一種衝擊拉拔的實驗裝置及實驗方法
2023-06-04 20:58:26
一種衝擊拉拔的實驗裝置及實驗方法
【專利摘要】本發明公開了一種衝擊拉拔的實驗裝置及實驗方法。本發明利用衝擊靶，鋼絲繩和定滑輪，將質量塊自由落體作用在衝擊靶上的動態衝擊壓力轉換成作用到混凝土中鋼筋上的動態拉拔力，從而實現了鋼筋混凝土的動態衝擊拉拔實驗；其次，利用油壓裝置的巧妙設計，有效解決了拉拔過程中混凝土保護層劈裂問題，實現了施加圍壓下的鋼筋混凝土動態衝擊拉拔實驗。本發明裝置可以實現四種類型的實驗，分別是：動態衝擊載荷作用下錨固粘結應力分布研究、裂縫間隙粘結應力分布研究，以及圍壓狀態下動態衝擊的錨固粘結應力分布和裂縫間隙粘結應力分布。
【專利說明】一種衝擊拉拔的實驗裝置及實驗方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種衝擊拉拔的實驗裝置及實驗方法，具體涉及一種衝擊加載作用下鋼筋混凝土錨固粘結應力和裂縫間隙粘結應力的實驗裝置及實驗方法。
【背景技術】
[0002]鋼筋與混凝土的粘結是鋼筋與外圍混凝土之間一種複雜的相互作用，是兩種材料所組成的複合構件得以工作的前提，一般將鋼筋混凝土受力後沿鋼筋和混凝土接觸面上產生的剪應力定義為粘結應力。根據粘結應力分布特點，一般可將其分為錨固粘結應力和裂縫間隙粘結應力。1990年徐有鄰的論文「變形鋼筋一混凝土粘結錨固性能試驗研究」、2001年趙羽習的論文「鋼筋混凝土結構粘結性能和耐久性的研究」研究的是準靜態加載作用下的鋼筋混凝土錨固粘結性能，且後者考慮了生鏽鋼筋對粘結性能的影響；2004年鄭曉燕的論文「鏽蝕鋼筋與混凝土動態粘結性能研究」研究的是循環三角形脈衝(模擬地震荷載)加載作用下的鋼筋混凝土錨固粘結性能；對於衝擊載荷作用下，鋼筋混凝土粘結應力分布的實驗數據相當缺乏。事實上，很多鋼筋混凝土結構的破壞都是受到突然地衝擊載荷作用，要對這些結構進行有限元分析，鋼筋混凝土的動態粘結應力分布就顯得尤為的重要。
【發明內容】
[0003]本發明旨在提供一種衝擊拉拔的實驗裝置及實驗方法，用以研究鋼筋混凝土動態粘結本構。根據不同的實驗要求，本發明可做多種衝擊拉拔實驗，包括簡單衝擊拉拔實驗、施加圍壓的簡單衝擊拉拔實驗、雙向加載的衝擊拉拔實驗、施加圍壓的雙向加載的衝擊拉拔試驗，以研究鋼筋混凝土的粘結性能。
[0004]本發明提供了一種衝擊拉拔的實驗裝置，包括落錘、衝擊傳力裝置、測量裝置、試件及其固定加載裝置，其特徵在於:所述落錘為衝擊質量塊；所述衝擊傳力裝置包括衝擊靶、導軌、鋼絲繩、定滑輪，落錘施加動態載荷在衝擊靶上，衝擊靶在豎直導軌上運行，導軌固定在底座上，定滑輪固定在基座上，鋼絲繩繞過定滑輪連接衝擊靶和試件端部；所述測量裝置包括力傳感器、光纖應變傳感器、金屬應變片傳感器，在鋼絲繩和試件連接處設有第一力傳感器，光纖應變傳感器埋置在混凝土中，金屬應變片傳感器貼在鋼筋內剖面上和鋼筋混凝土試件外表面上；所述試件固定加載裝置包括多功能箱，多功能箱內設有油壓腔室和內腔室，內腔室位於油壓腔室的中心位置，多功能箱為長方體結構，多功能箱內部設有乳膠套固定環板，多功能箱左端中心部位設有孔，孔的中心線與內腔室的軸線一致，油壓腔室底部設有進油口，頂部設有排氣口 ；內腔室安裝鋼筋混凝土試件，試件為圓柱體結構，試件中心為鋼筋，鋼筋與混凝土接觸的兩端部設有PVC套管，試件外側設有乳膠套，乳膠套的中間部分與試件接觸，兩端套在乳膠套固定環板上，在乳膠套固定環板外側設有緊固套環，乳膠套兩端通過套環緊固；多功能箱端部設有後蓋，多功能箱固定在基座上。
[0005]上述實驗裝置中，所述衝擊靶與導軌為活塞式接觸，導軌為內部空心的長方體結構，導軌上設有槽，鋼絲繩在槽內運行，同時保證導軌內外氣流暢通，鋼絲繩固定在距離衝擊靶頂端的三分之一處，通過球鉸鏈連接，衝擊靶運行高度範圍為0-5cm，衝擊靶在導軌上運行方向與落錘導軌相平行。
[0006]上述實驗裝置中，所述多功能箱由箱體和箱蓋組成，箱體和箱蓋通過螺栓連接，箱體與箱蓋連接處設有一圈橡膠圈。
[0007]上述實驗裝置中，所述試件的左端伸出的鋼筋與鋼絲繩連接，鋼筋與鋼絲繩之間設有用於測量衝擊拉拔力的第一力傳感器，所述試件右端伸出的鋼筋固定在後蓋的螺杆上，鋼筋與螺杆之間設有用於測量鋼筋約束力的第二力傳感器。
[0008]上述實驗裝置中，所述第一力傳感器和第二力傳感器均為高精度力傳感器，所述光纖應變傳感器、金屬應變片傳感器、第一力傳感器和第二力傳感器均通過金屬導線與高性能的示波器連接。
[0009]上述實驗裝置中，所述衝擊質量塊、導軌、衝擊靶、多功能箱的材料均為高強度鋼，所述鋼絲繩的材料為具有高強度的細鋼絲擰成。
[0010]本發明提供了一種衝擊拉拔的實驗方法，它包括以下步驟:
(1)將試件固定在內腔室，一端伸出的鋼筋與鋼絲繩連接，根據擬測試的鋼筋混凝土動態粘結應力分布類型來設置力傳感器；
(2)衝擊質量塊以一定高度自由落體衝擊在衝擊靶上，鋼絲繩把衝擊靶上的動態壓力荷載轉換成動態拉伸荷載作用到鋼筋上，使得鋼筋混凝土裡的鋼筋被快速拉拔，通過力傳感器、光纖應變傳感器和金屬應變片傳感器分別測量拉拔鋼筋的力、混凝土應變和鋼筋應變，從而得到鋼筋混凝土的動態粘結本構；
(3)調節質量塊釋放高度，重複上述步驟，可研究加載率對鋼筋混凝土動態粘結應力分布的影響。
[0011]上述實驗方法中，研究錨固粘結應力分布時，在所述步驟(I)中，試件一端伸出的鋼筋與鋼絲繩連接，鋼筋與鋼絲繩之間設有第一力傳感器。
[0012]上述實驗方法中，研究裂縫間隙動態粘結應力分布時，在所述步驟(I)中，試件的左端伸出的鋼筋與鋼絲繩連接，鋼筋與鋼絲繩之間設有第一力傳感器，試件右端伸出的鋼筋固定在後蓋的螺杆上，鋼筋與螺杆之間設有第二力傳感器。
[0013]上述實驗方法中，研究施加圍壓的錨固粘結應力分布或裂縫間隙的粘結應力分布時，在所述第(I)步驟後，增加施加圍壓的工藝:打開油壓腔的排氣口，通過油壓腔室的進油口進油，對內腔室施加圍壓作用在試件側面上。
[0014]本發明的有益效果:
(1)本發明利用衝擊靶，鋼絲繩和定滑輪，將質量塊自由落體作用在衝擊靶上的動態衝擊壓力轉換成作用到混凝土中鋼筋上的動態拉拔力，從而實現了鋼筋混凝土的動態衝擊拉拔實驗；
