本發(fā)明涉及軸向拉壓試驗(yàn)技術(shù)領(lǐng)域，具體是一種能夠提供并維持水平約束應(yīng)力或約束位移不變的約束作用下的軸向拉壓試驗(yàn)裝置及其試驗(yàn)方法。

背景技術(shù)：

約束混凝土即在外部施加徑向約束，使混凝土在軸向受壓時產(chǎn)生的橫向變形受到限制，延緩材料內(nèi)部裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展，改善核心混凝土自身原有的受壓特性，使其抗壓強(qiáng)度和變形能力得到提高，約束作用越強(qiáng)，混凝土強(qiáng)度提高幅度越大，目前國內(nèi)外對約束作用下的混凝土軸向承載力進(jìn)行了大量試驗(yàn)研究，但對于其細(xì)部受力機(jī)理和破壞形式，由于無法進(jìn)行直接的觀測，只能通過理論分析或數(shù)值模擬的方式進(jìn)行計(jì)算，為了能夠直觀的觀測約束狀態(tài)下混凝土的破壞形式，需要一種能夠提供徑向約束應(yīng)力，且水平接觸面應(yīng)力分布均勻，具有足夠的剛度，維持水平約束位移或約束應(yīng)力不變的試驗(yàn)裝置及試驗(yàn)方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明旨在解決鋼管或加密螺旋箍筋在約束作用下，混凝土或灌漿料內(nèi)部破壞形態(tài)無法直接觀察的難題，從而提供一種能夠提供并維持水平約束應(yīng)力或約束位移不變的約束作用下的軸向拉壓試驗(yàn)裝置及其試驗(yàn)方法。

本發(fā)明解決所述問題，采用的技術(shù)方案是：

一種約束作用下的軸向拉壓試驗(yàn)裝置，包括反力墻、軸向拉壓裝置、水平約束裝置、固定在地溝上的門架，軸向拉壓裝置上安裝有試件；

軸向拉壓裝置包括豎向作動器、上連接板、下連接板、上連接頭、下連接頭和固定壓梁；豎向作動器懸掛于門架上，上連接板與豎向作動器固定連接，上連接頭垂直設(shè)置在上連接板的下端面上，下連接板與固定壓梁固定連接，下連接頭垂直設(shè)置在下連接板的上端面上，固定壓梁固定在地溝上，試件的上端和下端分別與上連接頭和下連接頭鉸接；

水平約束裝置包括水平作動器、水平加載頭、水平固定頭、三角支撐架、支撐架壓梁，水平作動器固定在反力墻上，水平加載頭和水平固定頭分別設(shè)置在試件的兩側(cè)，水平加載頭通過高強(qiáng)螺桿與水平作動器連接，水平固定頭通過調(diào)節(jié)螺桿、調(diào)節(jié)螺母與三角支撐架連接，每個調(diào)節(jié)螺桿上設(shè)置兩個調(diào)節(jié)螺母用于調(diào)節(jié)水平固定頭的位置，三角支撐架通過支撐架壓梁固定在地溝上。

優(yōu)選地，固定壓梁包括第一固定壓梁、第二固定壓梁、第三固定壓梁，水平加載頭通過加載頭固定機(jī)構(gòu)與第一固定壓梁連接，第一固定壓梁通過錨固螺桿固定在地溝上，第二固定壓梁和第三固定壓梁上下疊加在一起并通過錨固螺桿固定在地溝上，第二固定壓梁與下連接板焊接。

優(yōu)選地，試件與水平加載頭之間、試件與和水平固定頭之間分別設(shè)置有一個墊板和一個側(cè)向滑輪組，其作用是使試件能夠在豎直方向自由滑動。

優(yōu)選地，水平作動器、水平加載頭、水平固定頭與試件的中心位于同一水平面內(nèi)；豎向作動器與試件的中心位于同一垂直平面內(nèi)。

優(yōu)選地，水平固定頭通過支撐桿和支撐板進(jìn)行支撐，支撐板設(shè)置在三角支撐架上，支撐桿設(shè)置在支撐板上，其作用是在調(diào)節(jié)水平固定頭位置時，保證水平固定頭水平位置不變，使水平加載頭與水平固定頭的中心始終處于同一水平面上。

優(yōu)選地，三角支撐架包括豎向支撐、斜支撐和水平支撐，豎向支撐設(shè)置在水平支撐上，斜支撐的兩端分別與豎向支撐和水平支撐連接，水平支撐的一端伸出豎向支撐，并在豎向支撐前后兩側(cè)的水平支撐上分別放置一個支撐架壓梁，支撐架壓梁采用螺桿與地溝相固定，使三角支撐架在較大彎矩下不發(fā)生翹起，水平支撐的另一端與固定墻體之間澆筑有混凝土，使得水平支撐完全頂住固定墻體，避免三角支撐架發(fā)生水平滑移。

