新型混凝土受压柱及钢筋混凝土受弯梁徐变测试装置

摘要

本发明属于土木工程领域中的混凝土耐久性研究技术领域，具体是一种新型混凝土受压柱及钢筋混凝土受弯梁徐变测试装置。解决现有实验室环境条件下单独进行混凝土受压试块徐变试验和钢筋混凝土受弯梁徐变试验时的空间和加载效率问题，包括钢筋混凝土加载梁、混凝土受压徐变试块支座装置和框架式钢筋混凝土受弯梁加载装置，钢筋混凝土加载梁通过支座滚轴安装在若干混凝土受压徐变试块支座装置上侧，钢筋混凝土加载梁中部设有框架式钢筋混凝土受弯梁加载装置。本发明各部件制造难度小，施工方便，成本较低且安全可靠，加载装置可重复利用价值较大。

说明书

技术领域

本发明属于土木工程领域中的混凝土耐久性研究技术领域，具体是一种可同时进行混凝土受压试块及钢筋混凝土受弯梁的徐变测试装置。

背景技术

混凝土作为一种可塑性高、综合经济效益较好的材料，在现在建筑行业，特别是桥梁结构上得到了较为广泛的应用。然而，受混凝土材料收缩徐变的影响，大跨度混凝土桥梁结构将产生较大的变形，进而显著影响结构的使用性能，特别是高速铁路桥梁的运营安全性。桥梁结构中除了墩柱等混凝土结构以受压为主外，梁结构主要承受弯曲应力，而不同应力状态下的混凝土徐变性能存在显著差异。因此，通过设计合理的徐变试验装置，进而探讨不同受力状态的混凝土徐变特性，对于准确预测桥梁结构的长期变形性能，解决目前对大跨度桥梁长期变形预测不准确的问题具有重大理论和实践意义。

目前各国学者对普通混凝土受压试块进行了大量的徐变试验，并在此基础上获得了诸多混凝土徐变预测模型，如ACI209，CEB10，GL2000，B3和B4模型。上述模型的提出为准确预测桥梁结构的长期变形提供了依据。但以上模型均是基于混凝土受压试块徐变试验结果得出的，较少参考压弯构件的混凝土徐变试验结果。近年来，较多学者也逐步开展了混凝土或钢筋混凝土梁的徐变性能测试研究，并对比了混凝土受压试块与钢筋混凝土受弯梁徐变性能的差异。但以往的研究大多是对采用两种装置对不同受力构件的徐变性进行测试的，例如对混凝土受压试块采用杠杆式、弹簧式、弹簧杠杆式或液压式加载装置，对钢筋混凝土受弯梁大多采用配重式或液压千斤顶式加载装置。采用不同的加载装置对混凝土试块进行徐变试验时，需要较大的工作空间和数目较多的液压千斤顶，不同受力状态的混凝土应力关系不易控制，且加载装置繁多，花费较大。这势必会造成较大的人力和物力浪费，且处于不同受力状态的混凝土构件徐变性能的对比研究也受到较大影响。目前尚未有一种试验装置可同时进行混凝土受压试块及钢筋混凝土受弯梁徐变测试。

发明内容

发明的目的是为了解决现有实验室环境条件下单独进行混凝土受压试块徐变试验和钢筋混凝土受弯梁徐变试验时的空间和加载效率问题，提供一种新型混凝土受压柱及钢筋混凝土受弯梁徐变测试装置。

本发明采取以下技术方案：一种新型混凝土受压柱及钢筋混凝土受弯梁徐变测试装置，包括钢筋混凝土加载梁、混凝土受压徐变试块支座装置和框架式钢筋混凝土受弯梁加载装置，钢筋混凝土加载梁通过支座滚轴安装在若干混凝土受压徐变试块支座装置上侧，钢筋混凝土加载梁中部设有框架式钢筋混凝土受弯梁加载装置。

