CN113237761A - 一种用于测试钢筋与约束混凝土粘结性能的试验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于测试钢筋与约束混凝土粘结性能的试验装置及方法，包括自平衡反力钢架；围压加载装置，其包括空气压缩机、与空气压缩机连接的储气罐、与储气罐连接的气囊，气囊内具有给钢筋试件施加围压的内部空间；钢筋液压拉拔机构，包括液压作动器、与液压作动器连接的拉力传感器、与拉力传感器连接并用于夹紧钢筋的楔形夹具；围压加载控制系统，用于对气囊内的压力进行调节；拉拔测控系统，用于控制所述液压作动器的拉拔力、及记录钢筋的变形、受力和滑移。本发明的测试装置结构合理，适用不同大小的试件及不同直径的钢筋，能有效、准确地进行试验，自动化程度高，为钢筋混凝土的粘结滑移性能测试提供更为可靠的试验装置和技术支撑。

Description

一种用于测试钢筋与约束混凝土粘结性能的试验装置及方法

技术领域

本发明属于土木工程实验及测试的技术领域，尤其涉及一种用于测试钢筋与约束混凝土粘结性能的试验装置及方法。

背景技术

随着高层建筑的不断发展，钢管与混凝土等组合结构不断出现在工程结构中。钢筋与混凝土的粘结锚固性能是保证钢筋混凝土结构承载力的关键，钢筋与混凝土的粘结滑移性能是混凝土的基本力学性能。对钢筋与混凝土的粘结滑移问题的研究不仅在理论上具有重要意义，在工程实践中也非常重要，例如钢筋在混凝土中的锚固长度，搭接长度等。因此，研究钢筋与约束混凝土的粘结锚固性能对这类约束混凝土结构的承载力及变形有重要意义。

约束混凝土是一种多轴应力状态，其拉拔试验条件较为复杂，传统的拉拔试验装置无法再现真实受力状态，因此用传统拉拔试验装置得到的粘结滑移值与真实情况相差较大，无法得到准确的钢筋与约束混凝土的粘结滑移模型。

专门用于钢筋与约束混凝土的粘结滑移拉拔试验装置目前还没有出现。所以，急需一种有效的多种应力状态下混凝土与钢筋拉拔试验装置，以解决钢筋与约束混凝土拉拔试验的测试问题。

发明内容

基于上述现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题在于提供一种用于测试钢筋与约束混凝土粘结性能的试验装置及方法，操作过程简便，能够对约束混凝土结构中钢筋粘结滑移性能进行准确测试，进而为工程设计及施工提供理论依据。

为了解决上述技术问题，本发明通过以下技术方案来实现：本发明提供一种用于测试钢筋与约束混凝土粘结性能的试验装置，包括自平衡反力钢架；围压加载装置，其包括空气压缩机、与空气压缩机连接的储气罐、与所述储气罐连接的气囊，气囊位于所述自平衡反力钢架内，所述气囊内具有给钢筋试件施加围压的内部空间；钢筋液压拉拔机构，位于所述自平衡反力钢架内并置于所述气囊的正上方，其包括液压作动器、与所述液压作动器连接的拉力传感器、与所述拉力传感器连接并用于夹紧钢筋的楔形夹具；围压加载控制系统，与所述围压加载装置连接，用于对气囊内的压力进行调节；拉拔测控系统，与所述钢筋液压拉拔机构连接，用于控制所述液压作动器的拉拔力、及记录钢筋的变形、受力和滑移。

可选的，所述气囊为空心圆柱体，其外部柱面为不锈钢外壁，与钢筋试件接触的内部柱面为高分子橡胶薄膜，外部柱面与内部柱面之间为储气空间，储气空间内充满气体时，高分子橡胶薄膜受压向内膨胀给钢筋试件施加围压作用。

进一步的，所述围压加载控制系统包括控制器、与所述控制器连接的执行器、与所述空气压缩机连接的控制阀、与所述控制阀连接的止回阀、与所述储气罐连接的空气过滤器、与所述空气过滤器连接的电/气转换器，与所述控制器连接并安装在气囊上的气压传感器；所述执行器与所述空气压缩机连接；所述储气罐与所述止回阀和空气过滤器连接，所述气囊与所述电/气转换器连接；所述控制器还与所述储气罐和电/气转换器连接。