優(yōu)選地，水平加載頭和水平固定頭分別包括前鋼板、后鋼板、連接肋板和加勁肋板，兩塊加勁肋板垂直焊接在連接肋板上，連接肋板、加勁肋板的兩端分別與前鋼板、后鋼板焊接，水平加載頭的后鋼板通過高強(qiáng)螺桿與水平作動器連接，水平固定頭的后鋼板通過調(diào)節(jié)螺桿、調(diào)節(jié)螺母與三角支撐架連接。

優(yōu)選地，加載頭固定機(jī)構(gòu)包括立柱、連接板、滑板、連桿；兩個立柱均由工字鋼制作而成，與第一固定壓梁相焊接，起到連接和支撐作用，滑板焊接在兩個立柱上，滑板兩側(cè)分別焊接有側(cè)擋板，兩個連桿兩端分別安裝有軸承，連接板焊接在兩個連桿上，連桿、軸承和連接板連接共同構(gòu)成小車結(jié)構(gòu)，側(cè)擋板高度大于軸承直徑，連桿兩端的軸承分別置于側(cè)擋板與滑板連接所形成的凹槽內(nèi)，軸承可在滑板上滑動，進(jìn)而使小車僅在滑板上滑動，連接板的上端與水平加載頭焊接，側(cè)擋板兩端分別焊接有限位板，以避免小車滑出滑板，同時為側(cè)擋板提供較大的豎向力，加載頭固定機(jī)構(gòu)使得水平加載頭只能在水平方向上運(yùn)動。

優(yōu)選地，試件包括中間板、側(cè)板和灌漿料或混凝土，中間板、側(cè)板、上連接頭和下連接頭上分別加工有連接孔，上連接頭和下連接頭分別通過銷栓與試件的中間板和側(cè)板鉸接，下連接板焊接在第二固定壓梁上。

一種采用以上所述的約束作用下的軸向拉壓試驗(yàn)裝置的試驗(yàn)方法，按照如下步驟進(jìn)行：

（1）安裝水平作動器和豎向作動器，為便于觀察試驗(yàn)現(xiàn)象，水平作動器高度不宜過高，保證水平作動器水平；豎向作動器與試件的中心處于同一個垂直平面內(nèi)，水平作動器與試件的中心處于同一個水平面內(nèi)；

（2）安裝上連接板、下連接板、上連接頭和下連接頭，上連接板通過螺栓與豎向作動器連接，焊接第二固定壓梁與下連接板，確定第二固定壓梁的位置，保證上連接頭和下連接頭的中心處于同一豎直線上；上連接頭和下連接頭的長度可根據(jù)試件尺寸進(jìn)行調(diào)整，保證在加載過程中，試件中心水平面與水平加載頭、水平固定頭的中心水平面重合；

（3）調(diào)節(jié)三角支撐架位置，使其中心垂直面與水平作動器和豎向作動器的中心垂直面重合，并根據(jù)水平固定頭的大小調(diào)整其與試件之間的距離，通過支撐架壓梁與地溝進(jìn)行固定；之后焊接支撐桿和支撐板，使水平固定頭與水平作動器處于同一水平面，并用調(diào)節(jié)螺栓和調(diào)節(jié)螺母進(jìn)行固定；

（4）安裝水平加載頭和加載頭固定機(jī)構(gòu)，調(diào)整水平加載頭位置，使之與水平固定頭的中心處于同一水平面內(nèi)，之后將制作好的加載頭固定機(jī)構(gòu)置于水平加載頭下部，調(diào)整位置，保證水平加載頭具有足夠大的加載位移，將第一固定壓梁置于加載頭固定機(jī)構(gòu)下方并且通過錨固螺桿與地溝進(jìn)行錨固連接，然后將加載頭固定機(jī)構(gòu)的連接板、立柱分別與水平加載頭、第一固定壓梁焊接，使之成為一個整體；

（5）安裝試件，向下伸出豎向作動器，將試件通過銷栓分別與上連接頭和下連接頭鉸接，提升豎向作動器使試件處于較小的拉應(yīng)力狀態(tài)；在試件與水平加載頭之間以及試件與水平固定頭之間放置側(cè)向滑輪組和墊板，并伸出水平作動器，使試件達(dá)到預(yù)定約束應(yīng)力；

