CN114993858A - 用于霍普金森压杆的测试混凝土-岩石界面冲击抗剪性能的装置及方法 - Google Patents

用于霍普金森压杆的测试混凝土-岩石界面冲击抗剪性能的装置及方法 Download PDF

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邰雅婷
宋柯贤
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Abstract

本发明公开了用于霍普金森压杆的测试混凝土‑岩石界面冲击抗剪性能的装置及方法，所述装置包括通过固定装置固定于设备支座上的下剪切盒，下剪切盒包括对称设置的两块钢板，其中一块为下剪切盒可滑动钢板，另一块与固定装置一体化设置；下剪切盒上方设有上剪切盒，上剪切盒包括对称设置的两块钢板，其中一块钢板外侧设有入射杆，另一块钢板外侧设有透射杆。与现有技术相比，本发明具有以下优点：所述装置优化了整体结构，大多采用可拆卸安装方式，并将入射杆和上剪切盒一体化设置，保证在施加荷载时二者共同运动；所述装置和方法能够直接测量不同冲击速率下的剪切荷载；且适用于多尺寸的试件，实现复杂应力下的压减破坏。

Description

用于霍普金森压杆的测试混凝土-岩石界面冲击抗剪性能的 装置及方法
技术领域
本发明属于混凝土材料测试领域，涉及一种混凝土-岩石界面剪切试验装置，具体为用于霍普金森压杆的测试混凝土-岩石界面冲击抗剪性能的装置及方法。
背景技术
大坝坝踵处的界面性能受到岩石与混凝土之间共同作用的影响，而研究混凝土与岩石这两种材料的粘结性能对于评估和掌握水利工程中大坝坝踵处的加固和抗震性能极为重要。
目前进行界面剪切试验的大多为静态加载。实际情况中，结构同样会承受地震荷载和冲击荷载，如江水的撞击等；目前针对动态加载，尤其冲击荷载下的混凝土-岩石界面剪切性能的研究非常少。原因之一便是冲击下的界面剪切试验对设备要求较高，数据采集较为困难。如何利用现有试验装置进行界面剪切试验的冲击加载成为一个难点。
目前测试混凝土与岩石粘结性能的方式有很多，如封闭盒式直剪盒、立方体斜剪，但这两种方法尚未应用到霍普金森压杆上进行两相材料的界面剪切试验。从应用难度角度来看：一方面，封闭盒式直剪盒和试件之间的贴合度对试验结果有影响，另一方面，斜剪试验的剪切和压缩荷载是由界面角度控制的，变化范围有限。因此，这两种方式在测试冲击抗剪性能时都存在一定的不足之处。
发明内容
解决的技术问题：为了克服现有技术的不足，解决混凝土-岩石界面剪切性能测试存在的加载速率限制和数据采集困难的问题，实现测试不同冲击速率及不同压应力下的界面剪切破坏，本发明提供了用于霍普金森压杆的测试混凝土-岩石界面冲击抗剪性能的装置及方法。
技术方案：用于霍普金森压杆的测试混凝土-岩石界面冲击抗剪性能的装置，所述装置包括通过固定装置固定于设备支座上的下剪切盒，下剪切盒包括对称设置的两块钢板，其中一块为下剪切盒可滑动钢板，另一块与固定装置一体化设置；下剪切盒上方设有上剪切盒，上剪切盒包括对称设置的两块钢板，其中一块钢板外侧设有入射杆，另一块钢板外侧设有透射杆，入射杆与钢板之间设有PVDT动态压力传感器，入射杆上设有应变片；上剪切盒内设有承力板，承力板上方设有拉压传感器，传感器连接有数显仪表。
优选的，上剪切盒和下剪切盒上均设有剪切盒螺杆，剪切盒螺杆设于钢板四个角上，且贯穿两块钢板。
优选的，上剪切盒和入射杆之间设有连接件，入射杆和连接件通过胶水层固定连接。
优选的，连接件通过剪切盒螺杆固定于钢板上。
优选的，下剪切盒和固定装置之间开设下剪切盒与固定装置对应的螺丝孔位，并通过螺栓固定连接。
优选的，下剪切盒内设有混凝土-岩石试件，混凝土-岩石试件的界面高于下剪切盒钢板的界面。
优选的，承力板置于混凝土-岩石试件上，混凝土-岩石试件的界面低于上剪切盒钢板的界面；且混凝土-岩石试件的界面位于下剪切盒钢板界面和上剪切盒钢板界面的水平中线上。