(2)本發明利用油壓裝置的巧妙設計，有效解決了拉拔過程中混凝土保護層劈裂問題，實現了施加圍壓下的鋼筋混凝土動態衝擊拉拔實驗；
(3)本發明裝置可以實現四種類型的實驗，分別是:動態衝擊載荷作用下錨固粘結應力分布研究、裂縫間隙粘結應力分布研究，以及圍壓狀態下動態衝擊的錨固粘結應力分布和裂縫間隙粘結應力分布。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0015]圖1為衝擊拉拔實驗裝置的結構示意圖(剖視)。
[0016]圖2為本發明衝擊靶系統的中心剖面圖。
[0017]圖3為圖2中沿A-A線的剖視圖。
[0018]圖4為本發明多功能箱的中心剖視圖。
[0019]圖5為圖4中沿B-B線的剖視圖(放大)。
[0020]圖6為多功能箱箱體的俯視圖(移去箱蓋)。
[0021]圖中I為落錘,2為衝擊祀,3為導軌,4為定滑輪,5為鋼絲繩,6為鉸鏈,7為試件，8為第一力傳感器,9為第二力傳感器,10為光纖應變傳感器,11為金屬應變片傳感器,12為多功能箱，13為油壓腔室，14為排氣口，15為進油口，16為鋼筋，17為底座，18為基座，19為箱蓋，20為箱體，21為乳膠套固定環板,22為後蓋,23為螺杆,24為橡膠圈，25為乳膠套,26為套環，27為PVC套管，28為槽。
【具體實施方式】
[0022]下面通過實施例來進一步說明本發明，但不局限於以下實施例。
[0023]實施例:
首先對照圖廣6說明本發明實驗裝置的結構:
圖1為衝擊拉拔實驗裝置的總體結構示意圖，包括落錘、衝擊傳力裝置、測量裝置、試件及其固定加載裝置，其特徵在於:所述落錘I為衝擊質量塊；所述衝擊傳力裝置包括衝擊靶2、導軌3、鋼絲繩5、定滑輪4，落錘I施加動態載荷在衝擊靶2上，衝擊靶2在豎直導軌3上運行，導軌3固定在底座17上，定滑輪4固定在基座18上，鋼絲繩5繞過定滑輪4連接衝擊靶2和試件7端部；所述測量裝置包括力傳感器、光纖應變傳感器10、金屬應變片傳感器11，在鋼絲繩和試件連接處設有第一力傳感器8，光纖應變傳感器10埋置在試件7內，金屬應變片傳感器11貼在鋼筋16內剖面上和試件7的外表面上；所述試件7固定加載裝置包括多功能箱12，多功能箱12內設有油壓腔室13和內腔室，內腔室位於油壓腔室13的中心位置，多功能箱12為長方體結構，多功能箱12內部設有乳膠套固定環板21，多功能箱12左端中心部位設有孔，孔的中心線與內腔室12的軸線一致，油壓腔室13底部設有進油口15，頂部設有排氣口 14 ;內腔室安裝鋼筋混凝土試件7，試件7為圓柱體結構，試件7中心為鋼筋16，鋼筋16與混凝土接觸的兩端部設有PVC管27，試件7外側設有乳膠套25，乳膠套25的中間部分與試件7接觸，兩端套在乳膠套固定環板21上，在乳膠套固定環板21外側設有緊固套環26，乳膠套25兩端通過套環26緊固；多功能箱12端部設有後蓋22，多功能箱12固定在基座18上。
