一种栓钉混凝土拉伸试验装置及试验方法与流程

本发明涉及栓钉和混凝土作用体系下的拉伸试验，属于力学性能检测领域。

背景技术：

栓钉(电弧螺柱焊用圆柱头焊钉)作为目前工程建筑领域最为常用的连接件，以其施工方便，造价低的特点为广大工程技术人员熟知。目前，对栓钉的研究主要集中在将其作为抗剪连接件方面，分析其抗剪切性能和失效机理，而对于拉伸性能仅仅局限于栓钉本身，忽略了其具体的工作环境，即栓钉通常是与混凝土相互作用。

伴随着国家逐步在建筑行业推广装配式结构，混凝土预制构件的设计会越来越多，越来越复杂，这其中就会涉及到作为连接件的栓钉与混凝土的作用体系，这就需要考虑作为连接件的栓钉在与混凝土作用时的力学性能分析，比如与不同强度等级混凝土作用，又如与不同截面的混凝土结构作用，再比如带头或者光头又或者带螺纹的不同栓钉与混凝土作用等等，这些都需要做严格的测试，测试中还需考虑到栓钉的埋深，栓钉截面与混凝土截面的比值等变量，而现有的测试装置和方法还没有涉及到上述问题。

中国专利CN203606214U(2014.05.21)公开了一种焊接螺柱拉伸试验夹紧装置，其通过焊接将栓钉固定在试件上，再通过压板和底板夹持住试件，从而完成拉伸过程。

中国专利CN103234814B(2015.09.30)公开了一种栓钉焊接拉伸试验夹具及其拉伸方法，栓钉上部通过卡接缺口固定，下部通过钢板固定，从而完成拉伸过程。

中国专利CN201765073U(2011.03.16)公开了一种栓钉检测装置，该装置通过楔块，螺钉和上下加载头实现栓钉的拉伸检测。

因此，拉伸受力也是导致该连接结构失效的一个因素，所以设计一套适用于栓钉与混凝土结构的拉伸试验装置和试验方法对于研究其失效机理是很有必要的。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是：提供一种栓钉混凝土拉伸试验装置及试验方法，评估测试不同参数条件(比如空腔截面不同，混凝土强度等级不同，栓钉截面与混凝土截面的比值不同，栓钉埋深不同等)下的栓钉混凝土体系拉伸性能，进一步研究栓钉混凝土的失效机理。

本发明的技术方案如下：

一种栓钉混凝土拉伸试验装置，包括底座和测量定位件，所述底座包含平行的上端板和下端板，上端板和下端板之间垂直连接有连接件，连接件内有空腔，上端板和下端板上均开有通孔，且通孔与空腔连通；所述测量定位件上有一平面，所述平面长度大于等于下端板长度，所述平面中心开有孔。

所述上端板和下端板的横截面外轮廓为圆形或正多边形。

所述连接件为组合体，即分为上下两个组合部件，通过螺纹或销钉等连接。

所述连接件横截面的外轮廓为圆形或正多边形。

进一步，连接件的横截面为变截面或等截面，其壁厚为定值或非定值。

所述空腔为贯穿连接件上下端面的等截面腔体，所述截面为圆形或正多边形。

进一步，空腔为变截面腔体。

所述测量定位件纵截面呈⊥形，其竖直边上开有连接固定孔。

所述下端板的上表面与测量定位件的平面之间为位移计。

上端板和下端板与连接件之间采用焊接相连。

一种采用上述拉伸试验装置的栓钉拉混凝土拉伸试验方法，包括以下步骤：

①制样，将栓钉贴有应变片的一端穿过上端板的通孔插入空腔中，然后向空腔内浇筑混凝土直到混凝土上表面与上端板的上表面平齐，栓钉的另一端穿过测量定位件的平面上的孔并与之固定，平面与下端板之间关于栓钉对称设置两台位移计，整个过程确保栓钉的轴线与上端板，下端板以及空腔的中轴线重合；

②装样，将栓钉的自由端与万能拉伸试验机的上夹头连接，下端板通过钢管与下夹头连接；

③加载，在弹性范围内以栓钉屈服荷载的1/4、2/4、3/4荷载对栓钉进行重复张拉加载、卸载多次(例如3次，4次，具体次数可根据试验设计调整)，然后张拉直至栓钉破坏。