（6）試驗(yàn)加載，根據(jù)試驗(yàn)需要，保持水平作動器位移不變或承載力不變，提升豎向作動器，觀察試件兩側(cè)裂縫產(chǎn)生和發(fā)展情況，從而得到約束作用下試件的破壞形態(tài)。

采用上述技術(shù)方案的本發(fā)明，與現(xiàn)有技術(shù)相比，其突出的特點(diǎn)是：

①本裝置是一種能夠提供并維持水平約束應(yīng)力或約束位移不變的、且水平接觸面應(yīng)力分布均勻、具有足夠的剛度、并進(jìn)行約束作用下軸向拉壓試驗(yàn)的裝置，可用于對需要施加水平約束作用的軸向拉壓試件進(jìn)行加載試驗(yàn)，同時可用于模擬鋼管或加密螺旋箍筋等約束作用下的試件的軸向拉壓性能試驗(yàn)。

②能夠較好的模擬鋼管等的環(huán)向約束作用，具有測量精度高，受力合理，準(zhǔn)確性強(qiáng)等特點(diǎn)，能夠準(zhǔn)確模擬約束作用下的軸向拉壓試驗(yàn)。

附圖說明

圖1是本發(fā)明實(shí)施例結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是圖1的局部放大結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是本發(fā)明實(shí)施例軸向拉壓裝置安裝試件的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4是本發(fā)明實(shí)施例加載頭固定機(jī)構(gòu)的立體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5是本發(fā)明實(shí)施例加載頭固定機(jī)構(gòu)的主視結(jié)構(gòu)示意圖；

圖6是本發(fā)明實(shí)施例加載頭固定機(jī)構(gòu)的側(cè)視結(jié)構(gòu)示意圖；

圖7是本發(fā)明實(shí)施例下連接機(jī)構(gòu)的立體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖8是本發(fā)明實(shí)施例下連接機(jī)構(gòu)的主視結(jié)構(gòu)示意圖；

圖9是本發(fā)明實(shí)施例下連接機(jī)構(gòu)的側(cè)視結(jié)構(gòu)示意圖；

圖10是本發(fā)明實(shí)施例水平加載頭的立體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖11是本發(fā)明實(shí)施例水平加載頭的主視結(jié)構(gòu)示意圖；

圖12是本發(fā)明實(shí)施例水平加載頭的右視結(jié)構(gòu)示意圖；

圖13是本發(fā)明實(shí)施例試件的主視結(jié)構(gòu)示意圖；

圖14是本發(fā)明實(shí)施例試件的側(cè)視結(jié)構(gòu)示意圖；

圖中：反力墻1，三角支撐架2，水平作動器3，水平加載頭4，加載頭固定機(jī)構(gòu)5，第一固定壓梁6，水平固定頭7，支撐板8，支撐桿9，調(diào)節(jié)螺母10，調(diào)節(jié)螺桿11，斜支撐12，水平支撐13，豎向支撐14，支撐架壓梁15，錨固螺桿16，上連接板17，下連接板18，第三固定壓梁19，側(cè)向滑輪組20，墊板21，豎向作動器22，門架23，立柱24，連接板25，側(cè)擋板26，限位板27，連桿28，滑板29，軸承30，上連接頭31，下連接頭32，銷栓33，固定墻體34，地溝35，后鋼板36，連接肋板37，前鋼板38，加勁肋板39，試件40，中間板41，側(cè)板42，灌漿料或混凝土43；連接孔44；第二固定壓梁45。

具體實(shí)施方式：

下面結(jié)合實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明，目的僅在于更好地理解本發(fā)明內(nèi)容，因此，所舉之例并不限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。

參見圖1、圖2、圖3、圖4、圖5、圖6、圖7、圖8、圖9、圖10、圖11、圖12、圖13、圖14，包括反力墻1、門架23、軸向拉壓裝置、水平約束裝置、固定在地溝35上的門架23，軸向拉壓裝置上安裝有試件40；

軸向拉壓裝置包括豎向作動器22、上連接板17、下連接板18、上連接頭31、下連接頭32和固定壓梁；豎向作動器22懸掛于門架23上，上連接板17與豎向作動器22固定連接，上連接頭31垂直設(shè)置在上連接板17的下端面上，下連接板18與固定壓梁固定連接，下連接頭32垂直設(shè)置在下連接板18的上端面上，固定壓梁固定在地溝35上，試件40的上端和下端分別與上連接頭31和下連接頭32鉸接；

