一种用于测量型钢与混凝土界面处粘结滑移的测量传感器的制作方法

本实用新型属于土木工程领域，涉及一种试验测量装置，尤其涉及一种型钢与混凝土组合结构界面粘结滑移测量传感器及测量方法，用于测量型钢与混凝土界面处的相对滑移，进而建立型钢与混凝土界面处粘结滑移的力学模型，研究该组合结构界面处的粘结滑移力学性能。

背景技术：

在型钢混凝土组合结构中，型钢与混凝土之间的粘结作用是保证二者共同工作的前提，从而实现型钢与混凝土之间的应力传递，这与钢筋混凝土结构中钢筋和混凝土之间的粘结滑移类似，正是由于这种粘结作用的存在，才使得型钢与混凝土能够共同工作、共同承担荷载，成为一种真正的组合结构。型钢与混凝土之间的粘结滑移性能直接影响型钢混凝土的性能，如构件的变形、裂缝、承载能力和破坏形态等，所以型钢与混凝土界面处粘结滑移性能一直是工程界较为关心的问题。虽然国内外对型钢与混凝土之间粘结滑移性能进行了相关研究，但大多采用间接的方法，例如推出试验、拉拔试验、短柱试验以及利用型钢与混凝土之间的应变差进行积分计算等。这些方法并不能很好地直接测量出其内部的粘结滑移特性，且在实际计算中经验公式较多，仍没有从本质上更好地反映该组合结构界面处粘结滑移性能这一重要特征，所以研究型钢与混凝土界面处的粘结滑移特性，得出型钢与混凝土内部界面处相对滑移和粘结应力分布规律，建立合理的粘结滑移本构模型，对构件计算、设计剪切连接件和数值仿真中分析其对结构受力性能的影响具有非常重要的意义。

技术实现要素：

针对现有技术存在的问题，本实用新型提供了一种型钢与混凝土界面处粘结滑移测量装置及方法，从而为建立其界面处粘结滑移本构关系提供依据。本实用新型的内部、外部结构和测点整体示意图，如图1所示。

为达到上述目的，本实用新型采用以下技术方案予以实现：

一种用于测量界面处粘结滑移的测量传感器，通过标定之后，该测量传感器能够方便准确地测量型钢与混凝土界面处的粘结应力和粘结滑移，进而分析其粘结滑移性能对构件受力性能的影响。

所述的测量传感器包括核心测量元件、测量盒、两个扁头圆角限位杆5，核心测量元件插入测量盒中，且核心测量元件位于两个扁头圆角限位杆5之间。

所述的核心测量元件包括一个特制弹簧钢片1、两个相同的电阻应变片2、两个相同的传力夹具3、铆钉4。所述特制弹簧钢片1的前后两侧分别粘贴电阻应变片2，每个电阻应变片2上均焊接一根细导线14，导线14由测量盒下部伸出(由两个凸字形金属外罩8在测量盒底面形成的矩形开口伸出)，并从待测量接触面11的导线引出孔13引出，与数据采集仪器连接。所述特制弹簧钢片的前后两侧分别通过铆钉4安装固定两个传力夹具3，且其位于两个传力夹具3之间。铆钉4位于弹簧钢片1和传力夹具3的两侧，弹簧钢片1和传力夹具3每侧分别有两个铆钉孔，用于铆钉锚固。所述特制弹簧钢片1四周设有一定宽度的外边，内边预留一定空间，用于将其嵌入到测量盒的矩形凹槽中，使特制弹簧钢片可以有往复变形空间。

所述的测量盒包括一个冂字形金属外罩6、两个相同的矩形金属外罩7、两个相同的凸字形金属外罩8、带有弹簧圈的螺丝9。所述冂字形金属外罩6位于两个矩形金属外罩7之间，凸字形金属外罩8设于测量盒下方。所述冂字形金属外罩6顶面内壁上开有矩形凹槽，用于插入核心测量元件上部。沿冂字形金属外罩6厚度方向开设螺栓孔，且两侧分别通过螺丝9与矩形金属外罩7固接，并通过螺母固定。所述两个矩形金属外罩7内壁(朝盒内方向)设有用于插入核心测量元件的矩形凹槽，矩形金属外罩7底部通过螺栓10与凸字形金属外罩8上表面固接。所述每个凸字形金属外罩8的内壁(朝盒内方向)设有矩形凹槽，用于插入核心测量元件底部。所述凸字形金属外罩8作为测量盒底面，凸字形金属外罩8底面与待测量接触面11通过密封胶密封。

