陳育志，陳曉洪

(金陵科技學院建筑工程學院，江蘇南京211169)

鋼筋和混凝土這兩種性質(zhì)不同的材料之所以能夠共同工作，很重要的一個原因就是這兩者之間存在著粘結(jié)作用，這種作用使鋼筋與混凝土之間能夠?qū)崿F(xiàn)應力傳遞，從而在鋼筋與混凝土中建立起結(jié)構(gòu)承載所必須的工作應力。因此，鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)滑移關系對研究鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)有著重要意義。國內(nèi)外學者就此開展了大量的試驗研究，并取得了大量研究成果，但這些研究大多是在靜載作用下得到的［1－2］。結(jié)構(gòu)在地震、沖擊、爆炸等作用下，其內(nèi)部鋼筋與混凝土以及兩者之間的相互粘結(jié)是承受動荷載作用的。常規(guī)力學試驗機僅能進行靜態(tài)加載，即便是電液伺服加載系統(tǒng)，也只能適合進行10－2/s 以下應變率試驗［3］。

圖1 實驗室內(nèi)已有落錘試驗機

落錘式?jīng)_擊試驗機是一種簡單、可靠、重復性好的加載裝置。落錘加載系統(tǒng)由垂直軌道和自由落體的重物及高度測量系統(tǒng)組成，圖1為實驗室內(nèi)現(xiàn)有的落錘試驗機。沖擊載荷由重錘的自由下落撞擊到試樣上，可以通過調(diào)節(jié)不同的落錘下落距離、落錘重力來獲得不同的載荷脈沖的波形［4－5］。落錘試驗適用的應變率范圍可達10/s。

圖2 粘結(jié)滑移拔出試件

拔出試驗是研究鋼筋與混凝土粘結(jié)滑移性能常采用的一種方法，試件如圖2 所示，現(xiàn)有的試驗機無法將落錘的沖擊轉(zhuǎn)化為鋼筋的拔出荷載，并同時記錄鋼筋拔出的荷載滑移數(shù)據(jù)。但任何儀器設備都不是萬能的，隨著科學研究的不斷深入，各種新型試驗方法也將不斷涌現(xiàn)，針對每種試驗都生產(chǎn)采購對應設備也不現(xiàn)實，因此對現(xiàn)有儀器設備進行簡單改造從而使其滿足試驗要求，是研究人員應具備的基本能力。根據(jù)試件和落錘試驗機自身構(gòu)造，在試驗機原有基礎上稍作改動，加工適當裝置，使其滿足鋼筋混凝土動態(tài)粘結(jié)滑移試驗的要求是一項很有意義的工作。

1 試驗裝置設計

1.1 荷載轉(zhuǎn)換裝置

落錘試驗機的加載原理是，將一定重力的落錘升至指定高度后釋放，做自由落體運動撞擊加載對象，因此落錘試驗機施加的是一種沖擊壓力。而進行鋼筋粘結(jié)性能研究，需要拉荷載將鋼筋從混凝土中拔出，因此進行粘結(jié)滑移試驗研究需要施加拉荷載。若想利用落錘試驗機的沖擊荷載將鋼筋從混凝土中拔出，必須設計一種能夠?qū)⒙溴N沖擊荷載轉(zhuǎn)換為鋼筋拔出力的裝置。

該荷載轉(zhuǎn)換裝置應具有一些基本要求: (1) 強度較高，能夠承受落錘的沖擊; (2) 有一定的彈塑性，能夠在落錘沖擊作用下反復使用，不會發(fā)生脆性破壞; (3) 剛度較大，能夠?qū)⒙溴N沖擊力快速直接傳遞到鋼筋上，剛度較小會產(chǎn)生“吸能”效應，減弱落錘的沖擊作用; (4) 構(gòu)造貼合落錘試驗機，便于安裝。

