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        基于落錘試驗機的動態(tài)粘結(jié)滑移試驗裝置設(shè)計

        2015-04-27 02:46:24陳育志陳曉洪
        機床與液壓 2015年16期
        關(guān)鍵詞:落錘試驗機橫梁

        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(guān)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(shè)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(shè)備也不現(xiàn)實,因此對現(xiàn)有儀器設(shè)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(chǔ)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(shè)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(shè)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(shè)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(shè)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(shè)有用于穿過螺桿的兩個圓孔之外,橫梁中部也需要設(shè)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(shè)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(shè)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(shè)置數(shù)據(jù)采集裝置。荷載通??梢圆捎昧鞲衅鞑杉辰Y(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(shè)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(guān)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(shè)備基礎(chǔ)上,通過常規(guī)設(shè)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(shè)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(guān)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.

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