约束作用下的轴向受拉试验装置及其试验方法与流程

本发明涉及轴向受拉试验技术领域，具体是一种能够提供并维持水平约束应力或约束位移不变的约束作用下的轴向受拉试验装置及其试验方法。

背景技术：

约束混凝土即在外部施加径向约束，使混凝土在轴向受压时产生的横向变形收到限制，延缓材料内部裂缝的产生和发展，改善核心混凝土自身原有的受压特性，使其抗压强度和变形能力得到提高，约束作用越强，混凝土强度提高幅度越大，目前国内外对约束作用下的混凝土轴向承载力进行了大量试验研究，但对于其细部受力机理和破坏形式，由于无法进行直接的观测，只能通过理论分析或数值模拟的方式进行计算，为了能够直观的观测约束状态下混凝土的破坏形式，需要一种能够提供径向约束应力，且水平接触面应力分布均匀，具有足够的刚度，维持水平约束位移或约束应力不变的试验装置及试验方法。

技术实现要素：

本发明旨在解决钢管或加密螺旋箍筋在约束作用下，混凝土或灌浆料内部破坏形态无法直接观察的难题，从而提供一种能够提供并维持水平约束应力或约束位移不变的约束作用下的轴向受拉试验装置及其试验方法。

本发明解决所述问题，采用的技术方案是：

一种约束作用下的轴向受拉试验装置，包括反力墙、轴向拉压装置、水平约束装置，固定在地沟上的门架，轴向拉压装置上安装有试件；

轴向受拉装置包括竖向作动器、上连接机构、下连接机构和固定压梁；竖向作动器悬挂于门架上，上连接机构的上部通过螺栓与竖向作动器连接，上连接机构的下部通过销栓与试件的上端铰接，下连接机构包括固定板、拉板和双向连接头，固定板固定安装在固定压梁上，双向连接头和拉板的上部和下部分别加工有连接孔，双向连接头的上部通过销栓与试件的下端铰接，双向连接头的下部通过销栓与拉板的上部铰接，拉板的下部通过销栓与固定板铰接。

水平约束装置包括水平作动器、水平加载头、水平固定头、三角支撑架、支撑架压梁，水平作动器固定安装在反力墙上，水平加载头和水平固定头分别设置在试件的两侧，水平加载头通过高强螺杆与水平作动器连接，水平固定头通过调节螺杆、调节螺母与三角支撑架连接，每个调节螺杆上设置两个调节螺母用于调节水平固定头的位置，三角支撑架通过支撑架压梁固定在地沟上。

固定压梁包括第一固定压梁和第二固定压梁，水平加载头通过加载头固定机构与第一固定压梁连接，第二固定压梁与下连接机构的固定板固定连接，第一固定压梁和第二固定压梁分别通过锚固螺杆与地沟固定连接。

试件与水平加载头之间、工件与和水平固定头之间分别设置有一个垫板和一个侧向滑轮组，其作用是使试件能够在竖直方向自由滑动。

水平作动器、水平加载头、水平固定头与试件的中心位于同一水平面内；竖向作动器与试件的中心位于同一垂直平面内。

水平固定头通过支撑杆和支撑板进行支撑，支撑板设置在三角支撑架上，支撑杆设置在支撑板上，其作用是在调节水平固定头位置时，保证水平固定头水平位置不变，使水平加载头与水平固定头的中心始终处于同一水平面上。

三角支撑架包括竖向支撑、斜支撑和水平支撑，竖向支撑设置在水平支撑上，斜支撑的两端分别与竖向支撑和水平支撑连接，水平支撑的一端伸出竖向支撑，并在竖向支撑前后两侧的水平支撑上分别放置一个支撑架压梁，支撑架压梁采用螺杆与地沟相固定，使三角支撑架在较大弯矩下不发生翘起，水平支撑的另一端与固定墙体之间浇筑有混凝土，使得水平支撑完全顶住固定墙体，避免三角支撑架发生水平滑移。

水平加载头和水平固定头分别包括前钢板、后钢板、连接肋板和加劲肋板，两块加劲肋板垂直焊接在连接肋板上，连接肋板、加劲肋板的两端分别与前钢板、后钢板焊接，水平加载头的后钢板通过高强螺杆与水平作动器连接，水平固定头的后钢板通过调节螺杆、调节螺母与三角支撑架连接。

优选地，加载头固定机构包括立柱、连接板、滑板、连杆；两个立柱均由工字钢制作而成，与第一固定压梁相焊接，起到连接和支撑作用，滑板焊接在两个立柱上，滑板两侧分别焊接有侧挡板，两个连杆两端分别安装有轴承，连接板焊接在两个连杆上，连杆、轴承和连接板连接共同构成小车结构，侧挡板高度大于轴承直径，连杆两端的轴承分别置于侧挡板与滑板连接所形成的凹槽内，轴承可在滑板上滑动，进而使小车仅在滑板上滑动，连接板的上端与水平加载头焊接，侧挡板两端分别焊接有限位板，以避免小车滑出滑板，同时为侧挡板提供较大的竖向力，加载头固定机构使得水平加载头只能在水平方向上运动。

