CN111751276A - 一种用于筋材与约束混凝土粘结性能试验的加载装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于筋材与约束混凝土粘结性能试验的加载装置及方法，包括加载框架、穿心球铰、千斤顶、球铰连杆、约束应力测量装置和试件，通过所述千斤顶匀速向上对试件施加轴压力，实现约束混凝土结构的混凝土在实际工程中受力状态的准确模拟，通过钢管/FRP管的应力‑应变关系获得相应的约束应力。采用上述技术方案，能在混凝土处于三轴受压状态下，准确测试出筋材与约束混凝土间的粘结性能，测试装置使用方便，获取的数据精准可靠。
Description
技术领域
本发明属于建筑结构试验领域，具体涉及一种用于筋材(钢筋、FRP筋等)与约束混凝土粘结滑移性能试验的加载装置及方法。
背景技术
在混凝土结构中，钢筋、FRP筋等筋材与混凝土间通过粘结作用达到应力传递和变形协调，实现二者的共同工作。筋材与混凝土的粘结性能一般采用试验手段进行研究，其中拔出试验由于方法简单、加载方便、数据易测量等优势，是国内外应用最为普遍的粘结性能试验方法。
随着现代结构技术的发展，钢管约束配筋混凝土、FRP约束配筋混凝土、外包钢约束混凝土等被越来越多应用于既有结构加固和新建结构中。这类结构中的混凝土受到横向约束，在竖向荷载作用下处于三轴受压状态，其与筋材间的粘结性能和非约束混凝土相比有很大差异。现有拔出试验加载装置和方法中无法使混凝土处于约束下的三轴受压状态，不能准确的获取筋材与约束混凝土间的粘结性能。
目前对于筋材与约束混凝土的拔出试验未见相关文献报道，实验室也没有能准确获取二者粘结性能的相关试验加载装置。
发明内容
本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本申请的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。
鉴于上述和/或现有对于筋材与约束混凝土粘结性能的推出试验中存在的问题，提出了本发明。
因此，本发明其中一个目的是提供一种用于筋材与约束混凝土粘结性能试验的加载装置,以便于使混凝土处于约束下的三轴受压状态，可准确获取筋材与约束混凝土间的粘结性能。
为解决上述技术问题，根据本发明的一个方面，本发明提供了如下技术方案：一种用于型钢与约束混凝土粘结滑移推出试验的装置，其包括，
加载框架、穿心球铰、千斤顶、球铰连杆、约束应力测量装置和试件；
所述加载框架包括连杆、上端板、下端板、垫板和支撑板；
所述上端板、下端板、垫板和支撑板的四角均设置有螺栓孔，所述连杆通过螺旋孔依次穿过所述上端板、垫板、支撑板和下端板，所述上端板、支撑板和下端板通过螺母固定设置在所述连杆上，所述垫板可上下移动；
所述上端板和下端板中心开设有同轴的圆形安装通孔，所述穿心球铰设置有与上端板安装通孔同轴的中心圆孔，穿心球铰安装在上端板下方；
所述试件为筋材被约束混凝土包裹成的柱状，并且筋材两端露出于约束混凝土柱外，垫板上开有测量孔，所述筋材上端穿过中心圆孔、下端位于测量孔内，将约束混凝土柱放置于穿心球铰和垫板之间；
所述千斤顶居中设置于所述垫板和下端板之间，垂直向上施加荷载，使混凝土处于三轴受压状态。
作为本发明所述一种型钢与约束混凝土粘结滑移推出试验装置的一种优选方案，其中：所述约束应力测量装置包括应变采集仪和四个应变计，所述应变计设置在约束混凝土的表面的轴向中部位置，应变计连接到应变采集仪，以提高数据采集的准确性。
作为本发明所述一种型钢与约束混凝土粘结滑移推出试验装置的一种优选方案，其中所述应变计等距安装在试件轴向不同高度上：
作为本发明所述一种型钢与约束混凝土粘结滑移推出试验装置的一种优选方案，其中：所述试件包括钢管/FRP管、约束混凝土和筋材，约束混凝土放置于穿心球铰和垫板之间，筋材上端通过圆孔依次穿过穿心球铰和上端板，能被多功能万能试验机上夹头夹住，在钢管/FRP管的横向约束下，加上千斤顶施加的载荷，混凝土处于三轴受压状态，形成约束混凝土，实现约束混凝土结构的混凝土在实际工程中受力状态的准确模拟。
作为本发明所述一种型钢与约束混凝土粘结滑移推出试验装置的一种优选方案，其中：所述上端板下方活动安装有连接螺栓，所述穿心球铰通过连接螺栓安装在所述上端板下方，所述连接螺栓可限制穿心球铰的位置，穿心球铰可释放偏心产生的弯矩，达到试件自动对中的目的，提高试验精准度及可靠性。