基于上述考慮，將荷載轉(zhuǎn)換裝置設計為由兩根螺桿穿過上下兩個橫梁并固定的框架，如圖3 所示?？梢圆捎?5 號鋼加工制成。

圖3 荷載轉(zhuǎn)換裝置的正視圖和側(cè)視圖

如圖3 所示，框架將置于落錘的正下方，框架上部橫梁將直接承受落錘的沖擊作用，下部橫梁通過連接件與粘結(jié)滑移拔出試件的鋼筋連接，通過圖3 所示的框架，將把落錘的沖擊荷載轉(zhuǎn)換為鋼筋的拔出力。為加強上下橫梁的剛度和便于螺桿穿過橫梁，宜將橫梁加工為雙腹板構(gòu)造。為避免在落錘沖擊作用下整個框架的失穩(wěn)，參照落錘的構(gòu)造，將上橫梁的翼緣中間設計為與落錘試驗機軌道相吻合的凹槽，如圖4 所示。由于軌道的約束作用，整個框架在落錘沖擊作用下將僅能沿著軌道向下運動，不會出現(xiàn)大幅度的倒塌失穩(wěn)現(xiàn)象。

下部橫梁除了兩端設有用于穿過螺桿的兩個圓孔之外，橫梁中部也需要設有穿孔，用于通過螺桿與鋼筋拔出端連接，從而對鋼筋拔出端施加拉力，下部橫梁見圖5。

圖4 上橫梁構(gòu)造俯視圖

圖5 下橫梁構(gòu)造俯視圖

1.2 位移限位裝置

如果落錘沖擊荷載過大，遠大于鋼筋與混凝土的最大粘結(jié)荷載，那么在落錘的沖擊作用下，鋼筋從混凝土中被拔出后仍會以較大速度向下運動，從而砸壞下部儀器裝置。為避免這一現(xiàn)象的出現(xiàn)，應在圖3 所示的框架上部橫梁底部設一限位裝置。通過預試驗得出鋼筋與混凝土粘結(jié)強度從初始至峰值再降至趨于穩(wěn)定，整個過程鋼筋與混凝土的滑移值約10 mm，因此確定將限位裝置固定于上部橫梁下方1 ～2 cm 處，可以采用角鋼或槽鋼加工制成，采用螺栓固定于落錘試驗機機架上。

1.3 試件固定裝置

進行鋼筋與混凝土的粘結(jié)滑移試驗，必然要使鋼筋與混凝土之間發(fā)生相對位移。通常做法為固定混凝土部分，對鋼筋施加拔出力。因此，整個裝置中還需要設置試件的固定部分。該部分可以參照位移限位裝置，將兩個槽鋼分別固定于落錘試驗機機架前后兩側(cè)，兩個槽鋼處于同一高度，可以將試件擱置于該槽鋼上，阻止試件混凝土部分向下移動，或者可以在落錘試驗機底部安裝試件固定裝置用于放置試件。

1.4 數(shù)據(jù)采集裝置

鋼筋拔出力以及鋼筋混凝土粘結(jié)滑移值是進行粘結(jié)滑移試驗必須要采集的數(shù)據(jù)，由于落錘試驗機僅提供了落錘沖擊能量，無法采集上述試驗數(shù)據(jù)，因此必須另外設置數(shù)據(jù)采集裝置。荷載通常可以采用力傳感器采集，粘結(jié)滑移數(shù)據(jù)可以采用位移計(LVDT) 采集，將力傳感器和位移計(LVDT) 連接至動態(tài)應變儀，見圖6。需要指出的是，位移計(LVDT) 應固定于試件混凝土上，伸縮導桿壓緊鋼筋自由端。