试件包括中间板、侧板和灌浆料或混凝土，中间板和侧板上分别加工有连接孔，上连接机构的下部通过销栓与试件的中间板铰接，双向连接头的上部通过销栓与试件的侧板铰接。

一种采用以上所述的约束作用下的轴向受拉试验装置的试验方法，按照如下步骤进行：

（1）安装水平作动器和竖向作动器，为便于观察试验现象，水平作动器高度不宜过高，保证水平作动器水平；竖向作动器与试件的中心处于同一个垂直平面内，水平作动器与试件的中心处于同一个水平面内；

（2）调节三角支撑架位置，使其中心垂直面与水平作动器和竖向作动器的中心垂直面重合，并根据水平固定头的大小调整其与试件之间的距离，通过支撑架压梁与地沟进行固定；之后焊接支撑杆和支撑架，使水平固定头与水平作动器处于同一水平面，并用调节螺栓和调节螺母进行固定；

（3）安装水平加载头和加载头固定机构，调整水平加载头位置，使之与水平固定头的中心处于同一水平面内，之后将制作好的加载头固定机构置于水平加载头下部，调整位置，保证水平加载头具有足够大的加载位移，将第一固定压梁置于加载头固定机构下方并且通过锚固螺杆与地沟进行锚固连接，然后将加载头固定机构的连接板、立柱分别与水平加载头、第一固定压梁焊接，使之成为一个整体；

（4）安装上连接机构和下连接机构，上连接机构与竖向作动器通过螺栓连接，下连接机构的固定板与第二固定压梁进行焊接，并用锚固螺杆将第二固定压梁与地沟进行锚固连接，通过预制好的销栓，将下连接机构的固定板、拉板、双向连接头连接成一个整体，拉板长度可根据试件尺寸进行调整，保证拉紧时，试件中心水平面与水平作动器、水平加载头的中心水平面重合；

（5）安装试件，向下伸出竖向作动器，将试件通过销栓分别与上连接机构和下连接机构进行连接，提升竖向作动器使试件处于较小的拉应力状态；在试件与水平加载头之间以及试件与水平固定头之间放置侧向滑轮组和垫板，并伸出水平作动器，使试件达到预定约束应力；

（6）试验加载，根据试验需要，保持水平作动器位移不变或承载力不变，提升竖向作动器，观察试件两侧裂缝产生和发展情况，从而得到约束作用下试件的破坏形态。

采用上述技术方案的本发明，与现有技术相比，其突出的特点是：

①上连接机构和下连接机构均能够为试件提供两个方向的自由转动，使试件仅承受轴向拉力，而不会产生附加弯矩。

②本装置是一种能够提供并维持水平约束应力或约束位移不变的、且水平接触面应力分布均匀、具有足够的刚度、并进行约束作用下轴向受拉试验的装置，可用于对需要施加水平约束作用的轴向受拉试件进行加载试验，同时可用于模拟钢管或加密螺旋箍筋等约束作用下的试件的轴向受拉性能试验。

③能够较好的模拟钢管等的环向约束作用，具有测量精度高，受力合理，准确性强等特点，能够准确模拟约束作用下的轴向受拉试验。

附图说明

图1是本发明实施例结构示意图；

图2是图1的局部放大结构示意图；

图3是本发明实施例水平约束装置安装试件的结构示意图；

图4是本发明实施例加载头固定机构的立体结构示意图；

图5是本发明实施例加载头固定机构的主视结构示意图；

图6是本发明实施例加载头固定机构的侧视结构示意图；

图7是本发明实施例轴向受拉装置局部立体结构示意图；

图8是本发明实施例轴向受拉装置局部主视结构示意图；

图9是本发明实施例轴向受拉装置局部侧视结构示意图；

图10是本发明实施例水平加载头的立体结构示意图；

图11是本发明实施例水平加载头的主视结构示意图；

图12是本发明实施例水平加载头的右视结构示意图；

图13是本发明实施例试件的主视结构示意图；

图14是本发明实施例试件的侧视结构示意图；

图15是本发明实施例轴向受拉装置安装试件的结构示意图；

图中：反力墙1；三角支撑架2；水平作动器3；水平加载头4；加载头固定机构5；第一固定压梁6；水平固定头7；支撑板8；支撑杆9；调节螺母10；调节螺杆11；斜支撑12；水平支撑13；竖向支撑14；支撑架压梁15；锚固螺杆16；上连接机构17；下连接机构18；第二固定压梁19；侧向滑轮组20；垫板21；竖向作动器22；门架23；立柱24；连接板25；侧挡板26；限位板27；连杆28；滑板29；轴承30；双向连接头31；拉板32；固定板33；销栓34；地沟35；后钢板36；连接肋板37；前钢板38；加劲肋39；试件40；中间板41；侧板42；灌浆料或混凝土43；连接孔44；固定墙体45。

