基于落锤试验机的动态粘结滑移试验装置设计

陈育志，陈晓洪

(金陵科技学院建筑工程学院，江苏南京211169)

钢筋和混凝土这两种性质不同的材料之所以能够共同工作，很重要的一个原因就是这两者之间存在着粘结作用，这种作用使钢筋与混凝土之间能够实现应力传递，从而在钢筋与混凝土中建立起结构承载所必须的工作应力。因此，钢筋与混凝土之间的粘结滑移关系对研究钢筋混凝土结构有着重要意义。国内外学者就此开展了大量的试验研究，并取得了大量研究成果，但这些研究大多是在静载作用下得到的［1－2］。结构在地震、冲击、爆炸等作用下，其内部钢筋与混凝土以及两者之间的相互粘结是承受动荷载作用的。常规力学试验机仅能进行静态加载，即便是电液伺服加载系统，也只能适合进行10－2/s 以下应变率试验［3］。

图1 实验室内已有落锤试验机

落锤式冲击试验机是一种简单、可靠、重复性好的加载装置。落锤加载系统由垂直轨道和自由落体的重物及高度测量系统组成，图1为实验室内现有的落锤试验机。冲击载荷由重锤的自由下落撞击到试样上，可以通过调节不同的落锤下落距离、落锤重力来获得不同的载荷脉冲的波形［4－5］。落锤试验适用的应变率范围可达10/s。

图2 粘结滑移拔出试件

拔出试验是研究钢筋与混凝土粘结滑移性能常采用的一种方法，试件如图2 所示，现有的试验机无法将落锤的冲击转化为钢筋的拔出荷载，并同时记录钢筋拔出的荷载滑移数据。但任何仪器设备都不是万能的，随着科学研究的不断深入，各种新型试验方法也将不断涌现，针对每种试验都生产采购对应设备也不现实，因此对现有仪器设备进行简单改造从而使其满足试验要求，是研究人员应具备的基本能力。根据试件和落锤试验机自身构造，在试验机原有基础上稍作改动，加工适当装置，使其满足钢筋混凝土动态粘结滑移试验的要求是一项很有意义的工作。

1 试验装置设计

1.1 荷载转换装置

落锤试验机的加载原理是，将一定重力的落锤升至指定高度后释放，做自由落体运动撞击加载对象，因此落锤试验机施加的是一种冲击压力。而进行钢筋粘结性能研究，需要拉荷载将钢筋从混凝土中拔出，因此进行粘结滑移试验研究需要施加拉荷载。若想利用落锤试验机的冲击荷载将钢筋从混凝土中拔出，必须设计一种能够将落锤冲击荷载转换为钢筋拔出力的装置。

该荷载转换装置应具有一些基本要求: (1) 强度较高，能够承受落锤的冲击; (2) 有一定的弹塑性，能够在落锤冲击作用下反复使用，不会发生脆性破坏; (3) 刚度较大，能够将落锤冲击力快速直接传递到钢筋上，刚度较小会产生“吸能”效应，减弱落锤的冲击作用; (4) 构造贴合落锤试验机，便于安装。

基于上述考虑，将荷载转换装置设计为由两根螺杆穿过上下两个横梁并固定的框架，如图3 所示。可以采用45 号钢加工制成。

图3 荷载转换装置的正视图和侧视图

如图3 所示，框架将置于落锤的正下方，框架上部横梁将直接承受落锤的冲击作用，下部横梁通过连接件与粘结滑移拔出试件的钢筋连接，通过图3 所示的框架，将把落锤的冲击荷载转换为钢筋的拔出力。为加强上下横梁的刚度和便于螺杆穿过横梁，宜将横梁加工为双腹板构造。为避免在落锤冲击作用下整个框架的失稳，参照落锤的构造，将上横梁的翼缘中间设计为与落锤试验机轨道相吻合的凹槽，如图4 所示。由于轨道的约束作用，整个框架在落锤冲击作用下将仅能沿着轨道向下运动，不会出现大幅度的倒塌失稳现象。

下部横梁除了两端设有用于穿过螺杆的两个圆孔之外，横梁中部也需要设有穿孔，用于通过螺杆与钢筋拔出端连接，从而对钢筋拔出端施加拉力，下部横梁见图5。

图4 上横梁构造俯视图

图5 下横梁构造俯视图

1.2 位移限位装置

如果落锤冲击荷载过大，远大于钢筋与混凝土的最大粘结荷载，那么在落锤的冲击作用下，钢筋从混凝土中被拔出后仍会以较大速度向下运动，从而砸坏下部仪器装置。为避免这一现象的出现，应在图3 所示的框架上部横梁底部设一限位装置。通过预试验得出钢筋与混凝土粘结强度从初始至峰值再降至趋于稳定，整个过程钢筋与混凝土的滑移值约10 mm，因此确定将限位装置固定于上部横梁下方1 ～2 cm 处，可以采用角钢或槽钢加工制成，采用螺栓固定于落锤试验机机架上。