以上任一所述用于霍普金森压杆的测试混凝土-岩石界面冲击抗剪性能的方法，所述方法包括以下步骤：
S1、对岩石试件的粘结面预处理，将岩石试件放入制作好的试模中，浇筑混凝土，养护至待测龄期，制得混凝土-岩石试件；
S2、标定PVDT动态压力传感器，将传感器视作普通抗压圆柱试件，贴在入射杆和透射杆之间，利用霍普金森压杆设备冲击，通过调节子弹速度，得到不同冲击速度下的应力，完成对传感器的标定；
S3、在上剪切盒的一侧钢板上粘贴PVDT动态压力传感器，采用胶水层将连接件固定在入射杆上，对齐连接件与上剪切盒钢板上的螺纹孔，穿过剪切盒螺杆，并通过螺栓将入射杆、连接件固定于上剪切盒的钢板上；
S4、将下剪切盒通过固定装置固定于设备支座上，放入混凝土-岩石试件，调节剪切盒螺杆、移动下剪切盒可滑动钢板夹紧试件，保证试件与下剪切盒之间不会产生相对滑移；
S5、调整入射杆高度，使得上剪切盒高于混凝土-岩石试件的界面的距离与下剪切盒低于混凝土-岩石试件的界面的距离相等；
S6、调节上剪切盒上的剪切盒螺杆，使得上剪切盒上的钢板夹紧混凝土-岩石试件；
S7、将拉压传感器和承力板连接好后置于S6中的试件上表面，并通过分离式液压千斤顶施加压应力；
S8、采用霍普金森压杆进行冲击加载，调节子弹速度，得到不同冲击速度及压应力下的混凝土-岩石试件界面的剪切应力-位移曲线。
通过以上装置及方法测试混凝土-岩石界面冲击抗剪性能时，冲击荷载由入射杆传递到上剪切盒，施加荷载时入射杆和上剪切盒共同运动；荷载由上剪切盒传递给混凝土，同时混凝土-岩石界面下侧的岩石被固定在设备支座上的下剪切盒限制了位移，因此混凝土和岩石之间的界面处于剪切的应力状态。压应力由千斤顶通过承力板传递给混凝土-岩石试件。下剪切盒通过固定装置固定在设备支座上，共同约束混凝土-岩石试件在加载方向上的移动，使得界面在冲击荷载下发生剪切破坏。剪切位移通过应变片测量得到，计算公式为：
Figure BDA0003698626620000031
其中，c0为波在杆中的传播速度为5060-5100m/s，εi为入射应变，εr为反射应变；冲击荷载F通过PVDT动态压力传感器测量得到，PVDT动态压力传感器测量的原理图如图1所示；法向荷载P通过拉压传感器测量得到，并通过外接的数显仪表读数。最终获得的混凝土-岩石试件界面的剪切应力-位移曲线如图2所示，其中剪切强度通过冲击荷载F除以PVDT动态压力传感器与钢板的粘结面积As得到，压应力由法向荷载P除以承力板上的加载面积A得到。
有益效果：(1)本发明所述装置优化了整体结构，大多采用可拆卸安装方式，并将入射杆和上剪切盒一体化设置，保证在施加荷载时二者共同运动，从而能够通过入射脉冲和反射脉冲计算剪切位移；(2)所述装置和方法能够适用于霍普金森压杆测试混凝土-岩石界面的冲击抗剪性能，直接测量不同冲击速率下的剪切荷载；且适用于多尺寸的试件，实现复杂应力下的压减破坏。
附图说明
图1是PVDT电压采集电路图；
图2是混凝土-岩石试件界面的剪切应力-剪切位移曲线图；
图3是本发明所述装置的三维结构示意图；
图4是本发明所述装置的二维结构示意图，其中(a)为俯视图，(b)为主视图；
图5为上剪切盒和入射杆间的连接件二维图，其中(a)为俯视图，(b)为主视图；
图6为下剪切盒和设备支座间的固定装置二维图，其中(a)为俯视图，(b)为左视图；
其中，1，连接件；2，胶水层；3，上剪切盒；4，剪切盒螺杆；5，承力板；6，拉压传感器；7，入射杆；8，应变片；9，透射杆；10，PVDT动态压力传感器；11，下剪切盒可滑动钢板；12，下剪切盒；13，固定装置；14，混凝土-岩石试件的界面，15，设备支座，16，数显仪表，17，下剪切盒与固定装置对应的螺丝孔位。
具体实施方式
以下实施例进一步说明本发明的内容，但不应理解为对本发明的限制。在不背离本发明精神和实质的情况下，对本发明方法、步骤或条件所作的修改和替换，均属于本发明的范围。若未特别指明，实施例中所用的技术手段为本领域技术人员所熟知的常规手段。
