一种钢管混凝土界面粘结滑移的试验装置及方法

专利名称：一种钢管混凝土界面粘结滑移的试验装置及方法

专利类型：发明专利

专利申请号：CN202210893633.4

专利申请（专利权）人：四川农业大学
权利人地址：四川省雅安市雨城区新康路46号

专利发明（设计）人：发明人:杨畅,吴兴祥,李琦,魏伟,周颖,李敏,王彬彬

专利摘要：本发明公开了一种钢管混凝土界面粘结滑移的试验装置及方法，其试验装置包括电液伺服长柱压力试验机、基础构件、柱式压力传感器、位移传感器、数据采集系统和双向应变片；该试验装置通过压力传感器的荷载信息，获得核心混凝土分担的外部荷载，也可认定为界面粘结滑移荷载；同时，结合压力机和位移传感器的信息，可推出钢管独立分担的受压全过程荷载‑变形曲线；该试验装置通过应变片信息分析，获得粘结滑移阶段钢管双向应力分布特征，由此推出由钢管局部屈曲前后的纵向应力分布特征；综上，该试验方法可揭示界面粘结滑移过程对钢管与核心混凝土的受力影响及传力机制。

主权利要求：
1.一种钢管混凝土界面粘结滑移的试验方法，其特征在于，包括以下步骤：S1：利用柱式压力传感器获取钢管与混凝土之间界面的粘结力和竖向滑移力；
S2：利用电液伺服长柱压力试验机对基础构件进行轴心受压加载，得到基础构件轴心受压加载过程的输出荷载；
S3：根据电液伺服长柱压力试验机的输出荷载以及钢管与混凝土之间界面的粘结力和竖向滑移力，计算钢管所分担的荷载；
S4：利用位移传感器测量基础构件的平均纵向变形，并根据钢管所分担的荷载得到基础构件中钢管独立分担的荷载‑纵向变形曲线，在钢管独立分担的荷载‑纵向变形曲线中确定钢管初始局部屈曲坐标；
S5：利用双向应变片测量钢管的环形和纵向变形数据，计算钢管的双向应力，分析钢管局部屈曲前后的应力分布变化特征；并根据钢管初始屈曲坐标，判断钢管局部屈曲与峰值点的先后关系，完成试验；
该试验方法的试验装置，包括电液伺服长柱压力试验机、基础构件、柱式压力传感器、位移传感器、数据采集系统和双向应变片；
所述电液伺服长柱压力试验机用于对基础构件进行轴心受压加载，得到轴心受压加载过程的荷载‑位移曲线；
所述基础构件用于进行钢管混凝土界面粘结滑移试验；
所述柱式压力传感器用于获取基础构件在轴心受压加载过程中的粘结力和竖向滑移力，并根据荷载‑位移曲线获取基础构件中钢管独立的受压全过程受荷‑位移曲线；
所述位移传感器用于测量基础构件的平均纵向变形；
所述数据采集系统用于测量柱式压力传感器、位移传感器和双向应变片的荷载和变形数据；
所述双向应变片用于测量基础构件中钢管的环形和纵向变形数据；
所述基础构件包括第一钢板(1)、第二钢板(2)、第三钢板(3)、第四钢板(4)、钢管(5)和补强焊管(6)；
所述钢管(5)内设置有混凝土；所述第一钢板(1)和第二钢板(2)分别固定设置于钢管(5)的顶部和底部；所述第三钢板(3)设置于钢管(5)内部；所述第四钢板(4)固定设置于第一钢板(1)的顶部；所述补强焊管(6)设置于钢管(5)底部的外壁上；
所述第一钢板(1)和第二钢板(2)的中心均设置有开孔；所述第一钢板(1)采用焊接的方式固定设置于钢管(5)的顶部；所述第二钢板(2)采用焊接的方式固定设置于钢管(5)的底部；
所述柱式压力传感器设置于第三钢板(3)上；所述双向应变片设置于钢管(5)的外壁上；所述柱式压力传感器用于获取轴心受压加载过程中钢管(5)与混凝土之间的粘结力和滑移力；
所述柱式压力传感器的导线穿设于第一钢板(1)的穿线孔。