具体实施方式：

下面结合实施例对本发明作进一步说明，目的仅在于更好地理解本发明内容，因此，所举之例并不限制本发明的保护范围。

参见图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7、图8、图9、图10、图11、图12、图13、图14，包括反力墙1、轴向拉压装置、水平约束装置，固定在地沟35上的门架23，轴向拉压装置上安装有试件40；

轴向受拉装置包括竖向作动器22、上连接机构17、下连接机构18和固定压梁；竖向作动器22悬挂于门架23上，上连接机构17的上部通过螺栓与竖向作动器22连接，上连接机构17的下部通过销栓34与试件40的上端铰接，下连接机构18包括固定板33、拉板32和双向连接头31，固定板33固定安装在固定压梁上，双向连接头31和拉板32的上部和下部分别加工有连接孔44，双向连接头31的上部通过销栓34与试件40的下端铰接，双向连接头31的下部通过销栓34与拉板32的上部铰接，拉板32的下部通过销栓34与固定板33铰接。

水平约束装置包括水平作动器3、水平加载头4、水平固定头7、三角支撑架2、支撑架压梁15，水平作动器3固定安装在反力墙1上，水平加载头4和水平固定头7分别设置在试件40的两侧，水平加载头4通过高强螺杆与水平作动器3连接，水平固定头7通过调节螺杆11、调节螺母10与三角支撑架2连接，每个调节螺杆11上设置两个调节螺母10用于调节水平固定头7的位置，三角支撑架2通过支撑架压梁15固定在地沟35上。

水平作动器3和竖向作动器22均为电液伺服作动器，并且通过计算机进行控制，试验中，水平作动器3可保持位移不变，从而得到水平方向的反作用力，以模拟钢管和加密螺旋箍筋等被动约束作用下试件的轴向受拉性能，也可以保持荷载不变，以模拟均匀围压下试件的轴向受拉性能。

固定压梁采用工字钢进行制作，工字钢厚度不宜过小，以保证固定压梁具有足够大的刚度，固定压梁包括第一固定压梁6和第二固定压梁19，水平加载头4通过加载头固定机构5与第一固定压梁6连接，第二固定压梁19与下连接机构18的固定板33固定连接，第一固定压梁6和第二固定压梁19分别通过锚固螺杆16与地沟35固定连接。

试件40与水平加载头4之间、工件40与和水平固定头7之间分别设置有一个垫板21和一个侧向滑轮组20，其作用是使试件40能够在竖直方向自由滑动。

水平作动器3、水平加载头4、水平固定头7与试件40的中心位于同一水平面内；竖向作动器22与试件40的中心位于同一垂直平面内。

水平固定头7通过支撑杆8和支撑板9进行支撑，支撑板9设置在三角支撑架2上，支撑杆8设置在支撑板9上，其作用是在调节水平固定头7位置时，保证水平固定头7水平位置不变，使水平加载头4与水平固定头7的中心始终处于同一水平面上。

三角支撑架2设置两个，三角支撑架2包括竖向支撑14、斜支撑12和水平支撑13，竖向支撑14设置在水平支撑13上，斜支撑12的两端分别与竖向支撑14和水平支撑13连接，水平支撑13的一端伸出竖向支撑14一定长度，并在竖向支撑14前后两侧的水平支撑13上分别放置一个支撑架压梁15，支撑架压梁15采用锚固螺杆16与地沟35相固定，使三角支撑架2在较大弯矩下不发生翘起，水平支撑13的另一端与固定墙体45之间浇筑有混凝土，使得水平支撑13完全顶住固定墙体45，避免三角支撑架2发生水平滑移。

水平加载头4和水平固定头7的制作方式相同，均由钢板焊接而成，钢板厚度和大小可根据试件40的尺寸进行设计，水平加载头4和水平固定头7分别包括前钢板38、后钢板36、连接肋板37和加劲肋板39，前钢板38的长度和高度均要大于试件40中灌浆料或混凝土43的尺寸，保证试件40在加载过程中处于完全约束状态，避免产生附加弯矩，两块加劲肋板39垂直焊接在连接肋板37上，连接肋板37、加劲肋板39的两端分别与前钢板38、后钢板36焊接，水平加载头4的后钢板36通过高强螺杆与水平作动器3连接，水平固定头7的后钢板36通过调节螺杆11、调节螺母10与三角支撑架2连接。