实施例1
如图3-6所示，用于霍普金森压杆的测试混凝土-岩石界面冲击抗剪性能的装置，所述装置包括通过固定装置13固定于设备支座15上的下剪切盒12，下剪切盒12包括对称设置的两块钢板，其中一块为下剪切盒可滑动钢板11，另一块与固定装置13一体化设置；下剪切盒12上方设有上剪切盒3，上剪切盒3包括对称设置的两块钢板，其中一块钢板外侧设有入射杆7，另一块钢板外侧设有透射杆9，入射杆7与钢板之间设有PVDT动态压力传感器10，入射杆7上设有应变片8；上剪切盒3内设有承力板5，承力板5上方设有拉压传感器6，传感器连接有数显仪表16。
上剪切盒3和下剪切盒12上均设有剪切盒螺杆4，剪切盒螺杆4设于钢板四个角上，且贯穿两块钢板。
上剪切盒3和入射杆7之间设有连接件1，入射杆7和连接件1通过胶水层2固定连接。
连接件1通过剪切盒螺杆4固定于钢板上。
下剪切盒12和固定装置13之间开设下剪切盒与固定装置对应的螺丝孔位17，并通过螺栓固定连接。
下剪切盒12内设有混凝土-岩石试件，混凝土-岩石试件的界面14高于下剪切盒12钢板的界面。
承力板5置于混凝土-岩石试件上，混凝土-岩石试件的界面14低于上剪切盒3钢板的界面；且混凝土-岩石试件的界面14位于下剪切盒12钢板界面和上剪切盒3钢板界面的水平中线上。
所述用于霍普金森压杆的测试混凝土-岩石界面冲击抗剪性能的方法，所述方法包括以下步骤：
S1、对岩石试件的粘结面预处理，将岩石试件放入制作好的试模中，浇筑混凝土，养护至待测龄期，制得混凝土-岩石试件；
S2、标定PVDT动态压力传感器10，将传感器视作普通抗压圆柱试件，贴在入射杆7和透射杆9之间，利用霍普金森压杆设备冲击，通过调节子弹速度，得到不同冲击速度下的应力，完成对传感器的标定；
S3、在上剪切盒3的一侧钢板上粘贴PVDT动态压力传感器10，采用胶水层2将连接件1固定在入射杆7上，对齐连接件1与上剪切盒3钢板上的螺纹孔，穿过剪切盒螺杆4，并通过螺栓将入射杆7、连接件1固定于上剪切盒3的钢板上；
S4、将下剪切盒12通过固定装置13固定于设备支座15上，放入混凝土-岩石试件，调节剪切盒螺杆4、移动下剪切盒可滑动钢板11夹紧试件，保证试件与下剪切盒12之间不会产生相对滑移；
S5、调整入射杆7高度，使得上剪切盒3高于混凝土-岩石试件的界面14的距离与下剪切盒12低于混凝土-岩石试件的界面14的距离相等；
S6、调节上剪切盒3上的剪切盒螺杆4，使得上剪切盒3上的钢板夹紧混凝土-岩石试件；
S7、将拉压传感器6和承力板5连接好后置于S6中的试件上表面，并通过分离式液压千斤顶施加压应力；
S8、采用霍普金森压杆进行冲击加载，调节子弹速度，得到不同冲击速度及压应力下的混凝土-岩石试件界面的剪切应力-位移曲线。
通过以上装置及方法测试混凝土-岩石界面冲击抗剪性能时，冲击荷载由入射杆7传递到上剪切盒3，施加荷载时入射杆7和上剪切盒3共同运动；荷载由上剪切盒3传递给混凝土，同时混凝土-岩石界面14下侧的岩石被固定在设备支座15上的下剪切盒12限制了位移，因此混凝土和岩石之间的界面处于剪切的应力状态。压应力由千斤顶通过承力板5传递给混凝土-岩石试件。下剪切盒12通过固定装置13固定在设备支座15上，共同约束混凝土-岩石试件在加载方向上的移动，使得界面在冲击荷载下发生剪切破坏。剪切位移通过应变片8测量得到，计算公式为：
Figure BDA0003698626620000051
其中，c0为波在杆中的传播速度为5060-5100m/s，εi为入射应变，εr为反射应变；冲击荷载F通过PVDT动态压力传感器10测量得到，PVDT动态压力传感器10测量的原理图如图1所示；法向荷载P通过拉压传感器6测量得到，并通过外接的数显仪表16读数。最终获得的混凝土-岩石试件界面14的剪切应力-位移曲线如图2所示，其中剪切强度通过冲击荷载F除以PVDT动态压力传感器10与钢板的粘结面积As得到，压应力由法向荷载P除以承力板5上的加载面积A得到。