作为本发明所述一种型钢与约束混凝土粘结滑移推出试验装置的一种优选方案，其中：所述上端板的安装通孔外端设有沉孔，便于试件安装。
作为本发明所述一种型钢与约束混凝土粘结滑移推出试验装置的一种优选方案，其中：测量孔位置处开有通道直达垫板侧面，位移计一端通过螺丝固定于测量孔内，另一端在放置好试件后顶住所述试件下表面，位移计的信号线穿过通道与位移采集仪连接。
作为本发明所述一种型钢与约束混凝土粘结滑移推出试验装置的一种优选方案，其中：所述下端板的安装通孔中设置有球铰连杆，所述球铰连杆下端穿过下端板，被多功能万能试验机下夹头夹住。
本发明还提供了一种用于筋材与约束混凝土粘结性能试验的加载方法，包括以下步骤：
步骤一，制作试验的试件，在钢管/FRP管中居中设置筋材并浇筑混凝土，筋材两端均超出钢管/FRP管的长度，其中筋材下端超出10mm，筋材上端超出250mm；
步骤二，将试件放置于加载装置中，使约束混凝土位于穿心球铰和垫板之间，所述筋材上端穿过穿心球铰和上端板，其下端伸入垫板的测量孔里，沿对角两两均匀拧紧连杆的螺母，使试件的混凝土部分被略微夹紧；
步骤三，在装置垫板的测量孔里固定安装位移计，将位移计信号线穿过垫板的通道与位移采集仪连接，用以测量筋材下端的滑移量；
步骤四，在与竖向荷载垂直的方向上，即钢管/或FRP管中段表面布置四个应变计，应变计与应变采集仪相连接，以获取试件约束应变值；所述四个应变计应环向等距对称布置；
步骤五，将装置放入万能试验机，万能试验机上夹头夹住筋材上端，下夹头夹住球铰连杆下端；
步骤六，启动千斤顶，匀速向上对试件施加轴压力，同时读取约束应变值，通过钢管/FRP管的应力-应变关系获得相应的约束应力，当约束应力达到预设值时，令恒载千斤顶的荷载值保持恒定；
步骤七，启动万能试验机，以不超过20KN/min或1mm/min的速度连续均匀加载，通过位移计得到筋材下端滑移量数值，通过万能试验机自身携带的荷载测量装置得到拔出荷载值。
本发明的有益效果：采用本发明所述一种型钢与约束混凝土粘结滑移推出试验装置及方法，能够实现约束混凝土结构的混凝土在实际工程中受力状态的准确模拟，使混凝土处于三轴受压状态下，准确测试出筋材与约束混凝土间的粘结性能，测试装置使用方便，获取的数据精准可靠。
附图说明
图1是本发明所述一种用于筋材与约束混凝土粘结性能的加载装置的主视结构示意图；
图2是本发明所述一种用于筋材与约束混凝土粘结性能的加载装置的俯视示意图；
图3是本发明所述一种用于筋材与约束混凝土粘结性能的加载装置的上端板的结构示意图；
图4是本发明所述一种用于筋材与约束混凝土粘结性能的加载装置的穿心球铰的结构示意图；
图5是本发明所述一种用于筋材与约束混凝土粘结性能的加载装置的试件的主视结构示意图；
图6是本发明所述一种用于筋材与约束混凝土粘结性能的加载装置的试件的俯视结构示意图；
图7是本发明所述一种用于筋材与约束混凝土粘结性能的加载装置的垫板的结构示意图；
图8是本发明所述一种用于筋材与约束混凝土粘结性能的加载装置的下端板的结构示意图；
图9是本发明所述一种用于筋材与约束混凝土粘结性能的加载装置的球铰连杆的主视结构示意图；
图10是本发明所述一种用于筋材与约束混凝土粘结性能的加载装置的球铰连杆的俯视结构示意图；
图11是发明所述一种用于筋材与约束混凝土粘结性能的加载装置的应变计的另一种安装位置示意图；
附图标记：1-加载框架，2-连杆，3-螺母，4-上端板，5-连接螺栓，6-穿心球铰，7-约束混凝土，8-钢管或FRP管，9-位移计，91-位移采集仪，10-垫板，101-，测量孔，102-通道，11-千斤顶，12-下端板，13-球铰连杆，14-支撑板，15-应变计，16-应变采集仪，17-筋材，18-约束应力测量装置，19-试件。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
实施例一：
如图1、图2所示,一种用于筋材与约束混凝土粘结性能的加载装置,包括：加载框架1、穿心球铰6、千斤顶11、球铰连杆13、约束应力测量装置18和试件19。
所述加载框架包括连杆2、上端板4、下端板12、垫板10和支撑板14。
