劉承斌

(浙江大學(xué)建筑工程學(xué)院，浙江 杭州 310058)

1 引 言

土木工程結(jié)構(gòu)構(gòu)件通常受到軸力、彎矩、剪力和扭矩不同組合的作用，一般處于復(fù)合受力狀態(tài)[1]。為了真實(shí)地模擬結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的受力狀態(tài)，需要配備具有相應(yīng)功能的試驗(yàn)儀器。對(duì)于大型結(jié)構(gòu)構(gòu)件和節(jié)點(diǎn)復(fù)雜加載，通常采用電液伺服作動(dòng)器配合豎向千斤頂實(shí)現(xiàn)，更先進(jìn)的是近幾年發(fā)展起來的大型多功能結(jié)構(gòu)試驗(yàn)系統(tǒng)[2,3]，不僅具備大尺寸的加載空間、自反力結(jié)構(gòu)的高強(qiáng)度加載框架，而且具備了多通道電液伺服協(xié)同加載能力，缺點(diǎn)是成本較高，價(jià)格昂貴。對(duì)于小型的土試塊，水平荷載較小，有專門的壓剪儀供應(yīng)。

隨著結(jié)構(gòu)形式的日漸復(fù)雜和材料的再生利用，再生混凝土、既有構(gòu)件加固以及碾壓混凝土的結(jié)合面質(zhì)量備受關(guān)注，需要研究不同因素對(duì)層間抗剪承載力的影響，提高層間結(jié)合的質(zhì)量，確保結(jié)構(gòu)整體工作。目前，學(xué)術(shù)界一致認(rèn)為，界面之間的粘結(jié)作用主要由化學(xué)粘結(jié)力、摩擦阻力和機(jī)械咬合力3部分組成，但對(duì)于不同的材料而言，哪一部分所占比重較大尚有待研究。通過市場(chǎng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，常規(guī)小型構(gòu)件的水平荷載通常在10kN～300kN之間，荷載值不大不小，目前尚無成套的儀器供應(yīng)，且擴(kuò)展性不強(qiáng)。

結(jié)合土木工程結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室已有的電液伺服壓力試驗(yàn)機(jī)和電液伺服作動(dòng)器，設(shè)計(jì)制作了可進(jìn)行壓剪試驗(yàn)的小型加載裝置。該裝置可較真實(shí)地模擬不同層間界面在豎向壓縮和水平剪切共同作用下的力學(xué)行為,且該裝置的可移植性較強(qiáng)，為實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行相應(yīng)的力學(xué)試驗(yàn)提供了新手段。

2 壓剪加載試驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)與制作

2.1 方案設(shè)計(jì)

壓剪復(fù)合裝置是對(duì)原有常規(guī)豎向加載系統(tǒng)的功能升級(jí)，因此在設(shè)計(jì)方案時(shí)，除遵循安全、經(jīng)濟(jì)等原則外，尚需要結(jié)合具體試件的尺寸和水平荷載值綜合考慮。常規(guī)混凝土試塊尺寸較小，一般為150×150×150mm，但所需豎向和水平加載值均較大，這對(duì)裝置本身提出了不同的要求，一方面是體積要小，且不易太重，便于安裝和搬運(yùn)；另外應(yīng)具有較大的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性，保證其能承受足夠的外部反力。

2.2 裝置設(shè)計(jì)與制作

經(jīng)反復(fù)論證，最終確定的復(fù)合加載試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)方案如圖1所示。該裝置包括整體臺(tái)架、水平千斤頂、百分表等。其中，整體臺(tái)架以長(zhǎng)830mm、寬380mm、厚20mm鋼板作為水平底板，直接放置于地面，無須和地面連接。以2塊高410mm、厚20mm豎向鋼板作為端板，與底板焊接。在左側(cè)端板(承受千斤頂水平反力)下部沿著底板長(zhǎng)度方向前后各布置若干加勁肋，同時(shí)兩塊端板上部設(shè)置兩道拉桿，以增強(qiáng)整體加載系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

圖1 壓剪裝置示意圖

為便于加載，在底板上布置一個(gè)厚度50mm的基墊，將試樣放置在基墊上，可以保證試樣的水平。沿著基墊長(zhǎng)度方向設(shè)置一個(gè)高75mm、寬200mm的水平鋼墊塊，用于承擔(dān)試件下部的水平反力。水平加載所用千斤頂與右側(cè)端板相連，活塞與一L形連桿相接觸。L形連桿一方面可以不產(chǎn)生彎矩，只傳遞水平剪力，另一方面可以保證豎向力均勻加載。在試件上部端面和加載點(diǎn)端頭之間設(shè)置一排滾軸，保證在豎向恒載和水平力作用下，能夠產(chǎn)生自由的水平變形和滑移。

整體臺(tái)架以Q345B鋼材制作，采用E43型焊條進(jìn)行焊接。在加工制作時(shí)，必須確保下料和定位具有一定的精度，保證橫平豎直。所有的連接都采用焊接完成，工作量較大，但須保證焊接工藝的水準(zhǔn)，不能出現(xiàn)虛焊，以免使整體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度得不到保證，產(chǎn)生安全隱患。角焊縫的焊腳尺寸選定為6mm，以保證焊縫的最小承載能力，同時(shí)為了減小應(yīng)力集中，表面做成直線形或凹形[4]。

