CN113945514A - 一种shpb钢筋与混凝土动态粘结滑移试验附加装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种SHPB钢筋与混凝土动态粘结滑移试验附加装置，包括SHPB,所述SHPB的入射杆内端设有附加装置A、其透射杆内端设置有附加装置B，并于附加装置A与附加装置B间夹设有粘结滑移试件，通过附加装置给钢筋提供滑移行程，提高粘结滑移试件与SHPB接触面平整度及平直度，实现钢筋内贴应变片的顺利导出，还能使试件突破尺寸的限制，从而进一步提高了SHPB的试验测试范围。
Description
技术领域
本发明涉及土木工程技术领域，特别涉及一种SHPB钢筋与混凝土动态粘结滑移试验附加装置。
背景技术
基于霍普金森压杆(Split Hopkinson Pressure Bar，简称SHPB)，SHPB装置结构简单，可实现的应变率加载范围相对较高，可达到102s-1～104s-1；试验时数据采集和处理都比较方便，加载的应力波波形易于调整和量测，在SHPB的透射杆可直接测得透射波即为作用在试件上的冲击载荷；调整子弹的发射速度与子弹长度就能实现冲击载荷的大小和形状的改变。一般获得材料应力-应变曲线需要测量试件上同一位置不同时刻的应力和应变，而SHPB技术通过应变片测得入射杆和透射杆的应变，就可以推导出材料的应力-应变关系，避免了直接测量材料的应力和应变的难题。所以SHPB目前已成为主流的动态力学性能测试装置。
但是，由于SHPB装置本身的特点，无法直接进行钢筋混凝土粘结滑移试验，限制了其应用范围。这是因为，第一，SHPB无法给试件中的钢筋提供足够的滑移行程，在粘结滑移试验中钢筋势必会发生滑移，这就要求给钢筋提供足够的变位区间，如果把试件直接放在入射杆和投射杆之间加载，钢筋没有变位区间，只会造成钢筋受压屈曲而无法发生滑移；第二，SHPB和试件的非平面接触问题很难避免，SHPB粘结滑移试件内钢筋的存在和钢筋的加工处理很难满足试验平面度和平直度的精度，这意味着试件与杆端面面接触不能够保证。如果存在非平面接触，容易造成试件不能受力均匀，增加了试验结果的离散性，如果引入的变形误差较大时，甚至会导致试验结果无效；第三，SHPB进行粘结滑移试验时存在钢筋内部应变片引线无法导出，目前很多粘结滑移性能试验都会基于钢筋内贴应变片法来测量粘结力的分布规律，就要求试件钢筋内部都贴有一定数量的应变片，应变片引线需要导出与动态应变采集仪相连接，大批量的在钢筋端部表面打孔既困难也不现实，导致应变片引线无法导出；第四，SHPB入射杆和投射杆直径太小限制试件尺寸，目前SHPB入射杆和投射杆的直径一般在50mm～100mm之间，在粘结滑移试验中，钢筋外部保护层厚度是一个很重要的参数，参照《混凝土结构设计规范》(GB50010-2015)表8.2.1，根据环境的不同，梁柱的最小保护层厚度在20mm～50mm之间，以当钢筋直径为25mm时，保护层厚度为50mm时，试件的截面直径为125mm，此时SHPB就无法有效的进行加载。
发明内容
鉴于现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是提供一种SHPB钢筋与混凝土动态粘结滑移试验附加装置，不仅结构合理，而且提高试件与SHPB接触面平整度及平直度，可实现钢筋内贴应变片的顺利导出。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种SHPB钢筋与混凝土动态粘结滑移试验附加装置，包括SHPB,所述SHPB的入射杆内端设有附加装置A1、其透射杆内端设置有附加装置B2，并于附加装置A与附加装置B间夹设粘结滑移试件3。
进一步的，所述附加装置A呈圆台状，其直径较小的一端面顶接在入射杆上，且该端面直径与入射杆直径一致；另一端面与粘结滑移试件对接，即与混凝土基体的端面直径一致，采用倾斜变截面过度以减少应力集中现象，并于该端面中心同轴开设有供粘结滑移试件内钢筋滑移的圆槽4，即为钢筋滑移时提供了变位区间，且该端面还开设有以利导线伸出的引线槽5，该引线槽与圆槽相通并径向延伸穿出附加装置A，方便钢筋内贴应变片的导线从引线槽中引出。