所述待测量接触面11上开一个导线引出孔13、导线引出孔13两侧开设用于固定扁头圆角限位杆5的螺纹孔12，两个螺纹孔12和导线引出孔13的孔方向沿待测粘结滑移的方向。导线引出孔13用于引出导线14；螺纹孔12位置沿钢板或型钢所需测点位置布置，两个螺纹孔12之间的距离为d(d也为核心测量元件中两侧凸起点之间的距离)。

进一步的，所述的传力夹具3的刚度应足够大，保证受力过程中不发生变形，且传力可靠。每个传力夹具3均为π字形结构，中间突出结构处设有一个四棱锥凸起或圆锥凸起结构，两侧传力夹具3中部凸起点之间的距离记为d，与扁头圆角限位杆5上部紧密接触。所述的带螺纹的扁头圆角限位杆5的一端由圆角矩形组成，另一端为带螺纹圆柱。

进一步的，所述的特制弹簧钢片1由线弹性良好材料加工制作，也包括选用其他类似具有良好线弹性的材料加工制作，包括铍青铜或65mn钢材料等。

基于上述用于测量界面处粘结滑移的测量传感器及测量方法，包括以下步骤：

第一步，在待测量接触面11上钻三个直径适宜的孔，其中两个孔用于固定扁头圆角限位杆5，另一个孔引出测量导线，将两个扁头圆角限位杆5通过在待测量接触面11上的螺纹孔12与型钢紧密连接在一起，二者共同受力，且无相对位移。两个扁头圆角限位杆受力过程不会发生变形，能够反映型钢混凝土测点位置的真实情况。

第二步，组装核心测量元件、测量盒。将核心测量元件插入两个扁头圆角限位杆5之间，使核心测量元件中两侧传力夹具3的中部凸起点与扁头圆角限位杆5刚好紧密接触。

第三步，当型钢与混凝土界面之间发生相对滑移时，型钢混凝土中混凝土受力变形推动整个测量盒沿着待测粘结滑移方向发生一定的微小滑移，此时整个测量盒已受力，且将力传入四边被嵌入测量盒内壁上四个卡槽里的核心测量元件中。根据待测型钢接触面上的两个扁头圆角限位杆5固定不动的假设，二者之间安装的传力夹具两侧凸起点将受到其位移约束，导致核心测量元件发生变形，同时引起中间特制弹簧钢片发生变形，其数值由粘贴在特制弹簧钢片上的电阻应变片测量，并通过数据采集系统采集。

第四步，通过荷载标定的方式得到该粘结滑移测量传感器的粘结应力与应变之间的关系曲线，即σ-ε曲线；也可得通过位移标定的方式得到其位移与应变之间的关系曲线，即s-ε曲线，然后利用上述传感器的σ-ε或s-ε曲线来模拟钢板或型钢混凝土界面处的粘结滑移行为，并进一步建立钢板或型钢与混凝土界面之间粘结滑移的力学性能模型，以用于此类组合结构的分析和研究。

本实用新型的优点和有益效果为：

本实用新型型钢与混凝土界面粘结滑移测量传感器，在设计过程中充分考虑了安装和后期测量过程中可能存在的不利因素。本实用新型消除了传感器预埋在混凝土中，由浇筑和振捣造成水分或水泥浆体等有害物质进入测量盒内而造成不利的影响。如上述部件的组装接触面和出线孔均采用密封胶密封，且所述的凸字形金属外罩8底面与待测量接触面11四周涂抹适量环氧树脂等进行临时固定，以防止该传感器在安装和混凝土浇筑过程中造成传感器的凸字形金属外罩8底面与接触面脱离，但同时环氧树脂不能太多，以防止环氧树脂在该界面处产生较大的粘结力，影响测量结果；本实用新型考虑了因试件受力的复杂性和多向性，导致测量盒可能会发生一定的扭转，为了避免此种情况的出现，测量盒的底面采用了上述凸字形金属外罩作为其底面，将凸字形金属外罩的凹槽短边侧沿着待测粘结滑移的方向布设；本实用新型传力夹具3的外型设计为带有四棱锥凸起的π字形或带有圆锥凸起的π字形结构，以保证其传力作用点准确，且能够实现可靠传力，避免在复杂外力作用下传力“锁死”等不良接触状况发生。