进一步的，混凝土受压徐变试块支座装置包括受压混凝土试块、振弦式应变传感器、弹簧支座II、带孔钢板、控制位顶板、控制位底板、控制螺纹杆螺帽和螺纹钢筋，控制位顶板与控制位底板之间连接有螺纹钢筋，螺纹钢筋上端穿过弹簧支座II与带孔钢板固定，螺纹钢筋下端通过控制螺纹杆螺帽与控制位底板固定，上部钢板与下部钢板之间设有受压混凝土试块，受压混凝土试块上安装有振弦式应变传感器。

进一步的，框架式钢筋混凝土受弯梁加载装置包括上横梁、下横梁、弹簧支座I、上横梁盖板、千斤顶、钢立柱和压力传感器，所述四根钢立柱呈矩形分布依次固定到刚性地基上，钢立柱的上部分别贯穿上横梁和下横梁，上横梁平行设置有两根，上横梁与钢立柱之间通过螺栓固定，所述两根上横梁通过上横梁盖板和上横梁盖板定位螺栓连接到一起，上横梁盖板中间开有孔洞，孔洞中穿过千斤顶，千斤顶固定在上横梁盖板上，下横梁为X型的钢梁，下横梁的中间开有下横梁中孔，所述下横梁X型的四个支点分别穿过四根钢立柱，下横梁和钢立柱通过下部限位螺栓固定，千斤顶的底部分别安装弹簧支座I和压力传感器，所述受荷载作用的钢筋混凝土加载梁放置在压力传感器下侧。

进一步的，钢筋混凝土加载梁的跨中位置布置位移传感器。

进一步的，钢筋混凝土加载梁跨中截面布置若干应变传感器。

进一步的，混凝土受压徐变试块支座装置中，控制位顶板上设置有一个与支座滚轴尺寸大小相对应的凹槽II。

进一步的，控制位顶板与控制位底板对称设有用于卡住受压混凝土试块的凹槽I。

本发明具体推导的混凝土受压试块截面应力与钢筋混凝土受弯梁最大受压应力之间的关系如下：

对于跨中承受集中荷载的简支梁而言，根据受力平衡条件，每个支座的外力为F/2，每个混凝土试块的外力为F/8，相应截面上的应力σ1= F/(8A)；钢筋混凝土梁跨中截面的弯矩为M=F·L/4，受压区边缘上的最大应力σ2= F·L/4W，因此混凝土试块截面上的应力与钢筋混凝土梁最大边缘处的应力之比为σ1/σ2= W/(2A·L)；

式中：F为钢筋混凝土梁跨中截面受到的集中力；A为混凝土受压试块的截面面积；σ1为混凝土受压试块截面上的应力；σ2为钢筋混凝土梁截面上边缘最大压应力；W为钢筋混凝土梁截面的净截面距；L为钢筋混凝土梁的计算跨径；M为钢筋混凝土梁跨中截面的弯矩。

本发明所提供的一种可同时进行混凝土受压试块与钢筋混凝土受弯梁徐变的试验装置与现有技术相比，具有以下有益效果：

1）本发明可同时实现普通混凝土受压试块和钢筋混凝土受弯梁的徐变性能测试，混凝土受压试块与钢筋混凝土受弯梁之间的应力大小关系可人为控制，便于对比不同受力状态下的混凝土结构的徐变性能；

2）本发明将混凝土受压试块组合到一起，用作钢筋混凝土梁的受压支座，组合设计保证了支座加载过程的稳定性，且能保证各个试块受到较为均匀的压力。该装置能够有效地节省试验空间，用一个装置就可实现两组混凝土受压徐变试块和一组钢筋混凝土梁的徐变加载；

3）本发明需要加载的钢筋混凝土梁可以是简支梁或连续梁，仅需变换混凝土受压徐变试块支座装置和框架式钢筋混凝土受弯梁加载装置的位置即可，可满足不同跨度的钢筋混凝土梁的徐变性能试验需求；

4）本发明装置简单，仅用一个液压千斤顶就能实现对钢筋混凝土梁和混凝土试块的徐变加载，相应的结构简单，传力路径明确，具有较高的推广价值。同时该装置各部件制造难度小，施工方便，成本较低且安全可靠，加载装置可重复利用价值较大。

