一种双剪实验防偏心加载夹持装置及方法与流程

本发明属于混凝土结构加固检测领域，特别是涉及解决加固材料/构件-混凝土界面等的双剪实验加载过程中出现偏心问题的一种双剪实验防偏心加载夹持装置及方法。

背景技术：

由于钢筋锈蚀、材料劣化、设计标准提高与施工缺陷等原因，导致大量在役钢筋混凝土(rc)结构需要加固维修。粘贴加固法是用粘结胶将加固材料/构件粘贴到混凝土结构上，通过加固材料/构件与混凝土界面之间的粘结剪应力，实现荷载的传递，以达到共同受力，提高承载力的加固目的。因此，加固材料/构件与混凝土界面的粘结性能是外贴加固rc结构技术的关键，主要通过面内剪切实验来研究，间接双剪实验是其中常用的方法，制作试件时，预先在混凝土试块内埋入带肋钢筋，实验中由试验机夹头夹住两端的钢筋进行加载，通过钢筋与混凝土之间的粘结力传递到界面上，使界面承受剪切力。

该实验中最大的难点在于如何保证加固材料/构件与混凝土界面处于纯剪切加载状态。其原因是用于加载的带肋钢筋表面螺纹不平导致安装试件时产生扭矩t、试件两端钢筋中心之间的微小差距产生了附加弯矩m，导致将试件安装于试验机、加载头夹紧试件时发生界面意外剥离而导致实验失败。

有学者采用带有万向球铰的夹具或在两个混凝土试块中埋入四根定位螺纹钢，通过套筒连接，加载时旋开套筒的方法来解决双剪实验的加载偏心问题。然而，球铰与夹具之间的空位在施加荷载时易产生晃动，尤其是在疲劳荷载反复作用下其晃动甚烈；四根定位螺杆要求两个试块之间预留较大的空位，对试验机的空间要求高，且实际操作过程中由于制作试件的误差，使四根钢筋完全对中有一定难度。另外，这两种方法均没有解决试验机夹持试件时会产生较大的扭矩容易导致frp-混凝土界面意外剥离破坏的根本问题。

技术实现要素：

对于加固材料/构件与混凝土的界面及其它类似双剪实验，为了解决试件夹持时容易产生扭矩、试件不对中而产生偏心弯矩的问题，使实验对象(如加固材料/构件与混凝土的界面)处于纯剪切加载状态，本发明提供了一种双剪实验防偏心加载夹持方法及装置。

本发明的技术方案如下：

一种双剪实验防偏心加载的夹持装置，连接于试验机和混凝土试件上、下两端的螺纹杆之间，包括两个结构相同的组合式加载头，所述的组合式加载头包括叉形夹具、吊环、销栓连接装置，所述的叉形夹具的一端设置有被试验机夹持的直杆部，另一端沿叉形夹具轴线居中设置有与所述吊环形状相匹的开口槽，所述的吊环一端通过垂直贯穿所述叉形夹具的销栓连接装置同轴地铰接设置在叉形夹具的开口槽内，另一端设置有用于连接混凝土试件螺纹杆的螺纹孔。

进一步地，所述组合式加载头的材料采用高强度结构钢，所述叉形夹具直杆部的直径和长度与试验机夹具相匹配，其余尺寸与各部分抗剪要求和试验机空间尺寸要求相匹配。

进一步地，所述的销栓连接装置包括销栓、垫片、螺母，所述的叉形夹具和吊环上沿垂直轴向的方向均设置有同心的铰接通孔，所述所述销栓穿入铰接通孔与垫片、螺母相连接。

进一步地，所述的吊环的螺纹孔与混凝土试件两端的螺纹杆均采用同径标准型螺纹，螺纹杆的连接长度≥5d，d为钢筋的直径。

进一步地，所述吊环顶端、侧面与叉形夹具的开口槽之间均预留有间隙，使吊环可绕销栓转动-15°～15°。

进一步地，所述述吊环的侧面与叉形夹具的开口槽之间预留有0.5mm～1.5mm间隙。

进一步地，所述销栓直径比铰接通孔小0.1～0.5mm。

进一步地，所述销栓远离螺母的一端呈t形，直径大于铰接通孔的直径。

一种基于所述装置的双剪实验防偏心加载的夹持方法，包括以下步骤：

1)制作双剪试件，将要预埋入试件用来加载的带肋钢筋外漏端头加工外螺纹，所述外螺纹的长度≥5d，d为钢筋的直径，用透明胶带将已经加工外螺纹的钢筋端头封闭；防止制作试件过程中砂浆填满螺纹，同时防止钢筋生锈，不便于连接。