本实用新型提供的用于型钢与混凝土界面处粘结滑移测量传感器，可以直接测量出型钢与混凝土任意界面位置处的粘结力、滑移和应变，有效地解决了型钢与混凝土界面处粘结滑移特性难以测量的问题。本实用新型的优点是灵敏度高、原理明确、量程合理可调、安装简单便捷，可适用于在单调加载(单推、单拉试验)及低周往复加载下钢板或型钢与混凝土组合结构在其连接界面处粘结滑移特性的测量，进而用于结构受力或数值仿真分析。经过试验测试结果表明，该测量传感器是一种有效、可靠的界面粘结滑移测量传感器。

附图说明

图1为本实用新型的内部结构和测点整体示意图；

图2(a)为待测界面处型钢开孔位置图；

图2(b)为带螺纹的扁头圆角限位杆安装图；

图3(a)为核心测量元件俯视图；

图3(b)为核心测量元件透视图；

图4(a)为特制弹簧钢片结构俯视图；

图4(b)为特制弹簧钢片结构透视图；

图5(a)为传力夹具结构俯视图；

图5(b)为传力夹具结构透视图；

图6(a)为测量盒局部正视图；

图6(b)为测量盒局部透视图；

图7(a)为矩形金属盒外罩正视图；

图7(b)为矩形金属盒外罩透视图；

图8(a)为冂字形金属盒外罩正视图；

图8(b)为冂字形金属盒外罩透视图；

图9为测量盒结构示意图；

图10(a)为凸字形金属外罩俯视图；

图10(b)为凸字形金属外罩透视图；

图11为扁头圆角限位杆结构示意图；

图12为钢—混凝土界面粘结滑移测量传感器。

图中：1弹簧钢片、2应变片、3传力夹具、4铆钉、5扁头圆角限位杆(有弹簧圈)、6“冂字形”金属外罩、7“矩形”金属外罩、8“凸字形”金属外罩、9小螺丝、10螺丝、待测量接触面11、螺纹孔12、导线引出孔13、导线14。

具体实施方式

以下结合具体实施例对本实用新型做进一步说明。

一种用于测量型钢与混凝土界面处的粘结滑移传感器，具体结构如下：

所述测量传感器包括核心测量元件、测量盒、两个扁头圆角限位杆5。所述扁头圆角限位杆5设有螺纹并带有弹簧圈。核心测量元件插入测量盒中，得到粘结滑移测量传感器。

测点的布设为：

型钢混凝土待测界面处的型钢开孔位置和带螺纹的扁头圆角限位杆安装，如图2(a)和图2(b)所示，在型钢表面需要测量的位置用专业钻孔机钻三个孔，其中两个用于固定扁头圆角限位杆5的螺纹孔12，另一个为导线引出孔13。两个应变片所连接的导线14从试件外的孔13引出。三个孔的方向沿待测粘结滑移的方向布设，两个螺栓孔12之间的距离d为上述核心测量元件中两侧凸起点之间的距离d，也为两个带螺纹的扁头圆角限位杆的螺纹孔之间的距离d。

核心测量元件组装为：

测量传感器中，核心测量元件俯视图和透视图，分别如图3(a)和图3(b)所示：包括特制弹簧钢片1、电阻应变片2、传力夹具3、铆钉4。特制弹簧钢片1在工厂由数控机床切割为如图4(a)和图4(b)所示形状，在四周边的两侧设有铆钉孔。传力夹具3切割为如图5(a)和图5(b)所示形状，传力夹具3的外形设计为带有四棱锥的凸起的π字形或带有圆锥凸起的π字形。在特制弹簧钢片1前后两侧分别粘贴电阻应变片2，两个电阻应变片2的粘贴步骤严格按照相关试验要求进行，每个电阻应变片2上均焊接一根细导线14，导线的长度依据具体试验需求选取，导线14由测量盒下部伸出，即由两个凸字形金属外罩8在测量盒底面形成的矩形开口引出，最后采用铆钉将上述传力夹具和特制弹簧钢片固定组成核心测量元件。

