基于落錘試驗機的動態粘結滑移試驗裝置設計

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作用，這種作用使鋼筋與混凝土之間能夠實現應力傳遞，從而在鋼筋與混凝土中建立起結構承載所必須的工作應力。因此，鋼筋與混凝土之間的粘結滑移關系對研究鋼筋混凝土結構有著重要意義。國內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］。結構在地震、沖擊、爆炸等作用下，其內部鋼筋與混凝土以及兩者之間的相互粘結是承受動荷載作用的。常規力學試驗機僅能進行靜態加載，即便是電液伺服加載系統，也只能適合進行10－2/s 以下應變率試驗［3］。

圖1 實驗室內已有落錘試驗機

落錘式沖擊試驗機是一種簡單、可靠、重復性好的加載裝置。落錘加載系統由垂直軌道和自由落體的重物及高度測量系統組成，圖1為實驗室內現有的落錘試驗機。沖擊載荷由重錘的自由下落撞擊到試樣上，可以通過調節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 粘結滑移拔出試件

拔出試驗是研究鋼筋與混凝土粘結滑移性能常采用的一種方法，試件如圖2 所示，現有的試驗機無法將落錘的沖擊轉化為鋼筋的拔出荷載，并同時記錄鋼筋拔出的荷載滑移數據。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，針對每種試驗都生產采購對應設備也不現實，因此對現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。根據試件和落錘試驗機自身構造，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粘結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，必須設計一種能夠將落錘沖擊荷載轉換為鋼筋拔出力的裝置。

該荷載轉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，不會發生脆性破壞; (3) 剛度較大，能夠將落錘沖擊力快速直接傳遞到鋼筋上，剛度較小會產生“吸能”效應，減弱落錘的沖擊作用; (4) 構造貼合落錘試驗機，便于安裝。

基于上述考慮，將荷載轉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。可以采用45 號鋼加工制成。

圖3 荷載轉換裝置的正視圖和側視圖

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造。為避免在落錘沖擊作用下整個框架的失穩，參照落錘的構造，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，不會出現大幅度的倒塌失穩現象。

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 上橫梁構造俯視圖

圖5 下橫梁構造俯視圖

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。為避免這一現象的出現，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強度從初始至峰值再降至趨于穩定，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滑移試驗，必然要使鋼筋與混凝土之間發生相對位移。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，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 數據采集裝置

鋼筋拔出力以及鋼筋混凝土粘結滑移值是進行粘結滑移試驗必須要采集的數據，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據，因此必須另外設置數據采集裝置。荷載通常可以采用力傳感器采集，粘結滑移數據可以采用位移計(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 數據采集裝置

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。為實現不同直徑鋼筋與力傳感器連接，還應加工不同規格的內外螺紋螺帽，如圖7 所示。內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，鋼筋螺紋可以擰進圖7 所示的內螺紋。

圖7 內外螺紋螺帽

圖8 拉力傳感器

2 試驗方法

根據上述試驗裝置設計，基于落錘試驗機的動態粘結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，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應變儀，并調整動態應變儀準備采集數據;

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

整個試驗裝置最后安裝完成如圖9 所示。

圖9 基于落錘的粘結滑移試驗示意圖

3 結束語

作者在落錘試驗機、拉力傳感器以及動態應變儀這些實驗室內已有的試驗設備基礎上，通過常規設計加工手段，完成了基于落錘試驗機的動態粘結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。通過文中研究，能夠以高于常規力學試驗機的加載速率進行鋼筋混凝土粘結滑移試驗研究，為進行鋼筋混凝土結構動態理論研究提供參考。

［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．鋼筋與混凝土粘結本構關系的試驗研究［J］．建筑結構學報，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．巖石力學動態試驗系統研制［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．