可选的，所述拉拔测控系统包括伺服油源、与所述伺服油源连接的伺服阀、安装于所述液压作动器内的磁致位移传感器、与所述磁致位移传感器和拉力传感器连接的信号调理器、与所述信号调理器连接的比较器，所述比较器与所述伺服阀连接，所述伺服阀与所述液压作动器相连。

可选的，所述自平衡反力钢架包括底座、固定于所述底座两端的立柱、水平设置在两个立柱之间的上横梁和下横梁，所述上横梁与万向球铰相连，所述万向球铰与所述液压作动器相连；所述下横梁的中部设置有圆盘状隔板，在圆盘状隔板中部开有供钢筋从其中穿过的孔洞；所述圆盘状隔板的下表面安装有所述围压加载装置。

进一步的，所述钢筋试件包括圆柱状混凝土试块和位于所述圆柱状混凝土试块中心的钢筋；所述圆柱状混凝土试块的外周面被所述高分子橡胶薄膜包裹。

本发明还提供一种上述的用于测试钢筋与约束混凝土粘结性能的试验装置的试验方法，包括以下步骤：

S10：将钢筋与圆柱状混凝土试块放置于围压加载装置中；

S20：将围压加载装置固定于加载反力架上，并用楔形夹具夹紧拉拔钢筋；

S30：对圆柱状混凝土试块施加围压作用，直到设定的围压值；

S40：对圆柱状混凝土试块中的钢筋进行拉拔试验，记录试验过程中的数据；

S50：钢筋试件破坏后，停止液压作动器工作，并通过泄压阀对气囊内的气压进行卸载。

由上，本发明的用于测试钢筋与约束混凝土粘结性能的试验装置及方法的围压加载控制系统能真实模拟钢筋在约束混凝土中所受到的径向压力大小，电液伺服液压拉拔测控系统可以设置控制方式和拉拔速度并自动记录钢筋的变形、受力和滑移情况，通过自平衡反力钢架可以使拉拔试件在拉拔过程中更加稳定，保证实验成功率和数据的可靠性。本发明填补了在约束混凝土状态下，钢筋拉拔试验装置的空白，能够对约束混凝土结构中钢筋粘结滑移性能进行准确测试，进而为工程设计及施工提供理论依据，便于约束混凝土结构的工程应用。

另外，本发明的测试装置结构合理，适用不同大小的试件及不同直径的钢筋，能有效、准确地进行试验，自动化程度高，为钢筋混凝土的粘结滑移性能测试提供更为可靠的试验装置和技术支撑，具有很强的实用性和广泛的适用性。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下结合优选实施例，并配合附图，详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例的附图作简单地介绍。

图1为本发明的用于测试钢筋与约束混凝土粘结性能的试验装置的结构示意图；

图2为本发明的围压加载装置的结构示意图；

图3为本发明的围压加载控制系统的结构框图；

图4为本发明的围压加载控制系统的工作流程图；

图5为本发明的拉拔测控系统的工作流程图；

图6为本发明的液压伺服系统的工作原理图。

图中标记：1、上横梁；2、下横梁；3、底座；4、立柱；5、万向球铰；6、液压作动器；7、拉力传感器；8、楔形夹具；9、气囊；10、不锈钢外壁；11、进气管路；12、泄压阀；13、圆柱状混凝土试块；14、钢筋；15、高分子橡胶薄膜。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的具体实施方式，其作为本说明书的一部分，通过实施例来说明本发明的原理，本发明的其他方面、特征及其优点通过该详细说明将会变得一目了然。在所参照的附图中，不同的图中相同或相似的部件使用相同的附图标号来表示。

如图1至6所示，本发明的用于测试钢筋与约束混凝土粘结性能的试验装置包括自平衡反力钢架、围压加载装置、围压加载控制系统、钢筋液压拉拔机构、拉拔测控系统几个部分组成。