附图说明

图1为具体实施例的混凝土试块徐变加载支座的示意图；

图2为图1的B-B截面的示意图；

图3为单跨钢筋混凝土简支受弯梁加载示意图；

图4为两跨钢筋混凝土连续受弯梁加载示意图；

图5为框架式钢筋混凝土受弯梁加载装置结构示意图；

图6为图5的C-C截面示意图；

图7为图5的D-D截面示意图；

图中符号的含义如下：1-上横梁；2-下横梁；3-钢筋混凝土加载梁；4-弹簧支座I；5-上横梁盖板；6-千斤顶；7-钢立柱；8-下部限位螺栓；9-刚性地基；10-上部螺栓；11-受压混凝土试块；12-压力传感器；13-上横梁盖板定位螺栓；14-千斤顶定位螺栓；15-振弦式应变传感器；16-位移传感器；17-弹簧支座II；18-带孔钢板；19-控制位顶板；20-控制位底板；21-凹槽I；22-控制螺纹杆螺帽；23-凹槽II；24-螺纹钢筋；25-下横梁中孔；26-混凝土受压徐变试块支座装置；27-应变传感器；28-下横梁边孔； 29-支座滚轴；30-框架式钢筋混凝土受弯梁加载装置。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的构思、具体细节及获得的技术效果作进一步说明。

如图1—图4所示，所述混凝土受压徐变试块支座装置26包括受压混凝土试块11，振弦式应变传感器15，弹簧支座II17，带孔钢板18，控制位顶板19，控制位底板20，凹槽I21，控制螺纹杆螺帽22，凹槽II23，螺纹钢筋24。在浇筑混凝土前，所述振弦式应变传感器15用柔性钢筋支架预先绑扎在到试模中，保证成型后的振弦式应变传感器15的轴线方向与受压混凝土试块11相同。所述凹槽II23位于控制位顶板19和控制位底板20的四个角点位置，所述凹槽II23的尺寸比所述受压混凝土试块11的直径或边长略大，凹槽II23的深度大约为0.2~0.3cm，以卡主受压混凝土试块11为主。所述凹槽121位于控制位顶板19和控制位底板20的中心位置，所述凹槽I21的直径略大于带孔钢板18，其深度能够满足控制螺纹杆螺帽22在控制位顶板19的顶面以下。所述凹槽II23和凹槽I21开槽的方向相反。所述凹槽I21中有若干穿过顶底板的通孔，可贯穿螺纹钢筋24。将所述受压混凝土试块11卡在控制位顶板19和控制位底板20的凹槽II23中，在凹槽I21的通孔中贯穿螺纹钢筋24，并放置到弹簧支座II17上，拧紧控制螺纹杆螺帽22，通过控制位顶板19和控制位底板20的限位作用将四组混凝土试块捆绑成为一个整体。所述混凝土受压徐变试块支座装置26可作为框架式钢筋混凝土受弯梁加载装置30的一个支座，用于承担混凝土梁的支座荷载。

图5—图7所示，所述框架式钢筋混凝土受弯梁加载装置30包括上横梁1，下横梁2，钢筋混凝土加载梁3，弹簧支座I4，上横梁盖板5，液压千斤顶6，钢立柱7，下部限位螺栓8，刚性地基9，上部螺栓10，压力传感器12，上横梁盖板定位螺栓13，千斤顶定位螺栓14，位移传感器16，下横梁中孔25，应变传感器27。所述四根钢立柱7呈矩形分布依次固定到刚性地基9上，钢立柱7的上部分别贯穿上横梁1和下横梁2，所述上横梁1与钢立柱7之间通过螺栓固定，为液压千斤顶提供反力。所述两根上横梁1通过上横梁盖板5和上横梁盖板定位螺栓13连接到一起，所述上横梁盖板5中间开有孔洞，孔洞中穿过液压千斤顶6，所述液压千斤顶6用千斤顶定位螺栓14固定到上横梁盖板5上。所述液压千斤顶6的油路与油泵管道连接，用于传递液压千斤顶施加的荷载。所述下横梁2为X型的钢梁，在下横梁2的中间开有下横梁中孔25，液压千斤顶6的顶部可直接穿过，无荷载传递。所述下横梁2X型的四个支点分别穿过四根钢立柱7，用下部限位螺栓8限制下横梁2在钢立柱7上的移动。所述液压千斤顶6的顶部分别安装弹簧支座I4和压力传感器12。所述受荷载作用的钢筋混凝土加载梁3就放置在压力传感器12下侧。

