混凝土单轴受拉持荷和测试装置及其使用方法与流程

本发明属于土木工程领域，具体涉及混凝土单轴受拉持荷和测试装置及其使用方法，尤其适用于研究混凝土单轴受拉试件在荷载和侵蚀环境耦合作用下的耐久性试验。

背景技术：

众所周知，混凝土是当前工程结构中使用最为广泛的建筑材料之一，抗压强度是其最显著的特点，而对于其抗拉强度的关注却较少。因此，现代结构中主要以混凝土来承受抗压强度，而混凝土的抗拉强度一般仅为抗压强度的1/17~1/8，很小的荷载就可以达到混凝土的抗拉强度，所以在结构设计中通常忽略混凝土的抗拉强度而以钢筋来承受结构的抗拉强度。在一些结构如全预应力混凝土结构中不允许出现拉应力，而在部分预应力结构中则允许出现拉应力。

混凝土的抗拉强度和变形是混凝土最重要的基本性能之一。它既是研究混凝土强度理论和破坏机理的一个重要组成部分，又是影响混凝土结构的开裂、变形和耐久性的重要因素。由于抗拉强度控制着混凝土内部裂缝发生发展的全过程，以及与之相关的其他性能如弹性模量、刚度、钢筋握裹力和混凝土的耐久性等，另外，抗拉强度也是影响混凝土的抗剪性能的主要因素，又是建立混凝土多轴破坏准则的重要参数。近些年来，伴随着大量高层建筑以及大跨度桥梁工程的建设，高性能混凝土在现代结构中所用到的比例越来越高，而高性能混凝土一个主要的特点就是高耐久性，而现实的结构如桥梁、吊车梁、路面、海洋平台等表面出现很多条宏观裂缝，严重影响其耐久性，结构的安全可靠性和使用寿命。而混凝土裂缝的开展则主要与抗拉强度有关，因此，研究混凝土的抗拉性能具有十分重要的意义。

长期以来人们对混凝土的混凝土抗拉强度的试验研究只是处在初期阶段，又加之混凝土极大离散性，混凝土受拉试验装备的落后，人们对抗拉强度的认识缺乏完整性。20世纪60年代以后，研究者研制出了一系列的混凝土受拉试验装置，可以实现对混凝土受拉应力应变全曲线的量测，但是各研究者采用的试验装置各位有不同。在以往研究中，针对混凝土单轴受拉试件在持续荷载下的长期性能尤其是在侵蚀服役环境（荷载与侵蚀环境耦合作用）下的耐久性研究较少，且在试验过程中，通过物理对中的方法以实现混凝土轴拉，操作复杂，对中情况不好控制。因此，目前没有一个公认的行之有效的方法，如果试件不能对中，一旦加载那么试件就会很快断裂，试验就会失败，耐久性试验对于试验温度，湿度等环境条件又要求十分严格；此外，试验的操作过程十分复杂，对试验设备、数据采集系统、试件性能和试验条件要求很高。在以往研究中，用于荷载长期作用下混凝土单轴受拉试验的持荷载装置与测试装置往往需要两套试验装置，不够便捷。因此需要尽早制定一套混凝土单轴受拉持荷和测试装置。

技术实现要素：

本发明针对使用传统混凝土受拉试验装置，混凝土试件对中困难、试验操作过程较为复杂的问题，提供了一种混凝土单轴受拉持荷和测试装置及其使用方法，本发明采用两端加球铰的方法，以保证混凝土轴心受拉。

本发明的技术方案如下：

混凝土单轴受拉持荷和测试装置，其特征是，包括混凝土试块、顶部钢板、底部钢板、四根第二预应力精轧螺纹钢筋、两个球铰、普通连接杆、加长连接杆、两块正方形锚板；所述顶部钢板与底部钢板分别穿过四根第二预应力精轧螺纹钢筋，且分别平行置于第二预应力精轧螺纹钢筋的上部、下部；顶部钢板、底部钢板分别与球铰转动接触，所述加长连接杆与位于顶部的球铰固接为一体，所述普通连接杆与位于底部的球铰固接为一体；

两块正方形锚板分别通过其四角与混凝土试块的顶端、底端固定连接，两块正方形锚板的中部分别固定有第一预应力精轧螺纹钢筋；两根第一预应力精轧螺纹钢筋的端部分别螺纹旋接连接套筒，且两个连接套筒分别与普通连接杆、加长连接杆螺纹旋接；通过向上带动上部的第一预应力精轧螺纹钢筋受力，完成混凝土单轴受拉持荷和测试。