所述上端板4、下端板12、垫板10和支撑板14的四角均设置有螺栓孔，所述连杆(2)通过螺旋孔依次穿过所述上端板4、垫板10、支撑板14和下端板12，所述上端板4、支撑板14和下端板12通过螺母固定设置在所述连杆)上，所述垫板10可上下移动。
如图3、图8所示，所述上端板4和下端板12中心开设有同轴的圆形安装通孔，如图4所示，所述穿心球铰6设置有与上端板4通孔同轴的中心圆孔，穿心球铰6安装在上端板4下方。
所述试件19放置于穿心球铰6和垫板10之间。
所述试件19为筋材被约束混凝土包裹成的柱状，并且筋材两端露出于约束混凝土柱外，垫板10上开有测量孔101，所述筋材上端穿过中心圆孔、下端位于测量孔101，将约束混凝土柱放置于穿心球铰6和垫板10之间。
所述千斤顶11居中设置于所述垫板10和下端板12之间，垂直向上施加荷载，使混凝土处于三轴受压状态。
如图5、图6所示，所述约束应力测量装置18包括应变采集仪16和四个应变计15，所述应变计15环向对称布置于所述所述约束混凝土的表面的轴向中部位置，应变计15连接到应变采集仪，通过钢管/FRP管的应力-应变关系获取约束应力值。
如图3、图4所示，所述上端板4下方活动安装有连接螺栓5，所述穿心球铰6通过连接螺栓5安装在所述上端板4下方。
如图7所示所述垫板10设置有测量孔101和通道102，所述位移计9一端通过螺丝固定于测量孔101内，另一端在放置好试件19后顶住所述试件19下的表面。
如图1、图9、图10所示，所述下端板12的安装通孔中设置有球铰连杆13，所述球铰连杆13下端穿过下端板12。
在本技术方案中，还提供了一种用于筋材与约束混凝土粘结性能试验的加载方法，包括以下步骤：
步骤一，制作试验的试件19，在钢管/FRP管8中居中设置筋材17并浇筑混凝土，筋材17两端均超出钢管/FRP管8的长度，其中筋材上端超出10mm，筋材下端超出250mm；
步骤二，将试件19放置于加载装置中，使约束混凝土位于穿心球铰6和垫板10之间，所述筋材17上端穿过穿心球铰6和上端板4，其下端伸入垫板10的测量孔101里，沿对角两两均匀拧紧连杆的螺母，使试件19的混凝土部分被略微夹紧；
步骤三，在装置垫板10的测量孔里固定安装位移计9，将位移计信号线穿过垫板10的通道102与位移采集仪91连接，用以测量筋材17下端的滑移量；
步骤四，在与竖向荷载垂直的方向上，即钢管/或FRP管中段表面布置四个应变计15，应变计15与应变采集仪16相连接，以获取试件19约束应变值；所述四个应变计15应环向等距对称布置；
步骤五，将装置放入万能试验机，万能试验机上夹头夹住筋材17上端，下夹头夹住球铰连杆13下端；
步骤六，启动千斤顶11，匀速向上对试件19施加轴压力，同时读取约束应变值，通过钢管/FRP管的应力-应变关系获得相应的约束应力，当约束应力达到预设值时，令恒载千斤顶11的荷载值保持恒定；
步骤七，启动万能试验机，以不超过20KN/min或1mm/min的速度连续均匀加载，通过位移计9得到筋材17下端滑移量数值，通过万能试验机自身携带的荷载测量装置得到拔出荷载值。
在上述步骤七中，所述万能试验机上夹头夹住试件19的筋材17上端，下夹头夹住穿过下端板12起着连接作用的球铰连杆13，在万能试验机施加的荷载作用下，筋材17被拔出混凝土，拔出荷载通过万能试验机自身携带的荷载测量装置得到。
实施例二：
本方案与实施例一基本相同，所不同的是如图11所示，所述应变计(15)等距安装在试件19轴向不同高度上，采用该方式可获取试件不同位置的应变数据。
采用上述一种型钢与约束混凝土粘结滑移推出试验装置及方法，能够实现约束混凝土结构的混凝土在实际工程中受力状态的准确模拟，使混凝土处于三轴受压状态下，准确测试出筋材与约束混凝土间的粘结性能，测试装置使用方便，获取的数据精准可靠。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种用于筋材与约束混凝土粘结性能试验的加载装置，其特征在于:包括加载框架(1)、穿心球铰(6)、千斤顶(11)、球铰连杆(13)、约束应力测量装置(18)和试件(19)；
所述加载框架包括连杆(2)、上端板(4)、下端板(12)、垫板(10)和支撑板(14)；
所述上端板(4)、下端板(12)、垫板(10)和支撑板(14)的四角均设置有螺栓孔，所述连杆(2)通过螺旋孔依次穿过所述上端板(4)、垫板(10)、支撑板(14)和下端板(12)，所述上端板(4)、支撑板(14)和下端板(12)通过螺母固定设置在所述连杆(2)上，所述垫板(10)可上下移动；
