復合加載試驗裝置的開發與應用

劉承斌

(浙江大學建筑工程學院，浙江 杭州 310058)

1 引 言

土木工程結構構件通常受到軸力、彎矩、剪力和扭矩不同組合的作用，一般處于復合受力狀態[1]。為了真實地模擬結構或構件的受力狀態，需要配備具有相應功能的試驗儀器。對于大型結構構件和節點復雜加載，通常采用電液伺服作動器配合豎向千斤頂實現，更先進的是近幾年發展起來的大型多功能結構試驗系統[2,3]，不僅具備大尺寸的加載空間、自反力結構的高強度加載框架，而且具備了多通道電液伺服協同加載能力，缺點是成本較高，價格昂貴。對于小型的土試塊，水平荷載較小，有專門的壓剪儀供應。

隨著結構形式的日漸復雜和材料的再生利用，再生混凝土、既有構件加固以及碾壓混凝土的結合面質量備受關注，需要研究不同因素對層間抗剪承載力的影響，提高層間結合的質量，確保結構整體工作。目前，學術界一致認為，界面之間的粘結作用主要由化學粘結力、摩擦阻力和機械咬合力3部分組成，但對于不同的材料而言，哪一部分所占比重較大尚有待研究。通過市場調研發現，常規小型構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，且擴展性不強。

結合土木工程結構實驗室已有的電液伺服壓力試驗機和電液伺服作動器，設計制作了可進行壓剪試驗的小型加載裝置。該裝置可較真實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行為,且該裝置的可移植性較強，為實驗室進行相應的力學試驗提供了新手段。

2 壓剪加載試驗裝置的設計與制作

2.1 方案設計

壓剪復合裝置是對原有常規豎向加載系統的功能升級，因此在設計方案時，除遵循安全、經濟等原則外，尚需要結合具體試件的尺寸和水平荷載值綜合考慮。常規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；另外應具有較大的強度、剛度和穩定性，保證其能承受足夠的外部反力。

2.2 裝置設計與制作

經反復論證，最終確定的復合加載試驗裝置設計方案如圖1所示。該裝置包括整體臺架、水平千斤頂、百分表等。其中，整體臺架以長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。在左側端板(承受千斤頂水平反力)下部沿著底板長度方向前后各布置若干加勁肋，同時兩塊端板上部設置兩道拉桿，以增強整體加載系統的穩定性。

圖1 壓剪裝置示意圖

為便于加載，在底板上布置一個厚度50mm的基墊，將試樣放置在基墊上，可以保證試樣的水平。沿著基墊長度方向設置一個高75mm、寬200mm的水平鋼墊塊，用于承擔試件下部的水平反力。水平加載所用千斤頂與右側端板相連，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端頭之間設置一排滾軸，保證在豎向恒載和水平力作用下，能夠產生自由的水平變形和滑移。

整體臺架以Q345B鋼材制作，采用E43型焊條進行焊接。在加工制作時，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，不能出現虛焊，以免使整體結構的強度得不到保證，產生安全隱患。角焊縫的焊腳尺寸選定為6mm，以保證焊縫的最小承載能力，同時為了減小應力集中，表面做成直線形或凹形[4]。

2.3 復合加載試驗過程

以電液伺服作動器為例，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，利用手動油泵控制加載，采用力傳感器測讀加載值。位移量測使用機械百分表，利用磁性表座固定在底座上。切割不同尺寸的有機玻璃塊，粘貼于傳力裝置上，從而改進了以往的抗剪試驗中，需將有機玻璃粘貼于試塊表面的不足，極大提高了試驗效率。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。位移信號和力信號通過DH3816N靜態應變測試分析系統采集。壓剪裝置實景圖如圖2所示。

圖2 壓剪裝置實景圖

2.4 裝置的優點

從上述壓剪復合裝置的設計方案可以看出，主要在以下方面體現了明顯的優越性：

(1)整體臺架采用了自平衡體系，其加載能力取決于焊縫的承載能力，簡化了試驗項目的設計過程，且無需反力地槽。

(2)結構形式簡單，整體剛性好，模型對中方便。

(3)加載受力穩定，測試精度高，操作簡單靈活，使用方便。

(4)移植性強，可以與不同的電液伺服系統配套使用。

3 實際應用

碾壓混凝土在交通工程和水利工程中得到廣泛應用[5-7]，碾壓混凝土與常規商品混凝土的區別在于施工方式有所不同。常規混凝土采用振搗密實的方式進行施工，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行施工。碾壓混凝土壩既具有常規混凝土體積小、強度高、防滲性能好等特點，又具有施工程序方便的優點，但由于自身所具有的分層彈性體系，若施工時間歇時間控制不當，層與層之間的結合面易形成薄弱面，從而影響層間結合質量，造成安全隱患?？辜魪姸茸鳛楹饬扛鞣N層間結構結合質量的一項重要力學指標，在宏觀上反映了層間結合性能的好壞，所以研究抗剪強度具有重要的工程意義。

常規混凝土結構的試塊養護時間為28天，而碾壓混凝土試塊養護時間則為6個月。碾壓混凝土層間壓剪試驗過程需嚴格按照規程[8]的相關方法進行。綜合考慮后，取上部端面豎向力作用下最大豎向應力為3MPa，采用分級加載。數據處理時，每級豎向荷載的抗剪強度取3個試件的平均值，精確到小數點后1位。

試驗開始時，首先施加豎向荷載，待各個儀表讀數穩定后，測讀豎向位移值，接著，施加水平剪切荷載。在整個壓剪試驗過程中，豎向應力始終應保持恒定。剪切荷載的初始加載速率取為0.4MPa/min，隨著加載過程的進行，當某級剪切荷載所產生的水平變形值為上一級水平變形值的1.5倍或更大時，加載速率變為0.2MPa/min，直至試件剪斷，此時記錄所得到的最大剪切破壞荷載。在整個加載過程中，采用數據采集儀記錄剪力荷載值和水平向位移Δu。

在試件剪斷后，繼續施加水平荷載，間隔2s測試殘余剪切荷載值。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，抗剪強度與水平剪切位移呈線性關系，這是由于上下層面存在許多凸起點，類似于機械咬合力，整個結構處于彈性階段。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，直至達峰值抗剪強度τf，如圖3中的Δu1～Δu2段。當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處的抗剪強度分別定義為剪斷抗剪強度和殘余抗剪強度。

圖3 剪切試驗曲線

4 結 語

壓剪復合加載裝置原理簡單、操作方便，具有靈活的移植性，經試驗驗證碾壓混凝土所得到的層間抗剪強度精度較高，解決了以往研究中缺少相應壓剪裝置的問題，同時也為進一步設計其它復合加載裝置提供了寶貴的經驗。