水平約束裝置包括水平作動器3、水平加載頭4、水平固定頭7、三角支撐架2、支撐架壓梁15，水平作動器3固定安裝在反力墻1上，水平加載頭4和水平固定頭7分別設(shè)置在試件40的兩側(cè)，水平加載頭4通過高強(qiáng)螺桿與水平作動器22連接，水平固定頭7通過調(diào)節(jié)螺桿11、調(diào)節(jié)螺母10與三角支撐架2連接，每個調(diào)節(jié)螺桿11上設(shè)置兩個調(diào)節(jié)螺母10，以準(zhǔn)確定位水平固定頭7，同時可以任意調(diào)節(jié)水平固定頭7的位置，以適應(yīng)各種不同厚度的試件，三角支撐架2通過支撐架壓梁15固定在地溝35上。

水平作動器3和豎向作動器22均為電液伺服作動器，并且通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制，試驗(yàn)中，水平作動器3可保持位移不變，從而得到水平方向的反作用力，以模擬鋼管和加密螺旋箍筋等被動約束作用下試件的軸向拉壓性能，也可以保持荷載不變，以模擬均勻圍壓下試件的軸向拉壓性能。

固定壓梁采用工字鋼進(jìn)行制作，工字鋼厚度不宜過小，以保證固定壓梁具有足夠大的剛度，固定壓梁包括第一固定壓梁6、第二固定壓梁45、第三固定壓梁19，水平加載頭4通過加載頭固定機(jī)構(gòu)5與第一固定壓梁6連接，第一固定壓梁6通過錨固螺桿16固定在地溝35上，第二固定壓梁45和第三固定壓梁19上下疊加在一起并通過錨固螺桿16固定在地溝35上，第二固定壓梁45與下連接板18焊接。

試件40與水平加載頭4之間、試件40與和水平固定頭7之間分別設(shè)置有一個墊板21和一個側(cè)向滑輪組20，其作用是使試件40能夠在豎直方向自由滑動。

水平作動器3、水平加載頭4、水平固定頭7與試件40的中心位于同一水平面內(nèi)；豎向作動器22與試件40的中心位于同一垂直平面內(nèi)。

水平固定頭7通過支撐桿8和支撐板9進(jìn)行支撐，支撐板9設(shè)置在三角支撐架2上，支撐桿8設(shè)置在支撐板9上，其作用是在調(diào)節(jié)水平固定頭位置時，保證水平固定頭7水平位置不變，使水平加載頭4與水平固定頭7的中心始終處于同一水平面上。

三角支撐架2設(shè)置兩個，分別由槽鋼焊接而成，槽鋼尺寸不宜過小，以保證三角支撐架2具有足夠大的剛度，三角支撐架2包括豎向支撐14、斜支撐12和水平支撐13，豎向支撐14設(shè)置在水平支撐13上，斜支撐12的兩端分別與豎向支撐14和水平支撐13連接，水平支撐13的一端伸出豎向支撐14一定長度，并在豎向支撐14前后兩側(cè)的水平支撐13上分別放置一個支撐架壓梁15，支撐架壓梁15采用錨固螺桿16與地溝35相固定，使三角支撐架2在較大彎矩下不發(fā)生翹起，水平支撐13的另一端與固定墻體34之間澆筑有混凝土，使得水平支撐13完全頂住固定墻體34，避免三角支撐架2發(fā)生水平滑移。

水平加載頭4和水平固定頭7的制作方式相同，均由鋼板焊接而成，鋼板厚度和大小可根據(jù)試件40的尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì)，水平加載頭4和水平固定頭7分別包括前鋼板38、后鋼板36、連接肋板37和加勁肋板39，前鋼板38的長度和高度均要大于試件40中灌漿料或混凝土43的尺寸，保證試件40在加載過程中處于完全約束狀態(tài)，避免產(chǎn)生附加彎矩，兩塊加勁肋板39垂直焊接在連接肋板37上，連接肋板37、加勁肋板39的兩端分別與前鋼板38、后鋼板36焊接，水平加載頭4的后鋼板36通過高強(qiáng)螺桿與水平作動器3連接，水平固定頭7的后鋼板36通過調(diào)節(jié)螺桿11、調(diào)節(jié)螺母10與三角支撐架2連接。