其中，围压加载装置包括空气压缩机、与空气压缩机连接的储气罐、与储气罐连接的气囊9，气囊9内具有给钢筋试件施加围压的内部空间。如图3所示，围压加载控制系统包括控制器、与控制器连接的执行器、与空气压缩机连接的控制阀、与控制阀连接的止回阀、与储气罐连接的空气过滤器、与空气过滤器连接的电/气转换器，与控制器连接并安装在气囊上的气压传感器。另外，执行器与空气压缩机连接，储气罐与止回阀和空气过滤器连接，气囊9与电/气转换器连接，控制器还与储气罐和电/气转换器连接。

如图2所示，气囊9为空心圆柱体，其外部柱面为不锈钢外壁10，与试件接触的内部柱面为高分子橡胶薄膜15，外部柱面与内部柱面为储气空间，加载时，内部充满空气，高分子橡胶薄膜15受压向内膨胀给试件施加围压作用。气压传感器是一种封装的气压测试装置，安装在圆柱形的不锈钢外壁10内与高分子橡胶薄膜15外之间，焊接在不锈钢外壁10的内侧。气体通过进气管路11进入外部柱面与内部柱面之间的储气空间内，随着气压的增大，内壁橡胶薄膜膨胀挤压内部的钢筋试件，对钢筋试件施加围压作用，在试验过程中，通过围压加载控制系统调节围压的大小，使其在控制的范围内，试验结束后通过泄压阀12排出气体降低气腔内的压力。

储气罐中的压缩空气通过空气过滤器后输送给电/气转换器，电/气转换器可按控制器要求的压缩空气输送给气囊9，同时通过气压传感器反馈给控制器，实现围压的闭环控制。围压加载控制系统中的控制器采用PID调节方式，根据模拟量输入模块通过压力传感器采集储气罐及各路加载压力实际值，输出电流信号给电/气转换器，对气囊内的压力进行调节。为实现围压的精准控制，在PLC的调节程序中，由于压力加载时不允许实际压力超过设定压力，因此在调节程序中，当实际压力比设定压力小很多时，调节速度很快，而当实际压力接近设定压力时，调节速度很慢，使其逐步接近设定值而不超过设定值，保证了钢筋所受的围压与真实受力状态一致。

图4为本发明中围压加载控制系统的工作流程图，整个气压控制过程如下：

根据试验要求，首先在控制程序上设定围压值，然后启动空气压缩机，向储压灌内充空气，使储压灌内气压达到设定围压值的1.4倍以上时停止空气压缩机工作，储压灌内气压低于设定值的1.1倍时空气压缩机开始工作。控制器通过电/气转换器控制气囊内的气压值，并通过传感器把实际气压值回传到计算机内，通过运算比较，再通过控制气调节气囊内的压力值，使其符合设定值。

本发明的钢筋液压拉拔机构包括液压作动器6、与液压作动器6连接的拉力传感器7、与拉力传感器7连接的楔形夹具8。与钢筋液压拉拔机构连接的拉拔测控系统包括控制用计算机，控制器，伺服油源、信号调理器、比较器、数据采集系统。

油箱内的液压油通过电机带动高压齿轮泵进入油路，流经单向阀、高精度高压滤油器、压差阀组、伺服阀，进入液压作动器6。

计算机发出控制信号到伺服阀，控制伺服阀的开口和方向，从而控制进入液压作动器6的流量，实现等速试验力、等速位移的控制。位移的测量采用磁致伸缩位移传感器，置于液压作动器的油缸内部，磁致伸缩位移传感器固定在液压作动器的油缸底部，在活塞杆内钻一个孔，让磁致伸缩位移传感器的波导管深入孔内，磁致伸缩位移传感器的磁环与活塞底部相连，活塞带动磁环一起运动，通过波导管感知磁环位置来确定活塞的运动情况，进而确定被测物体的位移。测量活塞的位移即为拉拔试验中钢筋在拉力下的位移，得到钢筋的力-位移曲线。