进一步的，所述混凝土试块的顶端、底端分别预制有四根精轧螺纹钢筋，并外露一定长度；所述正方形锚板的四角分别设有预留孔，四根精轧螺纹钢筋穿过对应正方形锚板的四个预留孔，并将精轧螺纹钢筋旋入精轧螺母，将两块正方形锚板与混凝土试块连成一体。

进一步的，所述底部钢板、顶部钢板均为变截面钢板。

进一步的，所述底部钢板上设有四个精轧螺母，以与对应的第二预应力精轧螺纹钢筋旋接，所述精轧螺母与底部钢板之间设有钢垫圈。

进一步的，所述顶部钢板、底部钢板分别固定有加强圆钢管，两个加强圆钢管分别套于加长连接杆以及普通连接杆上；

在两个加强圆钢管的周向均匀布置有四块矩形加劲肋钢板，四块矩形加劲肋钢板与对应的钢板固接，用于在四个方向连接加强圆钢管与对应的钢板，以保证球铰不发生局部破坏。

进一步的，上部的连接套筒外表面贴应变片兼做荷载传感器，应变片通过连接导线与电阻应变仪相连接。

进一步的，所述顶部钢板底部设有四个精轧螺母，以与对应的第二预应力精轧螺纹钢筋旋接，所述精轧螺母与顶部钢板之间设有钢垫圈。具体的，混凝土单轴受拉持荷试验：

通过同时旋转顶部钢板底部的四个精轧螺母，对顶部钢板施加向外的力，依次带动加长连接杆、连接套筒、第一预应力精轧螺纹钢筋受力，进而使混凝土试块受拉；同时底部钢板限制了第一预应力精轧螺纹钢筋和正方形锚板的移动，进而实现混凝土试块的持荷；持续荷载大小通过贴有应变片的连接套筒兼做荷载传感器来得到，轻微旋转顶部钢板底部的精轧螺母实现对荷载的微调；在持荷过程中，必须保证上下两个变截面钢板面的平行。

进一步的，上部连接套筒与上部的矩形加劲肋钢板之间设有两块中间钢板，两块中间钢板分别穿过四根第二预应力精轧螺纹钢筋；其中一块中间钢板位于上部连接套筒之上，其顶部用于支撑穿心式拉拔仪，且所述穿心式拉拔仪套于加长连接杆上，该中间钢板底部设有四个精轧螺母，以与对应的第二预应力精轧螺纹钢筋旋接，所述精轧螺母与该中间钢板之间设有钢垫圈；另一块中间钢板位于穿心拉拔仪顶部。具体的，混凝土单轴受拉测试：

测试时，穿心式拉拔仪顶着其上方的中间钢板施加向上的力，拉力分别通过上端的球铰、加长连接杆、连接套筒、第一预应力精轧螺纹钢筋传给混凝土试块；同时底部的球铰限制了第一预应力精轧螺纹钢筋和正方形锚板的移动，进而实现对混凝土试块施加拉力，直至试件破坏；拉力由兼做荷载传感器的连接套筒测得，随后，运用公式可以算出混凝土的抗拉强度。

本发明不需要采用单独的荷载传感器，采用内设螺纹、外光圆的连接套筒粘贴电阻应变片的方法使其兼做荷载传感器，简化了试验装置，降低了长期持荷需占用大量荷载传感器的成本问题。该套持荷装置操作简单，能提供稳定、有效的持续荷载。本发明将混凝土单轴受拉持荷和测试装置合二为一，不需要使用两种装置对荷载长期作用下混凝土单轴受拉性能进行持荷试验和测试，而是在持荷装置的基础上形成测试装置。

本发明所述钢板采用不锈钢的钢材制作；本发明通过同时旋转靠近上部球铰一侧的四个精轧螺母规格二来实现对混凝土试块施加轴向拉力。通过贴有应变片的连接套筒兼做荷载传感器来得到荷载，轻微旋转精轧螺母规格二实现对荷载的微调。对于混凝土单轴受拉测试装置，在持荷装置的基础上加上正方形钢板和穿心式拉拔仪。