2.根据权利要求1所述的钢管混凝土界面粘结滑移的试验方法，其特征在于，所述步骤S3中，钢管所分担的载荷S的计算公式为：S＝P‑N
其中，P表示电液伺服长柱压力试验机的输出荷载，N表示混凝土界面的粘结力和竖向滑移力。
3.根据权利要求1所述的钢管混凝土界面粘结滑移的试验方法，其特征在于，所述步骤S5中，钢管的双向应力包括钢管环向应变εx和钢管纵向应变εz，其在弹性阶段的计算公式分别为：其中，σx表示钢管的环向应力，σz表示钢管的纵向应力，Es表示钢管材料的弹性模量；ν表示钢管材料的弹性泊松比。
4.根据权利要求1所述的钢管混凝土界面粘结滑移的试验方法，其特征在于，所述步骤S5中，分析钢管局部屈曲前后的应力分布变化特征的具体方法为：若钢管的屈服强度fsy满
2 2 2 2
足σx+σz+(σx‑σz) ＝2fsy ，则钢管的截面应力屈服，否则不屈服，其中，σx表示钢管的环向应力，σz表示钢管的纵向应力。 说明书 : 一种钢管混凝土界面粘结滑移的试验装置及方法技术领域[0001] 本发明属于钢管试验技术领域，具体涉及一种钢管混凝土界面粘结滑移的试验装置及方法。背景技术[0002] 钢管混凝土短柱的受压性能与其材料强度、截面尺寸及形状等组配参数有着密不可分的联系，同时，随着组配方式的改变，组合构件的受压性能及破坏模式也存在较大差异。受到钢管局部屈曲行为的影响，加载进入弹塑性阶段后，钢管与核心混凝土的变形协调关系更加复杂。传统的全截面轴压试验方法无法全面测试并获取钢管或核心混凝土的独立受力信息，导致钢管混凝土受压构件的本构模型无法从根本上揭示吻合不同组配方式下的受力性能曲线，尤其是无法准确评估钢管后屈曲阶段的构件受力性能特征。[0003] 另一方面，现有的推出试验方法在钢管混凝土界面粘结滑移理论上的贡献出现集中在界面粘结滑移本构、界面粘结强度计算方法等方面。该试验研究方法的主要缺陷是无法考虑钢管横向变形对粘结滑移的影响。其次，由于影响粘结滑移的影响较多，如钢管宽厚比/径厚比、混凝土的填充强度和构件截面尺寸等，基于推出试验获得的既有粘结强度计算方法无法全面准确反映界面粘结滑移对组合构件的传力机制。发明内容[0004] 本发明为了解决以上问题，提出了一种钢管混凝土界面粘结滑移的试验装置及方法。[0005] 本发明的技术方案是：一种钢管混凝土界面粘结滑移的试验装置包括电液伺服长柱压力试验机、基础构件、柱式压力传感器、位移传感器、数据采集系统和双向应变片；[0006] 电液伺服长柱压力试验机用于对基础构件进行轴心受压加载，得到轴心受压加载过程的荷载‑位移曲线；[0007] 基础构件用于进行钢管混凝土界面粘结滑移试验；[0008] 柱式压力传感器用于获取基础构件在轴心受压加载过程中的粘结力和竖向滑移力，并根据荷载‑位移曲线获取基础构件中钢管独立的受压全过程受荷‑位移曲线；[0009] 位移传感器用于测量基础构件的平均纵向变形；[0010] 数据采集系统用于测量柱式压力传感器、位移传感器和双向应变片的荷载和变形数据；[0011] 双向应变片用于测量基础构件中钢管的环形和纵向变形数据。[0012] 进一步地，基本构件包括第一钢板、第二钢板、第三钢板、第四钢板、钢管和补强焊管；[0013] 钢管内设置有混凝土；第一钢板和第二钢板分别固定设置于钢管的顶部和底部；第三钢板设置于钢管内部；第四钢板固定设置于第一钢板的顶部；补强焊管设置于钢管底部的外壁上。[0014] 进一步地，第一钢板和第二钢板的中心均设置有开孔；第一钢板采用焊接的方式固定设置于钢管的顶部；第二钢板采用焊接的方式固定设置于钢管的底部。