计算机上安装组态软件MCGS与控制器进行通讯，实现各参数的设定及动态显示，并控制整个装置的启停。全数字PC伺服控制系统以PC计算机为主体，全数字PID调节，配以PC卡板式伺服放大器、测控软件由数据采集和处理软件组成，可实现拉拔力、钢筋变形、活塞位移的闭环控制和控制模式的平滑切换。伺服控制系统采用闭环控制回路，测量传感器与伺服阀、控制器(各信号调理单元)、伺服放大器一起组成多个闭环控制回路，实现闭环控制功能。伺服放大器为可插拔式PC卡板，该专用测控卡与PC机组成单卡测控系统，可直接与传感器相连，进行测控和数据采集，使复杂的测控和数据采集系统变的简洁可靠。伺服控制系统采用计算机总线技术，直接插入计算机扩展槽内，全数字电路，调零、增益调整等均通过软件实现。伺服控制系统具有过载、超设定、断电、活塞到达极限位置等保护功能。

图5为本发明中的液压拉拔测控系统的工作流程图，钢筋拉拔过程如下：

通过楔形夹具8对钢筋14施加夹紧力，设定加载控制方式(位移控制或者力控制)，启动液压泵站，根据控制指令，通过电液伺服阀调节流入的液压油量和流速使液压作动器6按指令进行工作，同时通过测试传感器记录作动器和测试对象的物理量的变化情况，并把得到的信息反馈给信号处理器，通过比较器进行运算比较，再通过PID的调节把新的指令输送出去，形成下一个的闭环控制。

在拉拔过程中，数据采集仪可以根据传感器采集数据形成钢筋的应力应变曲线，钢筋受力与滑移量关系曲线以及得到钢筋最大的拉拔力。

与传统的拉拔试验的试块不同，本发明所用的钢筋试块包括圆柱状混凝土试块13，圆柱状混凝土试块13的中心为所要拉拔的钢筋14，圆柱状混凝土试块13有利于对钢筋围压的施加。通过钢筋液压拉拔机构的楔形夹具8将钢筋从圆柱状混凝土试块13中拔出。高分子橡胶薄膜15对圆柱状混凝土试块13施加力的作用，这个作用通过混凝土传导到钢筋表面，增加了钢筋和混凝土的摩擦力及握裹力，观察围压对钢筋拉拔的影响。

如图6所示，与液压作动器连接的液压伺服系统为负载适应型进油节流调速系统。油箱内的液压油通过电机带动高压齿轮泵进入油路，流经单向阀、高精度高压滤油器、压差阀组、伺服阀，进入液压作动器的油缸。计算机发出控制信号到伺服阀，控制伺服阀的开口和方向，从而控制进入油缸的流量，实现等速试验力、等速位移等的控制。

楔形夹具8采用液压夹紧油源，独立的低噪音液压夹紧油源，控制夹头的夹紧与松开。

本发明的自平衡反力钢架包括上、下双层横梁、底座3及两侧立柱4，下横梁2与两侧立柱焊接，底座3与立柱3焊接，上横梁1、下横梁2和底座3构成自平衡体系，使拉拔试验稳定。上横梁1与万向球铰5相连，万向球铰5与液压作动器6相连，液压作动器6与拉力传感器7相连，拉力传感器7与楔形夹具8相连，构成拉拔的动力系统。下横梁2中部设置有圆筒状隔板，在圆筒状隔板中部开有孔洞，钢筋从中穿过。底座3与立柱4刚接形成自平衡系统。圆柱状混凝土试块在试验中通过反力钢架的下横梁2固定不动，钢筋穿过下横梁上的孔洞通过液压拉拔机构从圆柱状混凝土试块中拔出。在试验过程中，万向球铰5可以自动调整位置，保持所施加的拉力方向与钢筋在同一竖向方向上，保证拉拔力的准确。

本发明的用于测试钢筋与约束混凝土粘结性能的试验装置的试验方法，包括如下步骤：

第一步，将钢筋14与圆柱状混凝土试块13放置于围压加载装置中；

第二步，将围压加载装置固定于加载反力架上，并用楔形夹具夹紧拉拔钢筋；

第三步，对圆柱状混凝土试块13施加围压作用，直到设定的围压值；

第四步，对圆柱状混凝土试块13中的钢筋14进行拉拔试验，记录试验过程中的数据；

第五步，钢筋试件破坏后，停止液压作动器6工作，并通过泄压阀对气囊9内的气压进行卸载。

本发明的试验装置不仅适合钢筋与约束混凝土的拉拔试验，同时也适合FRP筋与约束混凝土的拉拔试验。

以上所述是本发明的优选实施方式而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和变动，这些改进和变动也视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种用于测试钢筋与约束混凝土粘结性能的试验装置，其特征在于，包括：