本发明的有益效果在于：

1.本发明提供一种混凝土单轴受拉持荷和测试装置，其构造简单、易于操作；

2.该持荷装置通过拧动顶部钢板下的精轧螺母，能为混凝土试块提供可靠、稳定的荷载，可以满足长期加载的要求，端部的球铰遇偏心力会转动，可以保证钢板平稳推进、对混凝土试块施加轴向拉力，以避免因偏心受拉而对试验产生的不利影响；

3.该持荷装置不需要用到反力架即可对试件施加持续荷载，并用贴应变片的连接套筒兼做荷载传感器，极大的减小了加载装置所占的空间；

4.本发明既能做混凝土单轴受拉持荷装置，又能通过局部改动形成混凝土单轴受拉测试装置；

5.该持荷和测试装置采用耐腐性不锈钢料制作，不易锈蚀。将试件持荷后放入侵蚀环境模拟装置（如冻融试验箱、碳化箱，氯盐、硫酸盐侵蚀溶液环境等），使试件处于荷载与侵蚀环境耦合作用状态，模拟侵蚀环境服役受力状态，测试试件的力学性能及耐久性能。

附图说明

图1为本发明作混凝土单轴受拉持荷试验装置的示意图；

图2为正方形锚板的示意图；

图3为图1中a-a剖面图；

图4为钢垫圈的示意图；

图5为本发明作混凝土单轴受拉测试装置的示意图；

图6为图5中b-b剖面图；

图7为正方形钢板的示意图；

图中，1为混凝土试块，2为精轧螺纹钢筋，3为正方形锚板，4为预应力精轧螺纹钢筋规格一（第一预应力精轧螺纹钢筋），5为精轧螺母规格一，6为连接套筒，7为普通连接杆，8为加长连接杆，9为加强圆钢管，10为矩形加劲肋钢板，11为球铰，12为预应力精轧螺纹钢筋规格二（第二预应力精轧螺纹钢筋），13钢垫圈，14为精轧螺母规格二，15为应变片，16为电阻应变仪，17为连接导线，18为正方形钢板，19为穿心式拉拔仪。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例对本发明做进一步说明。

实施例1

如图1所示，一种混凝土单轴受拉持荷试验装置，包括混凝土试块1、精轧螺纹钢筋2、正方形锚板3、预应力精轧螺纹钢筋规格一4、精轧螺母规格一5、连接套筒6、普通连接杆7、加长连接杆8、加强圆钢管9、矩形加劲肋钢板10、球铰11、预应力精轧螺纹钢筋规格二12、钢垫圈13、精轧螺母规格二14、应变片15、电阻应变仪16、连接导线17。所述混凝土试块1（120mm×120mm×400mm）是非标准型，考虑到减小端部应力效应的影响，保证抗拉破坏发生在中间部分，对试件中间部分进行面积消减，采用自制钢模具来完成试件浇筑成型，24h后拆模，拆模后放入标准养护室进行养护；所述精轧螺纹钢筋2（长度为150mm）有八根，分别预埋在混凝土试块两端部，以实现轴心抗拉、应力均匀分布，提供足够的锚固强度，并将其外露一定长度，方便试验操作；混凝土试块1和预埋在其内部的精轧螺纹钢筋2把此装置分为上下两部分。

对于此装置的上半部分，如图2所示，所述正方形锚板3设置在混凝土试块1端部，且四角有四个预留孔，中央与预应力精轧螺纹钢筋规格一4焊接在一起形成一个整体；所述精轧螺母规格一5设置正方形锚板3的四角，用于连接精轧螺纹钢筋2与正方形锚板3，进而连接混凝土试块1与预应力精轧螺纹钢筋规格一4。所述连接套筒6带有内螺纹且外表面光滑，通过连接套筒6把预应力精轧螺纹钢筋规格一4和加长连接杆8连接在一起；所述加强圆钢管9与球铰11端部的变截面钢板固定在一起，并且套在加长连接杆8上，与加长连接杆8之间留有一定距离。

如图3所示，所述矩形加劲肋钢板10用于在四个方向连接加强圆钢管9和球铰11，以免球铰发生局部破坏；所述球铰11受偏心力会转动；变截面钢板是球铰的一部分，四角设置四个预留孔，为避免因钢板厚度较大而变得笨重，设计成变截面。