2)将吊环和试件相连接，双剪试件制作好之后，在进行加载之前，拆除钢筋端头的透明胶带，清理干净，将吊环旋进试件两端的钢筋端头外螺纹部分，实现和试件的连接；

3)在试验机上安装好上端的组合式加载头和试件，通过销栓连接装置将上端的组合式加载头的叉形夹具和吊环相铰接，启动万能材料试验机的上夹头，施力夹紧所述组合式加载头，试件成悬挂状态；

4)下端的组合式加载头的安装，通过调节试验机加载横梁的位置，使下端的组合式加载头中的吊环和叉形夹具中的孔位对中并销栓连接装置相铰接，启动试验机下夹头，施力夹紧，完成试件安装，便可实施加载试验。

进一步地，步骤2)中，所述吊环旋进试件两端的钢筋端头外螺纹的深度≥5d,d为钢筋的直径。

本发明与现有技术相比，其显著的优点是：

1)试件端部钢筋与夹持装置通过螺纹连接，可以通过螺纹旋转自动抵消试件夹持或加载过程中可能存在的扭矩，避免界面因为受扭而产生意外剥离破坏。

2)吊环与叉形夹具通过销栓连接，可以绕销栓小角度摆动，以平衡试件夹持或加载过程中可能存在的弯矩。

3)确保双剪实验处于纯剪切加载状态。通过以上措施，抵消了由于制作等误差、试件安装夹持时导致存在的微小弯矩和扭矩，从而保证了双剪试件处于纯剪切加载状态，可以顺利实施在静载和疲劳荷载下的双剪实验。

4)节约加载空间。由于需要保证一定的有效粘贴长度和传力长度，双剪试件尺寸较长，对于试验机空间受限时，在试件两端安装夹持装置存在困难。本发明中利用吊环和叉形夹具通过侧面嵌入的方式进行连接，能有效减少夹持装置的尺寸，节约空间。

附图说明

图1为本发明实施例的夹持装置在frp-混凝土界面双剪实验中的应用示意图。

图2为本发明实施例的夹持装置的装配示意图。

图3为本发明实施例的叉形夹具的主视示意图。

图4为本发明实施例的叉形夹具的左视示意图。

图5为本发明实施例的吊环的主视示意图。

图6为本发明实施例的吊环的左视示意图。

图7为本发明实施例的销栓和垫片、螺母构造示意图。

图中所示：1-叉形夹具；2-吊环；3-销栓；4-垫片；5-螺母；6-试件。

具体实施方式

下面结合实施例及附图1～附图5对本发明做进一步描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例一

如图1至图7所示，一种双剪实验防偏心加载夹持装置，应用于frp-混凝土界面在静载和疲劳荷载下的双剪实验中，连接于试验机和混凝土试件上、下两端的螺纹杆之间，为了消除安装和夹持过程中存在的扭矩和偏心弯矩对试件不利影响，采用了和试件6两端相连的夹持装置，包括上下两个结构相同的组合式加载头，所述的组合式加载头包括叉形夹具1、吊环2、销栓连接装置，所述的叉形夹具1的一端设置有被试验机夹持的直杆部，另一端沿叉形夹具1轴线居中设置有与所述吊环形状相匹的开口槽，所述的吊环2一端通过垂直贯穿所述叉形夹具1的销栓连接装置同轴地铰接设置在叉形夹具1的开口槽内，另一端设置有用于连接混凝土试件螺纹杆的螺纹孔。

所述的销栓连接装置包括销栓3、垫片4、螺母5，所述的叉形夹具1和吊环2上沿垂直轴向的方向均设置有同心的铰接通孔，所述所述销栓3穿入铰接通孔与垫片4、螺母5相连接。

所述组合式加载头的材料采用高强度结构钢，所述叉形夹具1直杆部的直径和长度与试验机夹具相匹配，其余尺寸与各部分抗剪要求和试验机空间尺寸要求相匹配。

图1～7中，有关符号说明如下：

b1——叉形夹具1和吊环2连接部分边长；

b2——叉形夹具1开口槽顶部宽度；

b2’——吊环2顶部宽度；

b3——叉形夹具1开口槽底部宽度；

b3’——吊环2底部宽度；

b4——吊环2沿着槽深方向的宽度；

d——试件用来加载预埋入钢筋的直径和吊环2内孔直径；

d1——叉形夹具1被试验机夹持的直杆直径；

d2——叉形夹具1和吊环2上对应的孔直径；

d3——销栓3的直径；

l1——叉形夹具1被试验机夹持的直杆部分长度；

l2——叉形夹具1与吊环2连接部分的长度；

l3——吊环2与销栓3连接部分的长度；

l4——吊环2与试件连接部分的长度；

l5——吊环2总长度；

l6——吊环2内孔长度；

t1——叉形夹具1开口槽顶部厚度；

t2——吊环2开孔顶部厚度；

本实施例中，用来防偏心加载夹持装置与试件6中预先埋入用来加载的钢筋连接。其中，为了保证与混凝土的粘结力，采用hrb335，直径d为20mm(φ20)的带肋变形钢筋，伸出试件一端的钢筋加工有外螺纹。吊环2与钢筋通过螺纹连接，为了确保试件和夹持装置之间传力可靠，钢筋端部与吊环连接部分的长度la≥5d，d为钢筋的直径(mm)，如图1中所示。