1.3 试件固定装置

进行钢筋与混凝土的粘结滑移试验，必然要使钢筋与混凝土之间发生相对位移。通常做法为固定混凝土部分，对钢筋施加拔出力。因此，整个装置中还需要设置试件的固定部分。该部分可以参照位移限位装置，将两个槽钢分别固定于落锤试验机机架前后两侧，两个槽钢处于同一高度，可以将试件搁置于该槽钢上，阻止试件混凝土部分向下移动，或者可以在落锤试验机底部安装试件固定装置用于放置试件。

1.4 数据采集装置

钢筋拔出力以及钢筋混凝土粘结滑移值是进行粘结滑移试验必须要采集的数据，由于落锤试验机仅提供了落锤冲击能量，无法采集上述试验数据，因此必须另外设置数据采集装置。荷载通常可以采用力传感器采集，粘结滑移数据可以采用位移计(LVDT) 采集，将力传感器和位移计(LVDT) 连接至动态应变仪，见图6。需要指出的是，位移计(LVDT) 应固定于试件混凝土上，伸缩导杆压紧钢筋自由端。

图6 数据采集装置

为使钢筋与拉力传感器连接，在试件浇筑之前将钢筋一端加工为外螺纹，并作为钢筋的拔出端。为实现不同直径钢筋与力传感器连接，还应加工不同规格的内外螺纹螺帽，如图7 所示。内外螺纹螺帽外螺纹与力传感器对应，可以拧进如图8 所示的拉力传感器内，钢筋螺纹可以拧进图7 所示的内螺纹。

图7 内外螺纹螺帽

图8 拉力传感器

2 试验方法

根据上述试验装置设计，基于落锤试验机的动态粘结滑移试验方法可按照如下步骤操作:

(1) 安装如图3 所示的荷载转换装置框架，抬高上部横梁使落锤轨道置于如图4 所示的翼缘凹槽内，上部横梁抬高至限位装置安装位置上方后，安装限位装置，限位装置安装完成后，将上部横梁搁置于限位装置上;

(2) 安装试件固定装置，将试件放置在试件固定装置上，将试件钢筋拔出端向下;

(3) 将拉力传感器一端与试件钢筋拔出端连接，拉力传感器另一端连接螺杆，该螺杆下端穿过图5 所示下部横梁翼缘上的中间通孔，用螺母固定在下部横梁上;

(4) 安装图3 中竖向螺杆，使竖杆穿过下部横梁和上部横梁的两边孔，抬高上部横梁至限位装置上方1 ～2 cm，固定上部横梁、下部横梁和竖杆三者相对位置。

(5) 安装位移计(LVDT) ，架立表架，使位移计抵住试件钢筋自由端，将位移计和拉力传感器连接至动态应变仪，并调整动态应变仪准备采集数据;

(6) 升高落锤至指定高度，使落锤落下冲击荷载转换装置框架的上部横梁，冲击荷载将通过竖杆和下部横梁，经拉力传感器，对试件钢筋施加拔出力，该过程中动态应变仪记录下拉力传感器数值和位移计数值，对数据进行处理即可得到钢筋从试件混凝土中拔出过程的粘结滑移关系。

整个试验装置最后安装完成如图9 所示。

图9 基于落锤的粘结滑移试验示意图

3 结束语

作者在落锤试验机、拉力传感器以及动态应变仪这些实验室内已有的试验设备基础上，通过常规设计加工手段，完成了基于落锤试验机的动态粘结滑移试验装置及方法研究。在整个研究过程中，所有手段易于操作，而且考虑了装置安装方便性和试验过程中设备保护等细节。通过文中研究，能够以高于常规力学试验机的加载速率进行钢筋混凝土粘结滑移试验研究，为进行钢筋混凝土结构动态理论研究提供参考。

［1］宋玉普，赵国藩．钢筋与混凝土之间的粘结滑移性能研究［J］．大连工学院学报，1987(2) :93－100．

［2］赵羽习，金伟良．钢筋与混凝土粘结本构关系的试验研究［J］．建筑结构学报，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，张新，等．岩石力学动态试验系统研制［J］．西安石油学院学报，1998，13(1) :19－21．

［5］卢子兴，田常津，韩铭宝，等．聚氨酯泡沫塑料冲击力学特性的试验研究［J］．高分子材料与工程，1995 (11) :76－81．