对于此装置的下半部分，把上半部分中的加长连接杆8换成普通连接杆7，其余地方均与上述装置的上半部分相同。

所述预应力精轧螺纹钢筋规格二12有四根，分别穿过上下两个变截面钢板四角的预留孔。

如图4所示，所述钢垫圈13为圆形，设置在变截面钢板与精轧螺母规格二14之间，内直径略大于预应力精轧螺纹钢筋规格二12的直径，外直径大于精轧螺母规格二14的外接圆直径；所述精轧螺母规格二14把预应力精轧螺纹钢筋规格二12与上下两个变截面钢板连接在一起。

进一步，所述正方形锚板3上预留孔的直径大于精轧螺纹钢筋2的直径。

所述预应力精轧螺纹钢筋规格一4的直径大于预应力精轧螺纹钢筋规格二12的直径。

所述精轧螺母规格一5与精轧螺母规格二14均为六角螺母。

所述加长连接杆8和普通连接杆7均为钢制，分别与上下两端的球铰11形成整体。

所述加强圆钢管9与连接套筒6之间留有一定距离。

所述球铰11端部的变截面钢板上的预留孔为圆形通孔，且预留孔的直径大于预应力精轧螺纹钢筋规格二12的直径，且变截面钢板中部预留凹槽以与球铰转动接触。

再进一步，所述装置上半部分的连接套筒6表面贴有应变片15兼做荷载传感器。应变片15通过连接导线17与电阻应变仪16相连接，持荷时连接套筒6受拉，其拉伸应变的大小可借助电阻应变仪16显示，并通过计算转换为连接套筒6所受的拉力，连接套筒6处的拉力即混凝土试块1所受的持续荷载。

所述装置采用耐腐性不锈钢料制作，在侵蚀环境作用下耐久性不降低。

一种混凝土单轴受拉持荷试验装置，在正常使用状态的持续荷载通过同时旋转上端变截面钢板内侧的四个精轧螺母规格二14来实现，通过旋转精轧螺母规格二14对变截面钢板施加向外的力，依次带动加长连接杆8、连接套筒6、预应力精轧螺纹钢筋规格一4受力，进而使混凝土试块1受拉，同时下端变截面钢板限制了预应力精轧螺纹钢筋规格一4和正方形锚板3的移动，进而实现混凝土试块1的持荷。持续荷载大小通过贴有应变片的连接套筒6兼做荷载传感器来得到，轻微旋转精轧螺母规格二14实现对荷载的微调。在持荷过程中，必须保证上下两个变截面钢板面的平行。然后，将试件持荷后放入侵蚀环境模拟装置，放置一段时间。

实施例2

如图5所示，一种混凝土单轴受拉测试装置，将侵蚀环境模拟装置中的持荷装置拿出，在持荷装置的基础上新增正方形钢板18和穿心式拉拔仪19。所述正方形钢板18新增两块，其中一块放置在上半部分连接套筒6和矩形加劲肋钢板10之间用于支撑上方的穿心式拉拔仪19，下方用钢垫圈13和精轧螺母规格二14固定住，另一块设置在穿心式拉拔仪19上方用于顶住矩形加劲肋钢板10；所述矩形加劲肋钢板10，设置成矩形方便下方的的正方形钢板18顶住；所述穿心式拉拔仪19设置在正方形钢板18上，用于施加拉力；如图6所示，撤除变截面钢板内侧的钢垫圈13和精轧螺母规格二14。

进一步，如图7所示，所述正方形钢板18分别在四角和中央设置五个圆形预留孔，且四角预留孔的直径大于预应力精轧螺纹钢筋规格二12的直径，中央预留孔的直径大于加长连接杆8的直径。

一种混凝土单轴受拉测试装置，测试时穿心式拉拔仪19顶着其上方的方形钢板18施加向上的力，拉力分别通过装置上端的球铰11、加长连接杆8、连接套筒6、预应力精轧螺纹钢筋规格一4传给混凝土试块1，同时下端的球铰11限制了预应力精轧螺纹钢筋规格一4和正方形锚板3的移动，进而实现对混凝土试块1施加拉力，直至试件破坏。拉力由兼做荷载传感器的连接套筒6测得，随后，运用公式可以算出混凝土的抗拉强度。

最后，本发明不限于上述实施方式，还可以在本发明实质内容的基础上进行很多变形，本领域的技术人员能够在本发明公开的内容基础上直接联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。