所述上端板(4)和下端板(12)中心开设有同轴的圆形安装通孔，所述穿心球铰(6)设置有与上端板(4)安装通孔同轴的中心圆孔，穿心球铰(6)安装在上端板(4)下方；
所述试件(19)为筋材被约束混凝土包裹成的柱状，并且筋材两端露出于约束混凝土柱外，垫板(10)上开有测量孔(101)，所述筋材上端穿过中心圆孔、下端位于测量孔内(101)，将约束混凝土柱放置于穿心球铰(6)和垫板(10)之间；
所述千斤顶(11)居中设置于所述垫板(10)和下端板(12)之间，垂直向上施加荷载。
2.如权利要求1所述的一种用于筋材与约束混凝土粘结性能试验的加载装置，其特征在于：所述约束应力测量装置(18)包括应变采集仪(16)和四个应变计(15)，所述应变计(15)环向对称布置于所述约束混凝土的表面的轴向中部位置，应变计(15)连接到应变采集仪。
3.如权利要求2所述的一种用于筋材与约束混凝土粘结性能试验的加载装置，其特征在于：所述应变计(15)等距安装在试件(19)轴向不同高度上。
4.如权利要求1所述的一种用于筋材与约束混凝土粘结性能试验的加载装置，其特征在于：所述试件(19)包括钢管/FRP管(8)、约束混凝土(7)和筋材(17)，约束混凝土(7)放置于所述穿心球铰(6)和垫板(10)之间，所述筋材(17)上端通过圆孔依次穿过穿心球铰(6)和上端板(4)。
5.如权利要求1所述的一种用于筋材与约束混凝土粘结性能试验的加载装置，其特征在于：所述上端板(4)下方活动安装有连接螺栓(5)，所述穿心球铰(6)通过连接螺栓(5)安装在所述上端板(4)下方。
6.如权利要求1所述的一种用于筋材与约束混凝土粘结性能试验的加载装置，其特征在于：所述上端板(4)的安装通孔外端设有沉孔。
7.如权利要求2所述的一种用于筋材与约束混凝土粘结性能试验的加载装置，其特征在于：所述测量孔(101)位置处开有通道(102)直达垫板(10)侧面，位移计(9)一端通过螺丝固定于测量孔(101)内，另一端在放置好试件(19)后顶住所述试件(19)下表面，位移计(9)的信号线穿过通道(102)与位移采集仪(91)连接。
8.如权利要求1所述的一种用于筋材与约束混凝土粘结性能试验的加载装置，其特征在于：所述下端板(12)的安装通孔中设置有球铰连杆(13)，所述球铰连杆(13)下端穿过下端板(12)。
9.一种用于筋材与约束混凝土粘结性能试验的加载方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，制作试验的试件(19)，在钢管/FRP管(8)中居中设置筋材(17)并浇筑混凝土，筋材(17)两端均超出钢管/FRP管(8)的长度，其中筋材下端端超出10mm，筋材上端超出250mm；
步骤二，将试件(19)放置于加载装置中，使约束混凝土位于穿心球铰(6)和垫板(10)之间，所述筋材(17)上端穿过穿心球铰(6)和上端板(4)，其下端伸入垫板(10)的测量孔(101)里，沿对角两两均匀拧紧连杆的螺母，使试件(19)的混凝土部分被略微夹紧；
步骤三，在装置垫板(10)的测量孔里固定安装位移计(9)，将位移计信号线穿过垫板(10)的通道(102)与位移采集仪(91)连接，用以测量筋材(17)下端的滑移量；
步骤四，在与竖向荷载垂直的方向上，即钢管/或FRP管中段表面布置四个应变计(15)，应变计(15)与应变采集仪(16)相连接，以获取试件(19)约束应变值，所述四个应变计(15)应环向等距对称布置；
步骤五，将装置放入万能试验机，万能试验机上夹头夹住筋材(17)上端，下夹头夹住球铰连杆(13)下端；
步骤六，启动千斤顶(11)，匀速向上对试件(19)施加轴压力，同时读取约束应变值，通过钢管/FRP管的应力-应变关系获得相应的约束应力，当约束应力达到预设值时，令恒载千斤顶(11)的荷载值保持恒定；
步骤七，启动万能试验机，以不超过20KN/min或1mm/min的速度连续均匀加载，通过位移计(9)得到筋材(17)下端滑移量数值，通过万能试验机自身携带的荷载测量装置得到拔出荷载值。
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