进一步地，在所述钢筋混凝土加载梁3的跨中位置布置位移传感器16，用于测量跨中截面的竖向位移。在跨中截面布置若干应变传感器27，用于测量混凝土梁的纵向纤维徐变应变。所述应变传感器27的测试线与应变测试箱连接。

进一步地，在所述液压千斤顶6和加载的钢筋混凝土加载梁3之间安装一个刚度较大的弹簧支座I4，该支座能够承受较大的荷载，但变形较小；且需要在所述弹簧支座I4上侧安装一个压力传感器12，用与测量传递到横梁上的集中荷载大小。

进一步地，在所述混凝土受压徐变试块支座装置26中，控制位顶板19上需要有一个与钢柱29尺寸大小相对应的凹槽，用于限制钢柱29的位移，模拟简支梁或连续梁的固定支座。

进一步地，为了保证该较佳实施例的进行，要保证所浇筑的受压混凝土试块11顶底面的平整度。混凝土浇筑完成并放置在标准实验室条件下养护完成后，需要用打磨机在顶底面进行打磨处理。

进一步地，所述框架式钢筋混凝土受弯梁加载装置30的上横梁1和下横梁2应具有较大的刚度，能够抵抗较大的混凝土梁的反力作用。与混凝土梁相比，该刚性梁的变形可忽略不计。

图3和图4分别示意性地给出了具体施加到混凝土简支梁和连续梁上的加载装置，本发明也可对不同跨度和不同荷载大小的钢筋混凝土梁进行徐变加载。

所述埋置到受压混凝土试块11中的振弦式应变传感器15通过应变测试箱连接到电脑上，电脑测试系统可定时测量其应变值。在混凝土梁沿梁高度方向上布置顺桥向的若干应变传感器27，用于测量钢筋混凝土梁的应变随时间的变化关系。所述位移传感器16布置到钢筋混凝土梁跨中截面，用于测试跨中截面上的竖向位移。

本发明在具体实施例中的步骤如下：

1）在模板内，安装三角形钢筋支架，在每个混凝土试块中部沿轴向方向均匀布置三个振弦式应变传感器，本实施例中混凝土试块尺寸大小根据钢筋混凝土梁的尺寸和液压千斤顶承受荷载的能力大小确定，浇筑混凝土后放置到合适的条件下进行养护，拆模后可获得试验用的混凝土徐变试块。

2）将混凝土试块每四组组成一个支座，将其卡在控制位顶板19和控制位底板20的卡槽中，在中部的预留孔洞贯穿螺纹钢筋24，并拧紧控制螺纹杆螺帽22，形成支座装置。本次加载的每组混凝土试块可由不同配比或掺合料组成的试件，也可由不同养护龄期的混凝土试块组成。

3）将带有千斤顶的钢筋混凝土受弯梁徐变加载装置放置到简支梁或连续梁需要加载的位置，在梁跨中截面安装千分表16和应变传感器27。启动液压千斤顶，钢筋混凝土梁会受到较大的竖向荷载，并产生一定的变形，根据压力传感器12的读数，当达到设计要求时，停止加载，并拧紧控制螺纹杆螺帽22，此时就可以将液压千斤顶6的力转化到下横梁2上。

4）加载前后，记录振弦式应变传感器15，应变传感器27和千分表16上的读数，并随时间变化依次记录不同日期的位移和应变值。观测压力传感器12上的应力结果，若数值小于设计荷载的5%，启动液压千斤顶，增大荷载，同时继续拧紧控制螺纹杆螺帽22，保持施加到混凝土梁上的荷载恒定。

本发明的具体实施例，虽然是以素混凝土试块作为钢筋混凝土梁支座装置的主要构件，但也并不局限于素混凝土，对于具有相同形状尺寸的钢管混凝土试块同样适用。

以上所述的仅是本发明的较佳具体实施例。对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，无需创造性劳动就可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。