进一步的，所述附加装置B呈圆柱状，其端面直径与透射杆直径一致，其中心同轴贯穿开设有供粘结滑移试件内钢筋插接的圆形螺孔6。
进一步的，所述SHPB即霍普金森压杆，其包括发射装置7、套筒子弹8、入射杆9、透射杆10、吸收杆11、阻尼器12，所述入射杆与透射杆上均经应变片13与外部数据采集系统14连接，所述入射杆上贴设有应变片以测量入射波，所述透射杆上贴设有应变片以测量透射波，其中入射杆的应变片贴在杆最中部的位置，透射杆应变片贴在靠近入射杆端；为防止振动及外部环境的干扰，应变片使用环氧树脂固定的同时在外部还缠绕了胶带。
进一步的，所述粘结滑移试件包括钢筋15，该钢筋中心同轴贯穿开设有通长的方槽16，并沿方槽的延伸方向在内间隔贴设有若干应变片，其应变片导线自方槽延伸穿出并与数据采集系统对接，所述钢筋中段沿其外周裹设有混凝土17；所述的粘结滑移试件为中心拉拔试件。
进一步的，试验时，附加装置A左端截面与SHPB的入射杆连接，右端面与粘结滑移试件自由端的混凝土面相连接，试件自由端的钢筋放置在附加装置A右端面的圆槽中，钢筋内部应变片的导线可以从两边的引线槽中引出。附加装置B与粘结滑移试件自由端的钢筋相连接，右端面与透射杆相连接。
粘结滑移关系计算方法：
粘结滑移本构一般为关系即粘结应力-滑移量关系。需要计算的内容有：粘结应力τ和滑移量s。
(1)粘结应力
在粘结滑移试验中，已经通过入射杆和投射杆上的应变片采集到了入射波εI(t)和透射波εI(t)，根据式(1)可以求得反射波εR(t)。因此可以用式(2)求得作用在钢筋上的冲击力F，然后根据根据式(3)求得求出平均粘结应力τ。
εI(t)+εR(t)＝εT(t) (1)
F＝EAεT(t) (2)
τ＝F/πDla (3)
式中：E为入射杆与透射杆的弹性模量，A是其横截面积，D为试件钢筋直径；la为钢筋锚固长度。
(2)滑移量S
试验时，可以通过试验中测得入射波εI(t)、反射波εR(t)及透射波εI(t)来计算试件两端的位移量，试件两端位移量之差就是钢筋的滑移量。根据式(4)和式(5)分别求得试件左端和右端的位移S左和S右，则滑移量S的计算公式如下：
将上式进一步简化：
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：加载装置选用SHPB，可实现高应变率加载，冲击荷载大小波形可控，试验数据便于采集和处理；通过附加装置给钢筋提供滑移行程，提高试件与SHPB接触面平整度及平直度，实现钢筋内贴应变片的顺利导出，还能使试件突破尺寸的限制，从而进一步提高了SHPB的试验测试范围。
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的说明。
附图说明
图1为本发明实施例的构造示意图；
图2为本发明实施例中附加装置与粘结滑移试件的连接示意图；
图3为本发明实施例中附加装置A的左端面视图；
图4为本发明实施例中附加装置A的主视图；
图5为本发明实施例中附加装置A的右端面视图；
图6为本发明实施例中附加装置B的侧视图；
图7为本发明实施例中附加装置B的主视图；
图8为本发明实施例中粘结滑移试件的构造示意图；
图9为本发明实施例中典型动态粘结滑移曲线图一；
图10为本发明实施例中典型动态粘结滑移曲线图二；
图11为本发明实施例中典型动态粘结滑移曲线图三；
图12为本发明实施例中不同应变率下试件动态粘结滑移曲线图一；
图13为本发明实施例中不同应变率下试件动态粘结滑移曲线图二；
图14为本发明实施例中不同应变率下试件动态粘结滑移曲线图三；
图15为本发明实施例中相关系数b的拟合图；
图16为本发明实施例中基本粘结滑移本构模型示意图。
图中：1-附加装置A，2-附加装置B，3-粘结滑移试件，4-圆槽，5-引线槽，6-圆形螺孔，7-发射装置，8-套筒子弹，9-入射杆，10-透射杆，11-吸收杆，12-阻尼器，13-应变片，14-数据采集系统，15-钢筋，16-方槽，17-混凝土。
具体实施方式
为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合附图，作详细说明如下。
