关于荷载-滑移值的变化曲线图并显示。

相对现有复合截面粘结力测试方法，本发明装置的优点如下：

(1)本发明装置构造简单，便于安装。

(2)本发明装置采用DIC方法测量应变，测量方法简单，测量内容丰富。

(3)本发明装置为自平衡系统，省去了反力墙这一体型大而复杂的装置，并且两端加载的方式解决了压型钢板局部锚固的难题。

(4)本发明导向系统确保了加载方向为水平方向，测量粘结力为压型钢板与混凝土间水平粘结力，测量结果准确。

附图说明

图1(a)为剪力件推出实验装置结构的正立面图。

图1(b)为剪力件推出实验装置结构的侧立面图。

图2为本发明测量装置的正视结构示意图。

图3为压型钢板-混凝土组合横断面及摄像机布置示意图。

图4为本发明测量装置的立体结构示意图。

图5为DIC测量方法的原理示意图。

图中：1—加载装置，2—钢垫板，3—荷载测量装置，4—导向空心圆管，5—高清摄像机，6—计算机，7—混凝土，8—压型钢板，9—塑料管，10—连接件，11—圆形钢筋，12—木垫块，13—预埋螺栓套筒。

具体实施方式

为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。

如图2和图4所示，本发明基于自平衡原理测量压型钢板与混凝土水平粘结力装置，主要包括加载系统、导向系统、测量系统、显示分析系统，其中：

加载系统主要包括加载装置1、钢垫板2及荷载测量装置3，加载装置1可以是千斤顶，用于对混凝土7结构施加荷载；荷载测量装置3可以是测力传感器，设于上述加载装置1内，用于测量加载装置1施加于混凝土7上的荷载，荷载测量装置3另一端通过电线连接计算机6，将荷载值显示在计算机6上；钢垫板2位于加载装置1和混凝土7之间，用于将荷载分散在加载面上，避免混凝土7局部应力过大。

导向系统主要由导向空心圆管4构成，导向空心圆管4插入混凝土7预留贯通小孔内，直径略小于贯通小孔直径，导向空心圆管4共四根，具体分布如图3所示，长度略长于压型钢板8长度，导向空心圆管4经过光滑处理，与贯通小孔间不存在或存在很小摩擦力，加载过程中混凝土7沿着导向空心圆管4滑移。

测量系统为高清摄像机5，分为两个方向布置，分别布置在压型钢板8和压型钢板8与混凝土7交界面正上方，通过电线线路与计算机6相连，分别用于拍摄测量端压型钢板8和压型钢板8与混凝土7交界面，然后经过计算机6采用DIC方法处理高清摄像机5拍摄画面来测量压型钢板8和压型钢板8与混凝土7交界面上的位移、应变等力学参数。当具备一定条件时，摄像机宜采用较高图像分辨率的摄像机，因为图像分辨率影响了图像质量，而DIC方法的分析精度随着图像质量提高而提高。

显示分析系统主要为用于显示和分析的计算机6，与上述荷载测量装置2相连，实时显示当前加载的荷载值大小；计算机6还与高清摄像机5相连，通过DIC方法处理高清摄像机5拍摄的画面，实时显示压型钢板8的应变云图，压型钢板8与混凝土7交界面的应变云图、压型钢板8与混凝土7的滑移值大小，并自动绘制荷载-滑移值的变化曲线图。

以下我们以具体实例来详细说明运用本发明装置测量压型钢板8与混凝土7间水平粘结力的过程：

(1)压型钢板-混凝土截面构件预制。

被测试的压型钢板8与混凝土7截面需经过一定处理，进行构件预制时，需先布置好压型钢板8，在压型钢板8上布置好连接件10，搭设侧模板，固定塑料管9在预定位置，预埋螺栓套筒13；在压型钢板首尾两端一定长度范围浇筑混凝土7，一段时间后拆除侧模板，压型钢板8和塑料圆管9作为永久装置与混凝土7相连。构件预制阶段需确保一端为锚固端，一端为加载端，使得加载端剪切承载力小于锚固端，加载端先出现破坏，具体实施方式可为：锚固端连接件10比加载端个数多，锚固端连接长度比加载端长。