[0015] 进一步地，柱式压力传感器设置于第三钢板上；双向应变片设置于钢管的外壁上；柱式压力传感器用于获取轴心受压加载过程中钢管与混凝土之间的粘结力和滑移力。[0016] 进一步地，柱式压力传感器的导线穿设于第一钢板的穿线孔。[0017] 本发明的有益效果是：该试验装置通过应变片信息分析，获得粘结滑移阶段钢管应力分布特征，由此推出由钢管传递给混凝土的应力纵向分布情况；通过压力传感器的荷载信息，获得核心混凝土分担的外部荷载，也可认定为界面粘结滑移荷载；同时，结合压力机和位移传感器的信息，可推出钢管独立分担的受压全过程荷载‑变形曲线。[0018] 基于以上系统，本发明还提出一种钢管混凝土界面粘结滑移的试验方法，包括以下步骤：[0019] S1：利用柱式压力传感器获取钢管与混凝土之间界面的粘结力和竖向滑移力；[0020] S2：利用电液伺服长柱压力试验机对基础构件进行轴心受压加载，得到基础构件轴心受压加载过程的输出荷载；[0021] S3：根据电液伺服长柱压力试验机的输出荷载以及钢管与混凝土之间界面的粘结力和竖向滑移力，计算钢管所分担的荷载；[0022] S4：利用位移传感器测量基础构件的平均纵向变形，并根据钢管所分担的荷载得到基础构件中钢管独立分担的荷载‑纵向变形曲线，在钢管独立分担的荷载‑纵向变形曲线中确定钢管初始局部屈曲坐标；[0023] S5：利用双向应变片测量钢管的环形和纵向变形数据，计算钢管的双向应力，分析钢管局部屈曲前后的应力分布变化特征；并根据钢管初始屈曲坐标，判断钢管局部屈曲与峰值点的先后关系，完成试验。[0024] 进一步地，步骤S3中，钢管所分担的载荷S的计算公式为：[0025] S＝P‑N[0026] 其中，P表示电液伺服长柱压力试验机的输出荷载，N表示混凝土界面的粘结力和竖向滑移力。[0027] 进一步地，步骤S5中，钢管的双向应力包括钢管环向应变εx和钢管纵向应变εz，其在弹性阶段的计算公式分别为：[0028][0029][0030] 其中，σx表示钢管的环向应力，σz表示钢管的纵向应力，Es表示钢管材料的弹性模量；ν表示钢管材料的弹性泊松比。[0031] 进一步地，步骤S5中，分析钢管局部屈曲前后的应力分布变化特征的具体方法为：2 2 2 2若钢管的屈服强度fsy满足σx +σz+(σx‑σz)＝2fsy ，则钢管的截面应力屈服，否则不屈服，其中，σx表示钢管的环向应力，σz表示钢管的纵向应力。[0032] 本发明的有益效果是：本发明为一项受力机理研究性试验方法，同时考虑了钢管内壁与核心混凝土之间的界面粘结、滑移传力机制及其对钢管受压特征曲线的影响。该试验方法不仅可以避免大尺寸构件对长柱压力机量程的需求，还可以有效考虑钢管横向变形对界面传力机制的影响，并巧妙地分解出钢管与核心混凝土的独立受压过程，有利于揭示界面受力和传力机制。同时，独立的钢管受压试验曲线还可用于分析界面及核心混凝土内衬支撑对钢管局部屈曲及后屈曲受压特征曲线的影响。附图说明[0033] 图1为试验装置的结构图；[0034] 图2为考虑界面粘结滑移全过程的轴压试验测试装置结构图；[0035] 图3为钢板结构图(钢管以圆形截面为例)；[0036] 图4为双向应变片平面布置图；[0037] 图5为临时支护结构示意图(钢管以圆形截面为例)；[0038] 图6为试验方法的流程图；[0039] 图中，1、第一钢板；2、第二钢板；3、第三钢板；4、第四钢板；5、钢管；6、补强焊管。具体实施方式[0040] 下面结合附图对本发明的实施例作进一步的说明。[0041] 荷载‑位移曲线：试样在受力过程中测得的试样受力点处的位移随外加荷载的变化关系曲线。