Claims (9)

1.用于霍普金森压杆的测试混凝土-岩石界面冲击抗剪性能的装置，其特征在于，所述装置包括通过固定装置(13)固定于设备支座(15)上的下剪切盒(12)，下剪切盒(12)包括对称设置的两块钢板，其中一块为下剪切盒可滑动钢板(11)，另一块与固定装置(13)一体化设置；下剪切盒(12)上方设有上剪切盒(3)，上剪切盒(3)包括对称设置的两块钢板，其中一块钢板外侧设有入射杆(7)，另一块钢板外侧设有透射杆(9)，入射杆(7)与钢板之间设有PVDT动态压力传感器(10)，入射杆(7)上设有应变片(8)；上剪切盒(3)内设有承力板(5)，承力板(5)上方设有拉压传感器(6)，传感器连接有数显仪表(16)。
2.根据权利要求1所述的用于霍普金森压杆的测试混凝土-岩石界面冲击抗剪性能的装置，其特征在于，上剪切盒(3)和下剪切盒(12)上均设有剪切盒螺杆(4)，剪切盒螺杆(4)设于钢板四个角上，且贯穿两块钢板。
3.根据权利要求1所述的用于霍普金森压杆的测试混凝土-岩石界面冲击抗剪性能的装置，其特征在于，上剪切盒(3)和入射杆(7)之间设有连接件(1)，入射杆(7)和连接件(1)通过胶水层(2)固定连接。
4.根据权利要求3所述的用于霍普金森压杆的测试混凝土-岩石界面冲击抗剪性能的装置，其特征在于，连接件(1)通过剪切盒螺杆(4)固定于钢板上。
5.根据权利要求1所述的用于霍普金森压杆的测试混凝土-岩石界面冲击抗剪性能的装置，其特征在于，下剪切盒(12)和固定装置(13)之间开设下剪切盒与固定装置对应的螺丝孔位(17)，并通过螺栓固定连接。
6.根据权利要求1所述的用于霍普金森压杆的测试混凝土-岩石界面冲击抗剪性能的装置，其特征在于，下剪切盒(12)内设有混凝土-岩石试件，混凝土-岩石试件的界面(14)高于下剪切盒(12)钢板的界面。
7.根据权利要求1所述的用于霍普金森压杆的测试混凝土-岩石界面冲击抗剪性能的装置，其特征在于，承力板(5)置于混凝土-岩石试件上，混凝土-岩石试件的界面(14)低于上剪切盒(3)钢板的界面；且混凝土-岩石试件的界面(14)位于下剪切盒(12)钢板界面和上剪切盒(3)钢板界面的水平中线上。
8.权利要求1-7任一所述用于霍普金森压杆的测试混凝土-岩石界面冲击抗剪性能的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
S1、对岩石试件的粘结面预处理，将岩石试件放入制作好的试模中，浇筑混凝土，养护至待测龄期，制得混凝土-岩石试件；
S2、标定PVDT动态压力传感器(10)，将传感器视作普通抗压圆柱试件，贴在入射杆(7)和透射杆(9)之间，利用霍普金森压杆设备冲击，通过调节子弹速度，得到不同冲击速度下的应力，完成对传感器的标定；
S3、在上剪切盒(3)的一侧钢板上粘贴PVDT动态压力传感器(10)，采用胶水层(2)将连接件(1)固定在入射杆(7)上，对齐连接件(1)与上剪切盒(3)钢板上的螺纹孔，穿过剪切盒螺杆(4)，并通过螺栓将入射杆(7)、连接件(1)固定于上剪切盒(3)的钢板上；
S4、将下剪切盒(12)通过固定装置(13)固定于设备支座(15)上，放入混凝土-岩石试件，调节剪切盒螺杆(4)、移动下剪切盒可滑动钢板(11)夹紧试件，保证试件与下剪切盒(12)之间不会产生相对滑移；
S5、调整入射杆(7)高度，使得上剪切盒(3)高于混凝土-岩石试件的界面(14)的距离与下剪切盒(12)低于混凝土-岩石试件的界面(14)的距离相等；
S6、调节上剪切盒(3)上的剪切盒螺杆(4)，使得上剪切盒(3)上的钢板夹紧混凝土-岩石试件；
S7、将拉压传感器(6)和承力板(5)连接好后置于S6中的试件上表面，并通过分离式液压千斤顶施加压应力；
S8、采用霍普金森压杆进行冲击加载，调节子弹速度，得到不同冲击速度及压应力下的混凝土-岩石试件界面的剪切应力-位移曲线。
9.根据权利要求8所述的用于霍普金森压杆的测试混凝土-岩石界面冲击抗剪性能的方法，其特征在于，剪切位移μ通过应变片(8)测量得到，计算公式为：
Figure FDA0003698626610000021
其中，c0为波在杆中的传播速度为5060-5100m/s，εi为入射应变，εr为反射应变。
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