一种针对耐久性试验的PC管桩接头模拟测试装置及方法与流程

本发明涉及土木工程耐久性实验领域，具体涉及一种针对耐久性试验的pc管桩接头模拟测试装置及方法。

背景技术：

预应力混凝土管桩(以下简称“pc管桩”)因其单桩竖向承载力高、生产技术成熟、质量可控且稳定、施工方便等优点，广泛应用于基础工程当中。由于预制生产设备、桩基施工设备的限制以及基于运输方便的考虑，单节预制桩长通常被控制在一定范围内。根据《预应力混凝土管桩图集》(10g409)的要求，管桩的单桩节长从7m到30m不等，而较为常见的管桩的单桩节长为15m左右，因此在实际工程中要求桩长较长时，通常需要进行接桩。接桩的方式主要分为两种，焊接方式和机械连接方式。保证管桩接头的连接质量对控制预应力管桩基础的工作性能以及保障整个工程的安全都具有重要意义。

实际工程中，沉入地下的混凝土管桩很有可能长时间处于地下水位线以下，钢材制作的管桩连接接头在长期持续接触地下水的过程中会发生锈蚀现象，这会对其力学性能产生一定削弱作用，长期积累会严重影响管桩的寿命和桩基的安全使用。因此，对于管桩接头的耐久性应给予足够重视，有必要针对实际管桩接头进行耐久性试验。

目前，pc管桩接头的力学性能试验方法主要依据国家规范《先张法预应力混凝土管桩》(gb13476-2009)中的规定，以实际工厂预制管桩作为原材料，将其切割后端板对端板进行焊接或机械连接制成试件，再进行四点加载试验。然而，进行耐久性试验时，工况数量一般较多，若按照前述方法进行试验会存在以下问题：(1)所需的完整管桩数量较多，制作试件的切割和连接的工作量较大并且非常繁琐；(2)要求人工模拟环境试验箱的容量较大，放置试件所需的空间条件很难满足；(3)试件的吊装和搬运非常不便，存在一定安全隐患；(4)进行管桩接头试验后遗留较多的混凝土废弃物，较难处理，也造成环境负担；(5)试验成本较高。

技术实现要素：

本发明的目的在于解决现有技术的问题，提供一种结构简单，便于进行pc管桩接头模拟测试的装置及方法。

为了解决上述问题，本发明按以下技术方案予以实现：

本发明提供的一种针对耐久性试验的pc管桩接头模拟测试，包括可调节刚度钢梁，所述可调节刚度钢梁包括第一可调节刚度钢梁和第二可调节刚度钢梁；

连接件，所述连接件包括用于连接待测工件以便后续对工件进行测试的第一连接件和第二连接件，所述第一连接件与所述第一可调节刚度钢梁的一端连接，所述第二连接件与所述第二可调节刚度钢梁的一端连接；

简支支座，所述简支支座设置在所述第一可调节刚度钢梁和所述第二可调节刚度钢梁的下部。

进一步地，所述可调节刚度钢梁包括内置梁和外框梁，所述内置梁为“h”型钢梁，所述外框梁为空心的箱型外框梁，所述箱型外框梁套设在所述“h”型钢梁外部，所述箱型外框梁与所述“h”型钢梁通过抗剪螺栓固定连接。

进一步地，所述连接件包括盖板，所述盖板为槽形钢，所述盖板上焊接有若干加劲肋板，若干所述加劲肋板等夹角焊接在所述盖板上，所述加劲肋板的另一端焊接有母板，所述母板上设置有通孔；所述盖板的两个翼缘板分别与所述箱型外框梁一端的上部和下部通过螺栓相配合连接，所述盖板的侧边上焊接有“l”型耳板，所述耳板通过螺栓与所述箱型外框梁的侧翼连接。

进一步地，还包括试件，所述试件固定连接在所述第一连接件与所述第二连接件之间。

进一步地，所述试件由两个管桩端板通过焊接或机械连接而成，所述管桩端板穿过连接有耐腐蚀螺纹销钉，所述耐腐蚀螺纹销钉将所述管桩端板与所述连接件固定连接在一起。

进一步地，所述简支支座包括固定铰支座和滑动铰支座，所述固定铰支座固定连接在所述第一可调节刚度钢梁的下部，所述滑动铰支座固定连接在所述第二可调节刚度钢梁的下部，且所述固定铰支座与所述滑动铰支座对称设置。