其他测量元件的组装为：

测量传感器中，测量盒局部正视图和透视图分别如图6(a)和图6(b)所示，测量盒包括一个冂字形金属外罩6、两个相同的矩形金属外罩7、两个相同的凸字形金属外罩8、带有弹簧圈的螺丝9。所述的冂字形金属外罩6设于两个矩形金属外罩7之间，凸字形金属外罩8设于冂字形金属外罩6下方，组装成测量盒结构，凸字形金属外罩8底面与待测量接触面11通过密封胶密封，且在待测量接触面11上开导线引出孔13，引出导线14。所述冂字形金属外罩6顶面内壁上开有矩形凹槽，用于插入核心测量元件。沿冂字形厚度方向每侧开6个螺栓孔，用来在相应位置上安装矩形金属外罩7。所述一对侧面矩形金属外罩7的内壁上均开矩形凹槽，用于插入核心测量元件。此外，在每个矩形金属外罩7侧面的两个上角点位置共开6个螺栓孔，再在底面厚度方向开2个螺栓孔，与所述凸字形金属外罩8的2个圆凹槽螺栓孔对应，并用带有弹簧圈的小螺丝9将侧面矩形金属外罩和冂字形金属外罩连接起来，以组装完成测量盒。

测量传感器加工和组装为：

首先，通过6枚带弹簧圈的小螺丝将矩形金属外罩7和冂字形金属外罩6的侧面(厚度方向)固定起来，其接触面均匀涂抹密封胶。同样的方法和步骤，固定另一个矩形金属外罩7和冂字形金属外罩6的侧面，此时，内壁上的凹槽也形成一个冂字形卡槽。矩形金属外罩结构，如图7(a)和图7(b)所示，冂字形金属外罩的结构，如图8(a)和图8(b)所示。再将已组装成的核心测量元件插入测量盒内壁上形成的冂字形卡槽中，如图6(a)和图6(b)所示。将凸字形金属外罩8和测量盒进行组装，其中“凸字形”金属外罩结构如图1、图9和图10(a)和图10(b)所示，最后用螺丝拧固完成一侧的安装固定，所有接触面均匀涂抹密封胶。同样的步骤和方法安装另外一侧。最终完成整体测量盒的加工和组装，型钢与混凝土界面粘结滑移测量传感器，如图12所示。

其次，测量盒的加工和组装后，在钢板或型钢的测点位置安装带螺纹的扁头圆角限位杆5，扁头圆角限位杆的结构如图11所示，安装时先将垫片放入扁头圆角限位杆5中，并拧入两个螺母，也可再次点焊，以加强牢固性。

接着，将核心测量元件引出的导线14从钢板或型钢表面的孔13中伸出，将凸字形金属外罩8的凹槽短边侧沿着待测粘结滑移的方向布设，然后将核心测量元件插入两个带螺纹的扁头圆角限位杆5之间，完成精确安装。此时，两个带螺纹的扁头圆角限位杆5的内侧与核心测量元件应均恰好紧密接触。

最后，在测量盒的底面(凸字形金属外罩的底面)均匀地涂抹密封胶，然后在四周均匀涂抹少量的环氧树脂进行临时固定，以防止该传感器在安装和混凝土浇筑过程中造成传感器的凸字形金属外罩8底面与型钢脱离，最终完成粘结滑移测量传感器的加工和安装。

试验前，通过安装在试验机器上的荷载传感器标定出粘结滑移测量传感器的力和应变关系，再根据其受力面积可得出该测点位置处粘结滑移测量传感器的粘结应力，获得σ-ε曲线；也可根据利用试验机通过位移控制的方式，标定出粘结滑移测量传感器的位移与应变之间的关系，以获得位移与应变之间的关系曲线，即s-ε曲线，反复多次，对该粘结滑移测量传感器进行标定，然后用于试件内部粘结滑移测量。在试件浇筑前，将标定好的粘结滑移测量传感器安装于试件待测位置处，依据试验采集的数据，建立型钢与混凝土界面处粘结滑移特性的力学模型，以便用于此类组合结构的分析，研究其对型钢混凝土组合结构受力性能的影响。

以上所述实施例仅表达本实用新型的实施方式，但并不能因此而理解为对本实用新型专利的范围的限制，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变型和改进，这些均属于本实用新型的保护范围。