自平衡反力钢架；

围压加载装置，其包括空气压缩机、与空气压缩机连接的储气罐、与所述储气罐连接的气囊，气囊位于所述自平衡反力钢架内，所述气囊内具有给钢筋试件施加围压的内部空间；

钢筋液压拉拔机构，位于所述自平衡反力钢架内并置于所述气囊的正上方，其包括液压作动器、与所述液压作动器连接的拉力传感器、与所述拉力传感器连接并用于夹紧钢筋的楔形夹具；

围压加载控制系统，与所述围压加载装置连接，用于对气囊内的压力进行调节；

拉拔测控系统，与所述钢筋液压拉拔机构连接，用于控制所述液压作动器的拉拔力、及记录钢筋的变形、受力和滑移。

2.如权利要求1所述的用于测试钢筋与约束混凝土粘结性能的试验装置，其特征在于，所述气囊为空心圆柱体，其外部柱面为不锈钢外壁，与钢筋试件接触的内部柱面为高分子橡胶薄膜，外部柱面与内部柱面之间为储气空间，储气空间内充满气体时，高分子橡胶薄膜受压向内膨胀给钢筋试件施加围压作用。

3.如权利要求1所述的用于测试钢筋与约束混凝土粘结性能的试验装置，其特征在于，所述围压加载控制系统包括控制器、与所述控制器连接的执行器、与所述空气压缩机连接的控制阀、与所述控制阀连接的止回阀、与所述储气罐连接的空气过滤器、与所述空气过滤器连接的电/气转换器，与所述控制器连接并安装在气囊上的气压传感器；所述执行器与所述空气压缩机连接；

所述储气罐与所述止回阀和空气过滤器连接，所述气囊与所述电/气转换器连接；

所述控制器还与所述储气罐和电/气转换器连接。

4.如权利要求1所述的用于测试钢筋与约束混凝土粘结性能的试验装置，其特征在于，所述拉拔测控系统包括伺服油源、与所述伺服油源连接的伺服阀、安装于所述液压作动器内的磁致位移传感器、与所述磁致位移传感器和拉力传感器连接的信号调理器、与所述信号调理器连接的比较器，所述比较器与所述伺服阀连接，所述伺服阀与所述液压作动器相连。

5.如权利要求1所述的用于测试钢筋与约束混凝土粘结性能的试验装置，其特征在于，所述自平衡反力钢架包括底座、固定于所述底座两端的立柱、水平设置在两个立柱之间的上横梁和下横梁，所述上横梁与万向球铰相连，所述万向球铰与所述液压作动器相连；

所述下横梁的中部设置有圆盘状隔板，在圆盘状隔板中部开有供钢筋从其中穿过的孔洞；所述圆盘状隔板的下表面安装有所述围压加载装置。

6.如权利要求2所述的用于测试钢筋与约束混凝土粘结性能的试验装置，其特征在于，所述钢筋试件包括圆柱状混凝土试块和位于所述圆柱状混凝土试块中心的钢筋；所述圆柱状混凝土试块的外周面被所述高分子橡胶薄膜包裹。

7.一种采用如权利要求1至6任一项所述的用于测试钢筋与约束混凝土粘结性能的试验装置的试验方法，其特征在于，包括以下步骤：

S10：将钢筋与圆柱状混凝土试块放置于围压加载装置中；

S20：将围压加载装置固定于加载反力架上，并用楔形夹具夹紧拉拔钢筋；

S30：对圆柱状混凝土试块施加围压作用，直到设定的围压值；

S40：对圆柱状混凝土试块中的钢筋进行拉拔试验，记录试验过程中的数据；

S50：钢筋试件破坏后，停止液压作动器工作，并通过泄压阀对气囊内的气压进行卸载。

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