进一步地，所述可调节刚度钢梁的上部设置有用于承载外部加载设备的加载垫板，所述加载垫板对称设置。

进一步地，所述加载垫板上设置有凹槽，所述外部加载设备抵接在所述凹槽上。

一种针对耐久性试验的pc管桩接头模拟测试方法，包括以下步骤：

s1、根据所要测试的pc管桩规格，选择箱型外框梁以及“h”型钢梁，并确定所述“h”型钢梁的配置数量；

s2、将所述“h”型钢梁置于所述箱型外框梁的内部，将二者连接固定，组成可调节刚度钢梁，使所述可调节刚度钢梁的抗弯刚度与所要测试的pc管桩的抗弯刚度相同或相近，按此方式组装两根所述可调节刚度钢梁，即第一可调节刚度钢梁和第二可调节刚度钢梁；

s3、根据所要测试的pc管桩规格，选择连接件，将所述连接件盖板的两个翼缘板分别与所述箱型外框梁一端的上部和下部进行可拆卸的固定连接，形成所述连接件与所述可调节刚度钢梁之间竖直方向的连接；将所述盖板两侧的“l”型耳板分别与所述箱型外框梁的左右侧翼板进行可拆卸的固定连接，形成所述连接件与所述可调节刚度钢梁之间水平方向的连接，按上述将所述连接件与所述可调节刚度钢梁的连接方式，将两个所述连接件分别与两个所述可调节刚度钢梁连接，即第一连接件与所述第一可调节刚度钢梁连接，第二连接件与所述第二可调节刚度钢梁连接；

s4、依据耐久性试验设计的环境进行有针对性地选择不同材料的耐腐蚀螺纹销钉，以保证所述耐腐蚀螺纹销钉在该环境中不发生明显腐蚀，取两个管桩端板，将所述耐腐蚀螺纹销钉嵌入所述管桩端板自有的钢筋锚孔中，再通过焊接或机械连接的方式将两个所述管桩端板连接在一起，组成试件；

s5、根据耐久性试验设计的环境工况数以及每种工况下的重复试验数准备相应数量的所述试件，将所述试件置于设计环境中；

s6、当所述试件达到工况要求的状态后从设计环境中取出进行试验，所述试件两侧的所述耐腐蚀螺纹销钉分别穿过两个所述连接件中所述母板上预留的通孔，在所述母板的另一侧以螺母固定，形成所述试件与所述连接件的连接固定；

s7、根据所要测试的pc管桩规格，设置固定铰支座和滑动铰支座之间的水平距离，并相对于试件对称地放置于两根所述可调节刚度钢梁的底部，再通过支座螺栓与所述箱型外框梁的下部翼板连接固定；

s8、根据所要测试的pc管桩规格，设置两个加载垫板的水平距离，并相对于试件对称地固定于两根所述可调节刚度钢梁的顶部，随后进行加载试验；

s9、加载试验完成后，旋下所述螺母，可将所述试件从所述连接件上卸下；

s10、重复s6-s9的步骤直至完成所有工况下的试验。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

本发明的一种预应力混凝土管桩接头测试装置及方法，通过设计的可调节刚度钢梁与连接件形成的接头连接质量的模拟测试装置，可进行多种规格的pc管桩的接头抗弯试验。该装置中的接头试件占据空间很小，因此在耐久性试验中，人工模拟侵蚀环境所需要的空间得以大大压缩。更优的，本装置中的试件方便拆装，吊装搬运工作量锐减，减少安全隐患。提高了试验效率、节省大量试验成本，还避免产生废弃混凝土从而减轻环境负担。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明，其中：

图1是本发明所述一种针对耐久性试验的pc管桩接头模拟测试装置的结构示意图；

图2是本发明所述可调节刚度钢梁的结构示意图；

图3是本发明所述连接件的结构示意图；

图4是本发明所述试件的结构示意图；

图5是本发明所述试件的分解结构示意图；

图6是本发明所述简支支座的结构示意图；

图7是本发明所述加载垫板的结构示意图；

图中：

1-可调节刚度钢梁；1a-第一可调节刚度钢梁；1b-第二可调节刚度钢梁；11-箱型外框梁；12-“h”型钢梁；13-抗剪螺栓；2-连接件；2a-第一连接件；2b-第二连接件；21-盖板；22-加劲肋板；23-母板；24-耳板；25-螺栓；3-试件；31-管桩端板；32-耐腐蚀螺纹销钉；33-螺母；4-简支支座；41-固定铰支座；42-水平滑动铰支座；43-支座螺栓；5-加载垫板；51-带凹槽底板；52-销钉。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本发明所述一种针对耐久性试验的pc管桩接头模拟测试装置，包括可调节刚度钢梁1，与所述可调节刚度钢梁1连接的连接件2、简支支座4以及加载垫板5。