④试样切割，将连接件切割开(即沿轴向切开连接件的外壁)，保留空腔内完整的混凝土结构。

制样步骤中，所述应变片包括轴向和周向两组应变片，所述栓钉包括光圆型和螺纹型(即杆部是否带有螺纹，不带螺纹为光圆型)。

制样步骤中，选择上端板通孔孔径与空腔截面直径比值不同的一系列组合制样。

本发明通过底座将栓钉与混凝土结合，通过变换连接件空腔的截面形状，或者上端板通孔孔径与空腔截面直径比，或者混凝土强度等级，或者栓钉埋深，或者栓钉截面与混凝土截面的比值，又或者栓钉买入深度等参数，从而获得不同条件下不同类型栓钉(光圆型或螺纹型)的拉伸断裂数值，为进一步研究栓钉-混凝土体系下断裂机理，建立失效模型打下基础。

附图说明

图1是本发明的拉伸试验装置结构示意图；

图2是本发明中连接件截面为圆形且空腔截面为圆形时的拉伸试验装置示意图；

图3是图2的爆炸示意图；

图4为不同形式的栓钉结构示意图；

图5和图6为不同形式的连接件和空腔结构示意图。

具体实施方式

如图1所示，为本发明拉伸试验装置的基本构成图，包括底座和测量定位件5，底座包含平行的上端板1和下端板2，上端板1和下端板2均为一块中心开通孔的矩形厚钢板，上端板1和下端板2之间垂直连接有连接件4，连接件4为钢管，连接件4内的空腔3与上端板1和下端板2上的通孔连通，下端板2的通孔内加工有螺纹(拉伸时，可将一根端部带有螺纹的钢管或钢棒旋入其中，然后与拉伸机的下夹头连接)；测量定位件5为一块纵截面呈⊥形的钢质构件，下端面为平面6，平面6长度等于下端板2长度(这里的长度是指结构件三维尺寸中最大的尺寸)，平面6中心开有孔，用于穿过栓钉9。⊥形测量定位件5的竖直边上有一排关于中心对称的圆孔。

如图2所示，将上端板1，钢管形连接件4和下端板2焊接构成底座，造型类似绕线盘，确保钢管形连接件4的中心轴线与上下端板的中心线重合。下端板2上接近4个端角部分开有螺栓连接孔。制备试样时，选择光圆型或螺纹型栓钉9，在栓钉9杆部贴上轴向和周向应变片13，将其头部一端经上端板1的通孔放入钢管形连接件4的空腔3中，然后向空腔3中浇筑混凝土，混凝土上平面与上端板1的表面平齐，待凝固后，利用下端板2四个端角处的螺栓孔和螺栓在其下方再连接一块同尺寸的下端板2，利用下端板2通孔中的螺纹连接一跟带外螺纹的钢棒10。下端板2的上表面上且在连接件4的两侧放置一对位移计8，采用一对C形夹11夹持两块下端板2无位移计8的两条重合边缘。栓钉9的上部穿过测量定位件5下端的平面6中心位置的孔，并用紧固件12配合螺栓和竖直边上的连接固定孔7固定，固定时确保位移计8上下两端分别与测量定位件5的平面6和下端板2的上表面贴合。栓钉9的自由端与拉伸试验机的上夹头连接，钢棒10与下夹头连接。

制备试样时，可选择不同类型的参数组合，包括以下方面：

①不同类型的栓钉9，例如光圆型和螺纹型，如图4所示；

②连接件4的外壁轮廓(等截面或变截面)不同或壁厚不同，空腔3的截面形状(等截面或变截面)不同，如图5和图6；

③空腔3的上端面外径与上端板1中心通孔的外径不同比值系列；

④栓钉9插入连接件4中深度不同；

⑤栓钉9的直径与连接件4最小外径不同比值系列。

⑥不同混凝土强度等级。

以上参数可以任意混搭组合，比如①和②，⑤，③和④等等。

拉伸加载时，在弹性范围内以栓钉9屈服荷载的1/4、2/4、3/4荷载对栓钉9进行重复张拉加载、卸载多次(例如3次，4次，具体次数可根据试验设计调整)，然后张拉直至栓钉破坏。采用两个位移计8所检测得到的结果平均值作为试验的位移值。拉伸结束后，将连接件4切割开，观察空腔3内混凝土的失效情况。

通过设计不同的拉伸试验组合得出初始刚度、屈服强度、抗拉强度、最大位移、破坏形式等数据，然后分析建模，推导建立栓钉与混凝土结构的失效模型。