[0024]圖2、3示出了衝擊傳力裝置。所述衝擊靶2與導軌3為活塞式接觸，衝擊靶2的尺寸為120*184*333mm，導軌3為內部空心的長方體結構，導軌3上設有槽28，鋼絲繩5在槽28內運行，同時保證導軌3內外氣流暢通，鋼絲繩5固定在距離衝擊靶2頂端高度三分之一處，通過球鉸鏈6連接，衝擊靶2運行高度範圍為0-5cm，衝擊靶2在導軌3上運行方向與落錘導軌相平行。
[0025]圖4飛示出了試件及多功能箱。本實施例選用的是標準試件，試件的直徑為150mm,高度為300mm，所述多功能箱12由箱體20和箱蓋19組成，箱體20和箱蓋19通過螺栓連接，箱體20與箱蓋19連接處設有一圈橡膠圈24。
[0026]進行雙向加載的衝擊拉拔實驗時，在試件兩端設置傳感器。所述多功能箱12的後蓋22上與鋼筋16對應部位設有螺杆23，螺杆23與試件7端部的鋼筋16連接處設有第二力傳感器9。
[0027]進行施加圍壓的簡單衝擊拉拔實驗或雙向加載的衝擊拉拔實驗時，所述油壓腔室的進油口 15進油，對內腔室施加圍壓作用在試件側面上。
[0028]本實施例中，所述第一力傳感器8和第二力傳感器9均為高精度力傳感器，所述光纖應變傳感器10、金屬應變片傳感器11、第一力傳感器8和第二力傳感器9均通過金屬導線與高性能的示波器連接。
[0029]所述衝擊質量塊、導軌、衝擊靶、多功能箱的材料均為高強度鋼，所述鋼絲繩的材料為具有高強度的細鋼絲擰成。
[0030]下面通過四組不同的實驗說明本發明衝擊拉拔的實驗方法:
實驗一:簡單衝擊拉拔實驗:
說明:簡單衝擊拉拔實驗，不需要施加圍壓，也不需要將所述的鋼筋另一端進行固定，所以實驗中不需要安裝第二力傳感器9、箱蓋19、後蓋22、橡膠圈24、乳膠套25和套環26 ；實驗步驟:
1.打開多功能箱箱蓋19，取下後蓋22，將試件7從箱體右端放入多功能箱內腔室，試件前端的鋼筋16穿過箱體前壁上的圓孔，試件7的左端面緊靠在多功能箱箱體的內壁上；
2.將連接鋼絲繩5的第一力傳感器8連接到試件7前端的鋼筋16上，將第一力傳感器8、光纖應變傳感器10和金屬應變傳感器11分別連接到對應的示波器上；
3.將落錘I升高到指定高度，開啟示波器準備記錄數據；
4.釋放落錘，並記錄數據，包括第一力傳感器8測得的落錘衝擊拉拔鋼筋力，光纖應變傳感器10測得的鋼筋混凝土粘結區界面附近的應變，金屬應變傳感器11測得鋼筋16的應變和試件7外表面的應變；
5.斷開第一力傳感器8與鋼筋16的連接，將試件7從多功能箱12右端取出；
6.清理乾淨多功能箱內腔室和油壓腔內掉落的混凝土顆粒碎片等；
7.重複以上步驟I飛可得到一組簡單衝擊拉拔實驗的實驗數據。
[0031]實驗二:雙向加載的衝擊拉拔實驗:
實驗二的實驗方法與實驗一基本相同，區別在於:
在實驗一步驟I中安裝試件時，試件7左端與箱體20內壁之間空餘2cm的距離。在雙向加載的時候，試件的混凝土壁不能貼在箱體上，不能受力；試件只收到左右鋼筋拉拔力，如果是一端加載的話，左端鋼筋受拉力，混凝土壁受到箱體壁的支撐力。
[0032]同時，在實驗一步驟2中將所述鋼筋16的另一端與後蓋22上的螺杆相連接，在鋼筋與螺杆之間連接第二力傳感器9，並將第二力傳感器9連接到對應的示波器上；
其它步驟與實驗一相同。
[0033]實驗三:施加圍壓的簡單衝擊拉拔實驗:
實驗步驟:
1、打開多功能箱箱蓋19，取下後蓋22，將試件7從箱體右端放入多功能箱內腔室，試件前端的鋼筋16穿過箱體前壁上的圓孔，試件7的左端面緊靠在多功能箱箱體的內壁上； 2、將乳膠套25展開固定在混凝土試件7上，兩端套在乳膠套固定環板21上，並用緊固套環26將乳膠套25固定在乳膠套環板21上；
3、用螺栓將箱蓋19固定在箱體20上，用於密封的橡膠圈24墊在箱體和箱蓋的接觸面上；
4、將連接鋼絲繩5的第一力傳感器8連接到試件7前端的鋼筋16上，將第一力傳感器
8、光纖應變傳感器10和金屬應變傳感器11分別連接到對應的示波器上；
5、打開排氣口14，將油通過進油口 15注滿油壓腔室13，蓋上排氣口蓋，繼續給油壓腔室13注油，達到給試件7施加圍壓目的，通過油壓伺服機控制圍壓的壓強大小；
6、將落錘I升高到指定高度，開啟示波器準備記錄數據；
7、釋放落錘，並記錄數據，數據包括第一力傳感器8測得的落錘衝擊拉拔鋼筋力，光纖應變傳感器10測得的鋼筋混凝土粘結區界面附近的應變，金屬應變傳感器11測得鋼筋16的應變和試件7外表面的應變，油壓伺服機記錄的圍壓壓強數據；
8、停止施加油壓，提起落錘I並固定；
9、打開排氣口14，通過多功能箱12下面的進油口 15將油壓腔室內的油排出；
10、斷開第一力傳感器8與鋼筋16的連接，打開箱體12的上蓋，從乳膠套固定環板21上取下套環26和乳膠套25，將試件7從多功能箱12右端取出；
11、清理乾淨多功能箱內腔室和油壓腔內掉落的混凝土顆粒碎片等；
12、重複以上步驟f11可得到一組施加圍壓的簡單衝擊拉拔實驗的實驗數據；
實驗四:施加圍壓的雙向加載的衝擊拉拔試驗:
實驗四的實驗方法與實驗三基本相同，區別在於:
在實驗三步驟I中安裝試件時，試件7左端與箱體20內壁之間空餘2cm的距離。
[0034]同時，在實驗三步驟4中將所述鋼筋16的另一端與後蓋22上的螺杆相連接，在鋼筋與螺杆之間連接第二力傳感器9，並將第二力傳感器9連接到對應的示波器上。
[0035]其它步驟與實驗三相同。
【權利要求】
1.一種衝擊拉拔的實驗裝置，包括落錘、衝擊傳力裝置、測量裝置、試件及其固定加載裝置，其特徵在於:所述落錘為衝擊質量塊；所述衝擊傳力裝置包括衝擊靶、導軌、鋼絲繩、定滑輪，落錘施加動態載荷在衝擊靶上，衝擊靶在豎直導軌上運行，導軌固定在底座上，定滑輪固定在基座上，鋼絲繩繞過定滑輪連接衝擊靶和試件端部；所述測量裝置包括力傳感器、光纖應變傳感器、金屬應變片傳感器，在鋼絲繩和試件連接處設有第一力傳感器，光纖應變傳感器埋置在混凝土中，金屬應變片傳感器貼在鋼筋內剖面上和鋼筋混凝土試件外表面上；所述試件固定加載裝置包括多功能箱，多功能箱內設有油壓腔室和內腔室，內腔室位於油壓腔室的中心位置，多功能箱為長方體結構，多功能箱內部設有乳膠套固定環板，多功能箱左端中心部位設有孔，孔的中心線與內腔室的軸線一致，油壓腔室底部設有進油口，頂部設有排氣口 ；內腔室安裝鋼筋混凝土試件，試件為圓柱體結構，試件中心為鋼筋，鋼筋與混凝土接觸的兩端部設有PVC套管，試件外側設有乳膠套，乳膠套的中間部分與試件接觸，兩端套在乳膠套固定環板上，在乳膠套固定環板外側設有緊固套環，乳膠套兩端通過套環緊固；多功能箱端部設有後蓋，多功能箱固定在基座上。