[0042] 电液伺服长柱压力试验机：一种用于土木建筑工程领域的工艺试验仪器。[0043] 如图1所示，本发明提供了一种钢管混凝土界面粘结滑移的试验装置，包括电液伺服长柱压力试验机、基础构件、柱式压力传感器、位移传感器、数据采集系统和双向应变片；[0044] 电液伺服长柱压力试验机用于对基础构件进行轴心受压加载，得到轴心受压加载过程的荷载‑位移曲线；额定荷载要求不低于5000kN；[0045] 基础构件用于进行钢管混凝土界面粘结滑移试验；[0046] 柱式压力传感器用于获取基础构件在轴心受压加载过程中的粘结力和竖向滑移力，并根据荷载‑位移曲线获取基础构件中钢管独立的受压全过程受荷‑位移曲线；[0047] 位移传感器用于测量基础构件的平均纵向变形；[0048] 数据采集系统用于测量柱式压力传感器、位移传感器和双向应变片的荷载和变形数据；[0049] 双向应变片用于测量基础构件中钢管的环形和纵向变形数据。[0050] 如图1所示，位移传感器共需4根量程不低于50mm的拉杆式位移传感器，分别等间距的置于构件上钢板的下表面，用于测量构件的平均纵向变形，为建立钢管后屈曲受压特征曲线服务。[0051] 数据采集系统：要求不低于30个接口，分别于连接位移传感器、应变片和压力传感器，用于同步测量三类设备/材料的变形和力的数据。[0052] 如图4所示，双向应变片：贴置钢管的外壁，纵向高度方向分别在跨中、距离跨中上/下一个D高度处布置应变片，双向应变片用于检测混凝土填充区域钢管的环形和纵向变形特征，旨在分析界面粘结、滑移过程的传力机制。[0053] 在本发明实施例中，如图2所示，基本构件包括第一钢板1、第二钢板2、第三钢板3、第四钢板4、钢管5和补强焊管6；[0054] 钢管5内设置有混凝土；第一钢板1和第二钢板2分别固定设置于钢管5的顶部和底部；第三钢板3设置于钢管5内部；第四钢板4固定设置于第一钢板1的顶部；补强焊管6设置于钢管5底部的外壁上。[0055] 钢管5的长宽比L/D＝3.0，作为加载试件的承重主体部分，其截面类型及规格可按研究对象的需求自由选择。[0056] 第一钢板1、第二钢板2和第四钢板4为3块方形钢板，边长＝钢管截面宽度D+200mm，钢板厚度不低于12mm。其中，第一钢板1和第二钢板2均需开孔，开孔形状和宽度按照承重钢管的截面形状和宽度确定，要求不影响中间钢板的放置。第一钢板1和第二钢板2分别焊接于钢管两端，保证钢管表面平整、均匀受力。第四钢板4放置在第一钢板1上部，无需开孔，用于覆盖压力传感器，保证加载过程中钢管与压力传感器同时受力。[0057] 第三钢板3截面尺寸稍小于承重钢管内壁净宽，厚度不低于20mm。用于承接混凝土与压力传感器，保证核心混凝土横截面能均匀受力。[0058] 如图1所示，混凝土采用现浇方式，自然养护，强度等级可视研究需求调整。承重钢管底部要预留2％L的空间高度，用于界面滑移。故而，混凝土在浇筑于承重钢管前，底部预先进行临时支护。如图5所示，临时支护结构，要求：接触面要保证平整，同时涂抹脱模剂，待混凝土养护28天后方可拆除。[0059] 如图1所示，补强焊管的厚度不低于2mm，置于承重钢管下部外侧。用于防止承重钢管下部局部屈曲。[0060] 在本发明实施例中，如图3所示，第一钢板1和第二钢板2的中心均设置有开孔；第一钢板1采用焊接的方式固定设置于钢管5的顶部；第二钢板2采用焊接的方式固定设置于钢管5的底部。