通过SHPB与附加装置完成四种应变率下(953.94s-1、1015.95s-1、1081.31s-1、1165.86s-1)的共108个试件的钢筋与混凝土的粘结滑移试验。试件尺寸如图8所示。
如图1～8所示，首先，将钢筋切成两半，在两部分钢筋沿原钢筋中心线位置开一个2mm×4mm的通长方槽16。在方槽内贴应变片13，每隔40mm左右贴一片应变片，之后将其表面进行蜡封，应变片上的导线自钢筋下端部引出，并对导线进行数字编号，通过编号来对应应变片在钢筋方槽内的位置，所述钢筋15一端设有螺纹，并通过螺母固紧。在非锚固段位置缠绕胶带来固定相应的PVC套管，以浇筑混凝土17，将打好孔的PVC套管封盖，先使用封盖封堵PVC管下端并插入相应直径的钢筋，将已经制备好的混凝土倒入PVC管中，边倒入边使用钢筋进行捣杵，浇筑满后将试件搬至振动台上振动30s，此时取下螺母使用封盖封堵PVC套管上端，封堵后继续使用螺母固定螺纹端，将浇筑好的试件一天后进行脱模，成型粘结滑移试件3。
试验时，将粘结滑移试件分别与附加装置A/B连接好，然后按照附加装置A1与入射杆9相连、附加装置B2与透射杆10相连的顺序，把粘结滑移试件放在入射杆和投射杆之间并紧贴密实不留缝隙，随后将钢筋内部的应变片引线确认编号后从附加装置A中导出与(数据采集系统)动态应变采集仪的导线相连接。
试验后，粘结滑移试件的破坏形式有三种：钢筋拔出-混凝土劈裂破坏、混凝土劈裂-钢筋屈曲破坏和混凝土劈裂破坏，粘结滑移试件的典型粘结滑移曲线如图9～11所示。
将各个强度等级下，钢筋直径14mm的粘结滑移试件在不同冲击速度下的粘结滑移曲线绘制于附图12～14，以研究应变率对动态极限粘结强度的影响。
以连续曲线模型的关系式作为平均粘结滑移本构关系的初始方程，通过最小二乘法回归了相关系数a、b，其中a为一个常数，b为与s0、su相关的一个多项式，其关系式拟合图见附图15)，提出了包含上升段和下降段的两曲线模型，包含四个物理参数s0、τ0、su、τu，如图16)所示，关系式如下式所示：
本发明实施例加载装置选用SHPB，可实现高应变率加载，冲击荷载大小波形可控，试验数据便于采集和处理；通过附加装置给钢筋提供滑移行程，提高试件与SHPB接触面平整度及平直度，实现钢筋内贴应变片的顺利导出，还能使试件突破尺寸的限制，从而进一步提高了SHPB的试验测试范围，可以实现SHPB钢筋与混凝土动态粘结滑移试验。
本发明不局限于上述最佳实施方式，任何人在本发明的启示下都可以得出其他各种形式的SHPB钢筋与混凝土动态粘结滑移试验附加装置。凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。
Claims (5)
1.一种SHPB钢筋与混凝土动态粘结滑移试验附加装置，其特征在于：包括SHPB,所述SHPB的入射杆内端设有附加装置A、其透射杆内端设置有附加装置B，并于附加装置A与附加装置B间夹设有粘结滑移试件。
2.根据权利要求1所述的一种SHPB钢筋与混凝土动态粘结滑移试验附加装置，其特征在于：所述附加装置A呈圆台状，其直径较小的一端面顶接在入射杆上；另一端面与粘结滑移试件对接，并于该端面中心同轴开设有供粘结滑移试件内钢筋滑移的圆槽，且该端面还开设有以利导线伸出的引线槽，该引线槽与圆槽相通并径向延伸穿出附加装置A。
3.根据权利要求1所述的一种SHPB钢筋与混凝土动态粘结滑移试验附加装置，其特征在于：所述附加装置B呈圆柱状，其中心同轴贯穿开设有供粘结滑移试件内钢筋插接的圆形螺孔。
4.根据权利要求1所述的一种SHPB钢筋与混凝土动态粘结滑移试验附加装置，其特征在于：所述SHPB即霍普金森压杆，其包括发射装置、套筒子弹、入射杆、透射杆、吸收杆、阻尼器，所述入射杆与透射杆上均经应变片与外部数据采集系统连接。
5.根据权利要求4所述的一种SHPB钢筋与混凝土动态粘结滑移试验附加装置，其特征在于：所述粘结滑移试件包括钢筋，该钢筋中心同轴贯穿开设有通长的方槽，并沿方槽的延伸方向在内间隔贴设有若干应变片，其应变片导线自方槽延伸穿出并与数据采集系统对接，所述钢筋中段沿其外周裹设有混凝土。
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