(2)连接试验测量装置与预制构件。

构件预制完成后需要与试验装置相连，图2为测量试验装置的正视图，首先在地面铺设一些圆形钢筋11和木垫块12，钢筋11直径和木垫块12厚度相等，两者之间距离应与预制好的构件相匹配，钢筋11经过光圆处理之后与地面和混凝土之间摩擦力较小，木垫块12经过开设小槽处理后与地面和混凝土间摩擦力较大，将加载端置于钢筋11上，锚固端置于木垫块12上，压型钢板8与地面垂直。将导向空心圆管4插入混凝土预留小孔中，此时导向空心圆管4宜能够较为顺畅地在混凝土预留小孔中滑动，确保导向空心圆管4与混凝土块间存在较小摩擦力。在加载端的压型钢板8与压型钢板8与混凝土7交界面垂直方向各布置一个高清摄像机5，布置时注意高清摄像机光轴与待测表面需要垂直，否则可能影响实验结果。然后在上述界面上随机涂抹黑白散斑。散斑的质量直接影响了测量结果的精确性，散斑过密或过稀都会导致所采集图像的对比度不足，因此，涂抹散斑点时需要注意散斑有合适的大小和密度，一般应使得黑色斑点的大小为3个色素。安装加载系统，先将钢垫板2与混凝土7通过预埋螺栓套筒13和螺栓相连，然后将加载装置1两端分别与加载端和锚固端的钢垫板2相连，此时应注意调节加载装置1使得加载装置1与混凝土7上没有力的作用或存在很小的力的作用。

(3)测量装置各系统连接。

通过电线电路连接荷载测量装置3与计算机6、高清摄像机5与计算机6。通过计算机6显示加载装置1在步骤(2)中时施加在混凝土7上的力，调节加载装置1，使得计算机6上显示荷载加载值尽量接近于零。在计算机6上显示由高清摄像机5传来的图像，调节高清摄像机5的焦距和光圈使得计算机6上显示的图像效果最好。打开计算机6自带图像采集程序与图像处理程序，对步骤(2)中随机涂抹的散斑点进行标定，然后在图像处理程序对采集的散斑点图像进行分析区域的设定，网格的划分，子区划分工作。

(4)加载与分析。

进行正式加载前，宜先进行试加载，检验各个部分是否有效正确连接，以及图像采集及图像处理分析程序是否正常工作。在加载装置1上施加一定的力，观察计算机6上所采集到的图像是否正确，计算机6上是否正常输出荷载值大小，滑移位移，应变云图等结果。若荷载值没有正确显示，注意检查荷载测量装置3和计算机6之间的连接，若应变值及滑移位移无法正确输出，注意检查高清摄像机5与计算机6之间的连接以及计算机6内部图像采集与图像分析处理程序是否正确工作。

正式加载时，在加载装置1上逐级施加荷载，观察由计算机6输出的应变云图及荷载-滑移曲线等输出结果。通过DIC方法测量应变云图的基本原理为：通过对比变形前的散斑图像与变形后的散斑图像，以变形前的散斑图像作为参考图像，以变形后的图像作为目标图像，划分参考子区后，通过相关算法，追踪参考子区在目标图像中的位置获得参考子区中心点在变形过程中的位移矢量，通过对多个子区中心点位移矢量的分析，可以获得整个区域的位移场。DIC方法基本原理如图5所示，根据图5变形前后子区中心点P(x₀,y₀)点的坐标关系为：