可调节刚度钢梁1包括第一可调节刚度钢梁和第二可调节刚度钢梁，连接件2包括第一连接件和第二连接件，第一连接件与第一可调节刚度钢梁的一端连接，第二连接件与第二可调节刚度钢梁的一端连接。试件3固定连接在第一连接件与第二连接件之间，简支支座4包括固定铰支座41和滑动铰支座42，固定铰支座41固定连接在第一可调节刚度钢梁的下部，滑动铰支座42固定连接在第二可调节刚度钢梁的下部，且固定铰支座41与滑动铰支座42相对试件3对称设置。

如图2所示，可调节刚度钢梁1由箱型外框梁11、置于其内部的“h”型钢梁12以及抗剪螺栓13组成。箱型外框梁11和“h”型钢梁12的长度相同，且二者的上下翼板上均预留带有内螺纹的螺孔，抗剪螺栓13依次旋入箱型外框梁11和“h”型钢梁12上预留的螺孔，将二者连接固定。在外荷载作用下，箱型外框梁11和“h”型钢梁12依靠抗剪螺栓协调变形，共同工作，使得可调节刚度钢梁1模拟成为某一规格的pc管桩，能够代替真实pc管桩进行测试。

箱型外框梁11和“h”型钢梁12根据测试试验的需求，可按需进行尺寸设计和数量配置，以模拟多种规格的pc管桩。国家建筑标准设计图集10g409《预应力混凝土管桩》给出了常用管桩的尺寸与配筋信息，箱型外框梁11和“h”型钢梁12的尺寸设计以此为参照，使内置不同数量“h”型钢梁12的可调节刚度钢梁1的抗弯刚度与若干种规格的pc管桩相同或相近，以模拟真实管桩的受弯行为，进而使得在施加荷载状态下，试件3中两个管桩端板31之间的连接与真实管桩端板连接的受力状态相同或相近。

如图3所示，所述连接件2由盖板21、加劲肋板22、母板23、耳板24以及螺栓25组成。盖板21为槽形钢，其宽度与箱型外框梁11的翼板宽度相同，内部净高与箱型外框梁的全高相同，顶部和底部设置若干螺孔，左右侧边与“l”形的耳板24通过焊接连接，耳板24上预留螺孔。加劲肋板22等夹角地垂直焊接于盖板21上，另一端与母板23也通过焊接连接，以此设计，母板23承受的荷载可均匀地传递到盖板21中，能够避免应力集中造成盖板21和母板23的局部屈曲。母板23上开有通孔，其位置和直径与特定规格的管桩端板上的主筋锚孔一一对应。

根据所测试管桩规格的不同，可设计具有不同直径母板23的连接件以扩大该装置的应用范围。

螺栓25依次旋入盖板21、箱型外框梁11翼板和“h”型钢梁12翼板上预留的螺孔，形成连接件2与可调节刚度钢梁1之间竖直方向的连接；螺栓25依次旋入耳板和箱型外框梁11腹板上设置的螺孔，形成连接件2与可调节刚度钢梁1之间水平方向的连接。

如图4-5所示，试件3由两个管桩端板31通过焊接或机械连接而成。在连接之前，需将耐腐蚀螺纹销钉32嵌入管桩端板31自有的钢筋锚孔中，耐腐蚀螺纹销钉32穿过连接件2中母板23上预留的通孔，在母板23的另一侧以螺母33固定，形成试件3与连接件2的连接和固定。

如图6所示，一套简支支座4由固定铰支座41和滑动铰支座42组成。两个支座置于可调节刚度钢梁1的底部，且相对于试件3对称设置，与箱型外框梁11的下部翼板通过支座螺栓43相连接。根据所模拟管桩的规格，两个支座可按需要沿可调节刚度钢梁1长度方向移动并通过支座螺栓43固定。