加载头固定机构5包括立柱24、连接板25、滑板29、连杆28；两个立柱24均由工字钢制作而成，与第一固定压梁6相焊接，起到连接和支撑作用，滑板29焊接在两个立柱24上，滑板29两侧分别焊接有侧挡板26，两个连杆28两端分别安装有轴承30，连接板25焊接在两个连杆28上，连杆28、轴承30和连接板25连接共同构成小车结构，侧挡板26高度大于轴承30直径，连杆28两端的轴承30分别置于侧挡板26与滑板29连接所形成的凹槽内，轴承30可在滑板29上滑动，进而使小车仅在滑板29上滑动，连接板25的上端与水平加载头4焊接，侧挡板26两端分别焊接有限位板27，以避免小车滑出滑板，同时为侧挡板26提供较大的竖向力，加载头固定机构5使得水平加载头4只能在水平方向上运动。

试件40包括中间板41、侧板42和灌浆料或混凝土43，中间板41和侧板42上分别加工有连接孔44；上连接机构17的上部通过螺栓与竖向作动器22连接，上连接机构17的下部通过销栓与试件40的中间板41铰接；下连接机构18包括固定板33、拉板32和双向连接头31，固定板33焊接在第二固定压梁19上，双向连接头31和拉板32的上部和下部分别加工有连接孔44，双向连接头31的上部通过销栓与试件40的侧板42铰接，双向连接头31的下部通过销栓与拉板32的上部铰接，拉板32的下部通过销栓与固定板33铰接，中间板41和侧板42要求具有足够大的刚度，以降低变形带来的影响，上连接机构17和下连接机构18均能够为试件40提供两个方向的自由转动，使试件40仅承受轴向拉力，而不会产生附加弯矩。

以上所述的约束作用下的轴向受拉试验装置的试验方法，按照如下步骤进行：

（1）安装水平作动器3和竖向作动器22，为便于观察试验现象，水平作动器3高度不宜过高，保证水平作动器3水平；竖向作动器22与试件40的中心处于同一个垂直平面内，水平作动器3与试件40的中心处于同一个水平面内。

（2）调节三角支撑架2位置，使其中心垂直面与水平作动器3和竖向作动器22的中心垂直面重合，并根据水平固定头7的大小调整其与试件40之间的距离，通过支撑架压梁15与地沟35进行固定；之后焊接支撑杆8和支撑架9，使水平固定头7与水平作动器3处于同一水平面，并用调节螺栓11和调节螺母10进行固定。

（3）安装水平加载头4和加载头固定机构5，调整水平加载头4位置，使之与水平固定头7的中心处于同一水平面内，之后将制作好的加载头固定机构5置于水平加载头4下部，调整位置，保证水平加载头4具有足够大的加载位移，将第一固定压梁6置于加载头固定机构5下方并且通过锚固螺杆16与地沟35进行锚固连接，然后将加载头固定机构5的连接板25、立柱24分别与水平加载头4、第一固定压梁6焊接，使之成为一个整体。

（4）安装上连接机构17和下连接机构18，上连接机构17与竖向作动器22通过螺栓连接，下连接机构18的固定板33与第二固定压梁19进行焊接，并用锚固螺杆16将第二固定压梁19与地沟35进行锚固连接，通过预制好的销栓34，将下连接机构18的固定板33、拉板32、双向连接头31连接成一个整体，拉板32长度可根据试件40尺寸进行调整，保证拉紧时，试件40中心水平面与水平作动器3、水平加载头4的中心水平面重合。

（5）安装试件40，向下伸出竖向作动器22，将试件40通过销栓34分别与上连接机构17和下连接机构18进行连接，提升竖向作动器22使试件40处于较小的拉应力状态；在试件40与水平加载头4之间以及试件40与水平固定头7之间放置侧向滑轮组20和垫板21，并伸出水平作动器3，使试件40达到预定约束应力。

（6）试验加载，根据试验需要，保持水平作动器3位移不变或承载力不变，提升竖向作动器22，观察试件40两侧裂缝产生和发展情况，从而得到约束作用下试件40的破坏形态。

本装置的上连接机构17和下连接机构18均能够为试件40提供两个方向的自由转动，使试件40仅承受轴向拉力，而不会产生附加弯矩。

本装置是一种能够提供并维持水平约束应力或约束位移不变的、且水平接触面应力分布均匀、具有足够的刚度、并进行约束作用下轴向受拉试验的装置，可用于对需要施加水平约束作用的轴向受拉试件进行加载试验，同时可用于模拟钢管或加密螺旋箍筋等约束作用下的试件的轴向受拉性能试验，能够较好的模拟钢管等的环向约束作用，具有测量精度高，受力合理，准确性强等特点，能够准确模拟约束作用下的轴向受拉试验。

以上所述仅为本发明较佳可行的实施例而已，并非因此局限本发明的权利范围，凡运用本发明说明书及其附图内容所作的等效变化，均包含于本发明的权利范围之内。