2.根據權利要求1所述的衝擊拉拔的實驗裝置，其特徵在於:所述衝擊靶與導軌為活塞式接觸，導軌為內部空心的長方體結構，導軌上設有槽，鋼絲繩在槽內運行，同時保證導軌內外氣流暢通，鋼絲繩固定在距離衝擊靶頂端的三分之一處，通過球鉸鏈連接，衝擊靶運行高度範圍為0-5cm，衝擊靶在導軌上運行方向與落錘導軌相平行。
3.根據權利要求1所述的衝擊拉拔的實驗裝置，其特徵在於:所述多功能箱由箱體和箱蓋組成，箱體和箱蓋通過螺栓連接，箱體與箱蓋連接處設有一圈橡膠圈。
4.根據權利要求1所述的衝擊拉拔的實驗裝置，其特徵在於:所述試件的左端伸出的鋼筋與鋼絲繩連接，鋼筋與鋼絲繩之間設有用於測量衝擊拉拔力的第一力傳感器，所述試件右端伸出的鋼筋固定在後蓋的螺杆上，鋼筋與螺杆之間設有用於測量鋼筋約束力的第二力傳感器。
5.根據權利要求1所述的衝擊拉拔的實驗裝置，其特徵在於:所述第一力傳感器和第二力傳感器均為高精度力傳感器，所述光纖應變傳感器、金屬應變片傳感器、第一力傳感器和第二力傳感器均通過金屬導線與高性能的示波器連接。
6.根據權利要求1所述的衝擊拉拔的實驗裝置，其特徵在於:所述衝擊質量塊、導軌、衝擊靶、多功能箱的材料均為高強度鋼，所述鋼絲繩的材料為具有高強度的細鋼絲擰成。
7.—種衝擊拉拔的實驗方法，其特徵在於:包括以下步驟: (1)將試件固定在內腔室，一端伸出的鋼筋與鋼絲繩連接，根據擬測試的鋼筋混凝土動態粘結應力分布類型來設置力傳感器； (2)衝擊質量塊以一定高度自由落體衝擊在衝擊靶上，鋼絲繩把衝擊靶上的動態壓力荷載轉換成動態拉伸荷載作用到鋼筋上，使得鋼筋混凝土裡的鋼筋被快速拉拔，通過力傳感器、光纖應變傳感器和金屬應變片傳感器分別測量拉拔鋼筋的力、混凝土應變和鋼筋應變，從而得到鋼筋混凝土的動態粘結本構； (3)調節質量塊釋放高度，重複上述步驟，可研究加載率對鋼筋混凝土動態粘結應力分布的影響。
8.根據權利要求7所述的衝擊拉拔的實驗方法，其特徵在於:所述步驟(I)中，試件一端伸出的鋼筋與鋼絲繩連接，鋼筋與鋼絲繩之間設有第一力傳感器，研究的是錨固粘結應力分布。
9.根據權利要求7所述的衝擊拉拔的實驗方法，其特徵在於:所述步驟(I)中試件的左端伸出的鋼筋與鋼絲繩連接，鋼筋與鋼絲繩之間設有第一力傳感器，試件右端伸出的鋼筋固定在後蓋的螺杆上，鋼筋與螺杆之間設有第二力傳感器，研究的是裂縫間隙動態粘結應力分布。
10.根據權利要求8或9所述的衝擊拉拔的實驗方法，其特徵在於:所述第(I)步驟後，增加施加圍壓的工藝:打開油壓腔的排氣口，通過油壓腔室的進油口進油，對內腔室施加圍壓作用在試件側面上，研究的是施加圍壓的錨固粘結應力分布或裂縫間隙的粘結應力分布。
【文檔編號】G01N19/04GK104165838SQ201410388064
【公開日】2014年11月26日 申請日期:2014年8月8日 優先權日:2014年8月8日
【發明者】路國運, 徐樂, 王志華, 胡建興, 武曉東 申請人:太原理工大學