如图7所示，加载垫板包括带凹槽底板51和销钉52，带凹槽底板51通过销钉52与箱型外框梁11的上部翼板连接，加载垫板5相对试件3对称设置。用于将加载时的线荷载转化为面荷载，避免加载处的应力过于集中造成局部破坏。

由于所测试的pc管桩规格不同，加载点的位置不尽相同，因此可按需在箱型外框梁11的翼板上预留销钉孔，并按需将加载垫板5固定在不同的位置。

一种针对耐久性试验的pc管桩接头模拟测试方法，包括以下步骤：

s1、根据所要测试的pc管桩规格，选择对应的具有一定截面尺寸的箱型外框梁11以及“h”型钢梁12，并确定“h”型钢梁12的配置数量，使二者组成的可调节刚度钢梁能够在抗弯刚度上模拟所要测试的pc管桩；

s2、将“h”型钢梁12置于箱型外框梁11的内部，将抗剪螺栓13依次旋入箱型外框梁11和“h”型钢梁12上预留的螺孔，将二者连接固定，组成可调节刚度钢梁1，箱型外框梁11和“h”型钢梁12在外荷载作用下依靠抗剪螺栓13共同工作，此时可调节刚度钢梁1的抗弯刚度与所要测试的pc管桩的抗弯刚度相同或相近，按此方式组装两根可调节刚度钢梁1，即第一可调节刚度钢梁1a和第二可调节刚度钢梁1b；

s3、根据所要测试的pc管桩规格，选择具有相应直径母板23的连接件2，将螺栓25依次旋入盖板21、箱型外框梁11的翼板和“h”型钢梁12的翼板上预留的螺孔中，形成连接与可调节刚度钢梁1之间竖直方向的连接；螺栓25依次旋入耳板24和箱型外框梁11的侧翼板上，形成连接件2与可调节刚度钢梁1之间水平方向的连接，按此方式将两个连接件2分别与两个可调节刚度钢梁1连接，即第一连接件2a与第一可调节刚度钢梁1a连接，第二连接件2a与第二可调节刚度钢梁1b连接；

s4、耐腐蚀螺纹销钉32的材料可依据耐久性试验设计的环境进行有针对性的选择，以保证耐腐蚀螺纹销钉32在该环境中不发生明显腐蚀，取两个管桩端板31，将耐腐蚀螺纹销钉32嵌入管桩端板31自有的钢筋锚孔中，再通过焊接或机械连接的方式将两个管桩端板31连接在一起，组成试件3；

s5、根据耐久性试验设计的环境工况数以及每种工况下的重复试验数准备相应数量的试件3，将试件3置于设计环境中；

s6、当试件3达到工况要求的状态后从设计环境中取出进行试验，试件3两侧的耐腐蚀螺纹销钉32分别穿过两个连接件2中母板23上预留的通孔，在母板23的另一侧以螺母33固定，形成试件3与连接件2的连接固定；

s7、根据所要测试的pc管桩规格，设置固定铰支座41和滑动铰支座42之间的水平距离，以适应不同的试验类型与试验要求，并相对于试件3对称地放置于两根可调节刚度钢梁1的底部，再通过支座螺栓43与箱型外框梁11的下部翼板连接固定；

s8、根据所要测试的pc管桩规格，设置两个加载垫板5的水平距离，并相对于试件3对称地固定于两根可调节刚度钢梁1的顶部，可避免测试时接头强度尚未获得而测试装置已经被破坏，同时保证测试的稳定和准确性。随后进行加载试验；

s9、加载试验完成后，旋下螺母33，可将试件从连接件上卸下；

s10、重复s6-s9的步骤直至完成所有工况下的试验。

本发明的一种预应力混凝土管桩接头测试装置，通过设计的可调节刚度钢梁与连接件形成的接头连接质量的模拟测试装置，可进行多种规格的pc管桩的接头抗弯试验。该装置中的接头试件占据空间很小，因此在耐久性试验中，人工模拟侵蚀环境所需要的空间得以大大压缩。更优的，本装置中的试件方便拆装，吊装搬运工作量锐减，减少安全隐患。提高了试验效率、节省大量试验成本，还避免产生废弃混凝土从而减轻环境负担。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例，应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明构思在现有技术基础上通过逻辑分析、推理或者根据有限的实验可以得到的技术方案，均应该在由本权利要求书所确定的保护范围之中。