[0061] 在本发明实施例中，如图1所示，柱式压力传感器设置于第三钢板3上；双向应变片设置于钢管5的外壁上；柱式压力传感器用于获取轴心受压加载过程中钢管5与混凝土之间的粘结力和滑移力。[0062] 如图1所示，柱式压力传感器的额定量程为1000kN，置于核心混凝土上表面，为保证接触面受力和传力的均匀性，与混凝土中间放置一块第三钢板3；柱式压力传感器的导线穿设于第一钢板1的穿线孔。柱式压力传感器主要用来获取加载过程中钢管与混凝土界面之间的粘结力和滑移力。同时结合长柱压力试验机的输出荷载，推算出承重钢管独立承载的竖向荷载。[0063] 基于以上系统，本发明还提出一种钢管混凝土界面粘结滑移的试验方法，如图6所示，包括以下步骤：[0064] S1：利用柱式压力传感器获取钢管与混凝土之间界面的粘结力和竖向滑移力；[0065] S2：利用电液伺服长柱压力试验机对基础构件进行轴心受压加载，得到基础构件轴心受压加载过程的输出荷载；[0066] S3：根据电液伺服长柱压力试验机的输出荷载以及钢管与混凝土之间界面的粘结力和竖向滑移力，计算钢管所分担的荷载；[0067] S4：利用位移传感器测量基础构件的平均纵向变形，并根据钢管所分担的荷载得到基础构件中钢管独立分担的荷载‑纵向变形曲线，在钢管独立分担的荷载‑纵向变形曲线中确定钢管初始局部屈曲坐标；[0068] S5：利用双向应变片测量钢管的环形和纵向变形数据，计算钢管的双向应力，分析钢管局部屈曲前后的应力分布变化特征；并根据钢管初始屈曲坐标，判断钢管局部屈曲与峰值点的先后关系，完成试验。[0069] 在本发明实施例中，步骤S3中，钢管所分担的载荷S的计算公式为：[0070] S＝P‑N[0071] 其中，P表示电液伺服长柱压力试验机的输出荷载，N表示混凝土界面的粘结力和竖向滑移力。[0072] 在本发明实施例中，步骤S5中，钢管的双向应力包括钢管环向应变εx和钢管纵向应变εz，其在弹性阶段的计算公式分别为：[0073][0074][0075] 其中，σx表示钢管的环向应力，σz表示钢管的纵向应力，Es表示钢管材料的弹性模量；ν表示钢管材料的弹性泊松比。[0076] 在本发明实施例中，步骤S5中，分析钢管局部屈曲前后的应力分布变化特征的具2 2 2 2体方法为：若钢管的屈服强度fsy满足σx+σz+(σx‑σz) ＝2fsy，则钢管的截面应力屈服，否则不屈服，其中，σx表示钢管的环向应力，σz表示钢管的纵向应力。[0077] 本发明的有益效果为：[0078] (1)该试验装置通过应变片信息分析，获得粘结滑移阶段钢管应力分布特征，由此推出由钢管传递给混凝土的应力纵向分布情况；通过压力传感器的荷载信息，获得核心混凝土分担的外部荷载，也可认定为界面粘结滑移荷载；同时，结合压力机和位移传感器的信息，可推出钢管独立分担的受压全过程荷载‑变形曲线。[0079] (2)本发明为一项受力机理研究性试验方法，同时考虑了钢管内壁与核心混凝土之间的界面粘结、滑移传力机制及其对钢管受压特征曲线的影响。该试验方法不仅可以避免大尺寸构件对长柱压力机量程的需求，还可以有效考虑钢管横向变形对界面传力机制的影响，并巧妙地分解出钢管与核心混凝土的独立受压过程，有利于揭示界面受力和传力机制。同时，独立的钢管受压试验曲线还可用于分析界面及核心混凝土内衬支撑对钢管局部屈曲及后屈曲受压特征曲线的影响。[0080] 本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

专利地区：四川

专利申请日期：2022-07-27

专利公开日期：2024-10-11

专利公告号：CN115127996B