圖6 數(shù)據(jù)采集裝置

為使鋼筋與拉力傳感器連接，在試件澆筑之前將鋼筋一端加工為外螺紋，并作為鋼筋的拔出端。為實現(xiàn)不同直徑鋼筋與力傳感器連接，還應加工不同規(guī)格的內(nèi)外螺紋螺帽，如圖7 所示。內(nèi)外螺紋螺帽外螺紋與力傳感器對應，可以擰進如圖8 所示的拉力傳感器內(nèi)，鋼筋螺紋可以擰進圖7 所示的內(nèi)螺紋。

圖7 內(nèi)外螺紋螺帽

圖8 拉力傳感器

2 試驗方法

根據(jù)上述試驗裝置設計，基于落錘試驗機的動態(tài)粘結(jié)滑移試驗方法可按照如下步驟操作:

(1) 安裝如圖3 所示的荷載轉(zhuǎn)換裝置框架，抬高上部橫梁使落錘軌道置于如圖4 所示的翼緣凹槽內(nèi)，上部橫梁抬高至限位裝置安裝位置上方后，安裝限位裝置，限位裝置安裝完成后，將上部橫梁擱置于限位裝置上;

(2) 安裝試件固定裝置，將試件放置在試件固定裝置上，將試件鋼筋拔出端向下;

(3) 將拉力傳感器一端與試件鋼筋拔出端連接，拉力傳感器另一端連接螺桿，該螺桿下端穿過圖5 所示下部橫梁翼緣上的中間通孔，用螺母固定在下部橫梁上;

(4) 安裝圖3 中豎向螺桿，使豎桿穿過下部橫梁和上部橫梁的兩邊孔，抬高上部橫梁至限位裝置上方1 ～2 cm，固定上部橫梁、下部橫梁和豎桿三者相對位置。

(5) 安裝位移計(LVDT) ，架立表架，使位移計抵住試件鋼筋自由端，將位移計和拉力傳感器連接至動態(tài)應變儀，并調(diào)整動態(tài)應變儀準備采集數(shù)據(jù);

(6) 升高落錘至指定高度，使落錘落下沖擊荷載轉(zhuǎn)換裝置框架的上部橫梁，沖擊荷載將通過豎桿和下部橫梁，經(jīng)拉力傳感器，對試件鋼筋施加拔出力，該過程中動態(tài)應變儀記錄下拉力傳感器數(shù)值和位移計數(shù)值，對數(shù)據(jù)進行處理即可得到鋼筋從試件混凝土中拔出過程的粘結(jié)滑移關系。

整個試驗裝置最后安裝完成如圖9 所示。

圖9 基于落錘的粘結(jié)滑移試驗示意圖

3 結(jié)束語

作者在落錘試驗機、拉力傳感器以及動態(tài)應變儀這些實驗室內(nèi)已有的試驗設備基礎上，通過常規(guī)設計加工手段，完成了基于落錘試驗機的動態(tài)粘結(jié)滑移試驗裝置及方法研究。在整個研究過程中，所有手段易于操作，而且考慮了裝置安裝方便性和試驗過程中設備保護等細節(jié)。通過文中研究，能夠以高于常規(guī)力學試驗機的加載速率進行鋼筋混凝土粘結(jié)滑移試驗研究，為進行鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)動態(tài)理論研究提供參考。

［1］宋玉普，趙國藩．鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)滑移性能研究［J］．大連工學院學報，1987(2) :93－100．

［2］趙羽習，金偉良．鋼筋與混凝土粘結(jié)本構(gòu)關系的試驗研究［J］．建筑結(jié)構(gòu)學報，2002，23(1) :32－37．

［3］ROSSI P，MIEX V．Effect of Loading Rate on the Strength of Concrete Subjected to Uniaxial Tension［J］．Material and Structures，1994(27) :260－264．

［4］田和金，王飚，張新，等．巖石力學動態(tài)試驗系統(tǒng)研制［J］．西安石油學院學報，1998，13(1) :19－21．

［5］盧子興，田常津，韓銘寶，等．聚氨酯泡沫塑料沖擊力學特性的試驗研究［J］．高分子材料與工程，1995 (11) :76－81．