2.3 復(fù)合加載試驗(yàn)過程

以電液伺服作動(dòng)器為例，在試件剪切過程中能夠保證豎向壓力恒定。水平加載采用液壓千斤頂，利用手動(dòng)油泵控制加載，采用力傳感器測(cè)讀加載值。位移量測(cè)使用機(jī)械百分表，利用磁性表座固定在底座上。切割不同尺寸的有機(jī)玻璃塊，粘貼于傳力裝置上，從而改進(jìn)了以往的抗剪試驗(yàn)中，需將有機(jī)玻璃粘貼于試塊表面的不足，極大提高了試驗(yàn)效率。量程為500kN 的壓力傳感器放置于剛性反力架和千斤頂之間，用于采集壓力信號(hào)。位移信號(hào)和力信號(hào)通過DH3816N靜態(tài)應(yīng)變測(cè)試分析系統(tǒng)采集。壓剪裝置實(shí)景圖如圖2所示。

圖2 壓剪裝置實(shí)景圖

2.4 裝置的優(yōu)點(diǎn)

從上述壓剪復(fù)合裝置的設(shè)計(jì)方案可以看出，主要在以下方面體現(xiàn)了明顯的優(yōu)越性：

(1)整體臺(tái)架采用了自平衡體系，其加載能力取決于焊縫的承載能力，簡(jiǎn)化了試驗(yàn)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)過程，且無需反力地槽。

(2)結(jié)構(gòu)形式簡(jiǎn)單，整體剛性好，模型對(duì)中方便。

(3)加載受力穩(wěn)定，測(cè)試精度高，操作簡(jiǎn)單靈活，使用方便。

(4)移植性強(qiáng)，可以與不同的電液伺服系統(tǒng)配套使用。

3 實(shí)際應(yīng)用

碾壓混凝土在交通工程和水利工程中得到廣泛應(yīng)用[5-7]，碾壓混凝土與常規(guī)商品混凝土的區(qū)別在于施工方式有所不同。常規(guī)混凝土采用振搗密實(shí)的方式進(jìn)行施工，而碾壓混凝土采用薄層攤鋪，逐層碾壓和逐層上升填筑的方式進(jìn)行施工。碾壓混凝土壩既具有常規(guī)混凝土體積小、強(qiáng)度高、防滲性能好等特點(diǎn)，又具有施工程序方便的優(yōu)點(diǎn)，但由于自身所具有的分層彈性體系，若施工時(shí)間歇時(shí)間控制不當(dāng)，層與層之間的結(jié)合面易形成薄弱面，從而影響層間結(jié)合質(zhì)量，造成安全隱患?？辜魪?qiáng)度作為衡量各種層間結(jié)構(gòu)結(jié)合質(zhì)量的一項(xiàng)重要力學(xué)指標(biāo)，在宏觀上反映了層間結(jié)合性能的好壞，所以研究抗剪強(qiáng)度具有重要的工程意義。

常規(guī)混凝土結(jié)構(gòu)的試塊養(yǎng)護(hù)時(shí)間為28天，而碾壓混凝土試塊養(yǎng)護(hù)時(shí)間則為6個(gè)月。碾壓混凝土層間壓剪試驗(yàn)過程需嚴(yán)格按照規(guī)程[8]的相關(guān)方法進(jìn)行。綜合考慮后，取上部端面豎向力作用下最大豎向應(yīng)力為3MPa，采用分級(jí)加載。數(shù)據(jù)處理時(shí)，每級(jí)豎向荷載的抗剪強(qiáng)度取3個(gè)試件的平均值，精確到小數(shù)點(diǎn)后1位。

試驗(yàn)開始時(shí)，首先施加豎向荷載，待各個(gè)儀表讀數(shù)穩(wěn)定后，測(cè)讀豎向位移值，接著，施加水平剪切荷載。在整個(gè)壓剪試驗(yàn)過程中，豎向應(yīng)力始終應(yīng)保持恒定。剪切荷載的初始加載速率取為0.4MPa/min，隨著加載過程的進(jìn)行，當(dāng)某級(jí)剪切荷載所產(chǎn)生的水平變形值為上一級(jí)水平變形值的1.5倍或更大時(shí)，加載速率變?yōu)?.2MPa/min，直至試件剪斷，此時(shí)記錄所得到的最大剪切破壞荷載。在整個(gè)加載過程中，采用數(shù)據(jù)采集儀記錄剪力荷載值和水平向位移Δu。

在試件剪斷后，繼續(xù)施加水平荷載，間隔2s測(cè)試殘余剪切荷載值。典型的剪切曲線如圖3所示，從圖中可以看出，在曲線的0～Δu1段，抗剪強(qiáng)度與水平剪切位移呈線性關(guān)系，這是由于上下層面存在許多凸起點(diǎn)，類似于機(jī)械咬合力，整個(gè)結(jié)構(gòu)處于彈性階段。隨著水平荷載的不斷增大，層與層之間凸起點(diǎn)不斷被剪斷，在同等的位移下，剪切力變小，所以曲線斜率逐漸變小，直至達(dá)峰值抗剪強(qiáng)度τf，如圖3中的Δu1～Δu2段。當(dāng)水平位移超過峰值位移Δu2后，水平剪切承載力逐漸下降，見Δu2～Δu3段，抗剪強(qiáng)度隨著水平剪切位移呈快速下降，然后變緩，從而表明剪切面具有殘余剪切承載力τr。Δu2及Δu3處的抗剪強(qiáng)度分別定義為剪斷抗剪強(qiáng)度和殘余抗剪強(qiáng)度。

圖3 剪切試驗(yàn)曲線

4 結(jié) 語

壓剪復(fù)合加載裝置原理簡(jiǎn)單、操作方便，具有靈活的移植性，經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證碾壓混凝土所得到的層間抗剪強(qiáng)度精度較高，解決了以往研究中缺少相應(yīng)壓剪裝置的問題，同時(shí)也為進(jìn)一步設(shè)計(jì)其它復(fù)合加載裝置提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。