本实施例中，试验机夹头通过夹持叉形夹具1上部直杆部进行加载，直杆部的直径d1和长度l1要根据试验机夹头型号确定。叉形夹具1材料宜选用高强钢材，由一块整体钢材进行切割而成，为了节约空间，上下部分之间有半径为5mm的倒角。

本实施例中，吊环2能绕销栓3转动微小角度，以自动平衡试件安装和加载过程中可能存在的弯矩m。为了让吊环2能绕销栓转动，吊环2与叉形夹具1之间顶部、侧面均留有空隙，吊环顶端沿槽深度方向的宽度b4比叉形夹具头宽度b1小，本实施例中，采用b4≈1/3b1，如图2和图3所示。转动角度不宜过大，控制在-15°～15°角度范围那内，以保持加载过程中试件不产生晃动。

本实施例中，吊环2顶部厚度t2需满足抗剪要求，当施加在试件两端的力为p时，有：

式中，n是安全系数，取1.5～2.0；[fv]是组合式加载头所用材料的抗剪允许强度(mpa)。

本实施例中，吊环2下部开孔直径d与所连接钢筋直径d一致，内孔深度至少要大于5d，即l6≥5d。根据t和开孔d2尺寸，可以确定吊环的上部分长度l3，根据内孔深度和上下部之间有45°倒角关系可确定吊环下部分长度l4及总长l5。

本实施例中，所述夹持装置中叉形夹具1与吊环2通过销栓3连接。叉形夹具1和吊环2上有相同大小的孔，孔径为d2，安装时，为节约加载空间，吊环2从侧面滑入叉形夹具1槽中，调整好吊环2和叉形夹具1位置，孔位严格对中，插入销栓3进行连接，在一端旋上垫片4和螺母5固定。为了防止加载过程中，出现试件松动或摆动，并考虑到安装的方便，销栓的表面打磨光滑，其直径d3比孔径d2略小(约0.1～0.5mm)。为了防止销栓在加载过程中，尤其是施加疲劳荷载时滑出，所述销栓3远离螺母5的一端呈t形，直径大于铰接通孔的直径，如图7所示。

本实施例中，销栓的直径d3可根据抗剪要求而定，有：

式中，n是安全系数，取1.5～2.0；[fv]是组合式加载头所用材料的抗剪允许强度(mpa)，p为施加在试件两端的力。

实施例二

本实施例中，一种基于所述装置的双剪实验防偏心加载的夹持方法，

包括以下步骤：

1)制作双剪试件，将要预埋入试件6用来加载的带肋钢筋外漏端头加工外螺纹，所述外螺纹的长度≥5d，d为钢筋的直径，用透明胶带将已经加工外螺纹的钢筋端头封闭；防止制作试件过程中砂浆填满螺纹，同时防止钢筋生锈，不便于连接。

2)将吊环和试件相连接，双剪试件制作好之后，在进行加载之前，拆除钢筋端头的透明胶带，清理干净，将吊环旋进试件两端的钢筋端头外螺纹部分，实现和试件的连接，注意旋紧，并保证钢筋旋入深度达到有效锚固长度5d(d为钢筋直径，mm)以上，如图5所示。

3)在试验机上安装好上端的组合式加载头和试件，通过销栓3，将上夹头的叉形夹具1和吊环2相铰接，装上垫片4和螺母5，固定好上夹持装置，并启动万能材料试验机的上夹头，施力夹紧上夹持装置，试件成悬挂状态。

4)下端的组合式加载头的安装，通过调节试验机加载横梁的位置，使下端的组合式加载头中的吊环2和叉形夹具1中的孔位对中，插入销栓3，装上垫片4和螺母5，拧紧。启动试验机下夹头，施力夹紧，完成试件安装，便可实施加载试验。

以上装置适用于在试件制作过程中已尽可能采取一切保持加载对心的措施情况下，无法纠正较明显的由试件制作失误导致的偏心加载情况(试件两端的钢筋中心错位1mm以上)。

实施效果：

为了验证本发明中的加载夹持装置的效果，进行了frp-混凝土的界面双剪实验对比，通过实验可见，没有使用夹持装置的试件的破坏均为单边界面剥离破坏，局部受力不均，由加载时的偏心引起；使用了本发明的装置的试件，其破坏形态是两边的界面受力均匀，界面最终剥离破坏，可见本装置确保界面处于纯剪切加载状态，达到预期目的。

本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。