根据力学相关理论，其参考图像中Q(x,y)的位移可表示为：

式中：u为竖直位移，v为水平位移，Δx、Δy分别为水平变形和竖直变形。

通过变形前后的两幅图像的相似程度建立函数，通过相关算法求得上述公式中的几个参数，就能得到整个分析区域的位移场。得到位移场后，根据获得的位移场信息进行数值微分即可得到应变场信息。

对于压型钢板与混凝土间滑移值的测量，在图像分析处理软件中，将相互对应的压型钢板与混凝土的相关子区相互关联，其相对滑移值即为关联子区中心点的位移差值。要求得压型钢板与混凝土间平均滑移值，只需将得到的多个滑移值进行平均。采用DIC方法测量滑移值相对于传统位移计测量滑移值的优势在于，可以获得不同位置的滑移值，数据更加丰富。

对于本实施方式，在步骤(3)中已经完成了在图像处理软件中进行散斑点标定，设置分析区域，子区划分等工作，步骤(4)的试加载过程中完成了实验流程试运行的工作。因此，正式加载时，只需要按照加载流程逐级添加荷载，观察记录由计算机6输出的结果即可。加载过程中，为获得压型钢板与混凝土交界面的破坏过程详细记录，可根据计算机6输出的实时压型钢板与混凝土应变云图，当其中一项应变达到其破坏应变时，意味着交界面破坏即将发生，此时宜减小加载装置1的加载幅度，获得更为详细的压型钢板与混凝土交界面破坏过程受力情况。

上述对实施例的描述是为便于本技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对上述实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于自平衡原理的压型钢板与混凝土水平粘结力测量装置，其特征在于：包括加载系统、导向系统、测量系统以及显示分析系统；其中：

所述加载系统包括加载装置、钢垫板及荷载测量装置，加载装置用于对混凝土结构施加荷载，钢垫板位于加载装置与混凝土之间，用于将荷载分散在加载面上，荷载测量装置用于测量加载装置施加于混凝土上的荷载；

所述导向系统由若干导向空心圆管构成，导向空心圆管通过混凝土内预留的孔道贯穿整个混凝土结构；

所述测量系统由高清摄像机构成，高清摄像机分为两个方向布置，用以分别拍摄压型钢板以及压型钢板与混凝土交界面的图像；

所述显示分析系统采用计算机，其通过图像处理计算出压型钢板以及压型钢板与混凝土交界面上的位移、应变等力学参数，进而以图像、文字、表格等形式进行显示，并对加载情况实时分析。

2.根据权利要求1所述的压型钢板与混凝土水平粘结力测量装置，其特征在于：所述荷载测量装置设于加载装置内，且荷载测量装置与显示分析系统相连。

3.根据权利要求1所述的压型钢板与混凝土水平粘结力测量装置，其特征在于：所述加载装置采用千斤顶，所述荷载测量装置采用测力传感器。

4.根据权利要求1所述的压型钢板与混凝土水平粘结力测量装置，其特征在于：所述导向空心圆管表面经光滑处理，加载过程中混凝土会沿着导向空心圆管滑移。

5.根据权利要求1所述的压型钢板与混凝土水平粘结力测量装置，其特征在于：所述导向空心圆管长度略长于压型钢板。

6.根据权利要求1所述的压型钢板与混凝土水平粘结力测量装置，其特征在于：所述高清摄像机与计算机相连，计算机采用DIC方法处理高清摄像机所拍摄的图像。

7.根据权利要求1所述的压型钢板与混凝土水平粘结力测量装置，其特征在于：所述计算机与荷载测量装置相连，且实时显示加载装置所加载的荷载值大小。

8.根据权利要求1所述的压型钢板与混凝土水平粘结力测量装置，其特征在于：所述计算机通过图像处理计算出压型钢板以及压型钢板与混凝土交界面上的位移、应变等力学参数后，实时显示压型钢板的应变云图、压型钢板与混凝土交界面的应变云图、压型钢板与混凝土的滑移值大小，同时自动绘制关于荷载-滑移值的变化曲线图并显示。