加載頭固定機(jī)構(gòu)5包括立柱24、連接板25、滑板29、連桿28；兩個立柱24均由工字鋼制作而成，與第一固定壓梁6相焊接，起到連接和支撐作用，滑板29焊接在兩個立柱24上，滑板29兩側(cè)分別焊接有側(cè)擋板26，兩個連桿28兩端分別安裝有軸承30，連接板25焊接在兩個連桿28上，連桿28、軸承30和連接板25連接共同構(gòu)成小車結(jié)構(gòu)，側(cè)擋板26高度大于軸承30直徑，連桿28兩端的軸承30分別置于側(cè)擋板26與滑板29連接所形成的凹槽內(nèi)，軸承30可在滑板29上滑動，進(jìn)而使小車僅在滑板29上滑動，連接板25的上端與水平加載頭4焊接，側(cè)擋板26兩端分別焊接有限位板27，以避免小車滑出滑板，同時為側(cè)擋板26提供較大的豎向力，加載頭固定機(jī)構(gòu)5使得水平加載頭4只能在水平方向上運(yùn)動。

試件40包括中間板41、側(cè)板42和灌漿料或混凝土43，中間板41、側(cè)板42、上連接頭31和下連接頭32上分別加工有連接孔44，上連接頭31和下連接頭32分別通過銷栓33與試件40的中間板41和側(cè)板42鉸接，連接孔44的孔徑與銷栓33直徑差控制在0.2mm以內(nèi)，減小試件40在軸向拉壓過程中，縫隙帶來的影響,中間板41和側(cè)板42要求具有足夠大的剛度，以降低變形帶來的影響，下連接板18焊接在第二固定壓梁上。

10．一種采用以上所述的軸向拉壓試驗(yàn)裝置的試驗(yàn)方法，按照如下步驟進(jìn)行：

（1）安裝水平作動器3和豎向作動器22，為便于觀察試驗(yàn)現(xiàn)象，水平作動器3高度不宜過高，保證水平作動器3水平；豎向作動器22與試件40的中心處于同一個垂直平面內(nèi)，水平作動器3與試件40的中心處于同一個水平面內(nèi)；

（2）安裝上連接板17、下連接板18、上連接頭31和下連接頭32，上連接板17通過螺栓與豎向作動器22連接，焊接第二固定壓梁45與下連接板18，確定第二固定壓梁45的位置，保證上連接頭31和下連接頭32的中心處于同一豎直線上；上連接頭31和下連接頭32的長度可根據(jù)試件尺寸進(jìn)行調(diào)整，保證在加載過程中，試件40中心水平面與水平加載頭3、水平固定頭7的中心水平面重合；

（3）調(diào)節(jié)三角支撐架2位置，使其中心垂直面與水平作動器3和豎向作動器22的中心垂直面重合，并根據(jù)水平固定頭7的大小調(diào)整其與試件40之間的距離，通過支撐架壓梁15與地溝35進(jìn)行固定；之后焊接支撐桿8和支撐板9，使水平固定頭7與水平作動器3處于同一水平面，并用調(diào)節(jié)螺栓11和調(diào)節(jié)螺母10進(jìn)行固定；

（4）安裝水平加載頭4和加載頭固定機(jī)構(gòu)5，調(diào)整水平加載頭4位置，使之與水平固定頭7的中心處于同一水平面內(nèi)，之后將制作好的加載頭固定機(jī)構(gòu)5置于水平加載頭4下部，調(diào)整位置，保證水平加載頭4具有足夠大的加載位移，將第一固定壓梁6置于加載頭固定機(jī)構(gòu)5下方并且通過錨固螺桿16與地溝35進(jìn)行錨固連接，然后將加載頭固定機(jī)構(gòu)5的連接板25、立柱24分別與水平加載頭4、第一固定壓梁6焊接，使之成為一個整體；

（5）安裝試件40，向下伸出豎向作動器22，將試件40通過銷栓33分別與上連接頭31和下連接頭32鉸接，提升豎向作動器22使試件40處于較小的拉應(yīng)力狀態(tài)；在試件40與水平加載頭4之間以及試件40與水平固定頭7之間放置側(cè)向滑輪組20和墊板21，并伸出水平作動器3，使試件40達(dá)到預(yù)定約束應(yīng)力；

（6）試驗(yàn)加載，根據(jù)試驗(yàn)需要，保持水平作動器3位移不變或承載力不變，提升豎向作動器22，觀察試件40兩側(cè)裂縫產(chǎn)生和發(fā)展情況，從而得到約束作用下試件40的破壞形態(tài)。

本裝置是一種能夠提供并維持水平約束應(yīng)力或約束位移不變的、且水平接觸面應(yīng)力分布均勻、具有足夠的剛度、并進(jìn)行約束作用下軸向拉壓試驗(yàn)的裝置，可用于對需要施加水平約束作用的軸向拉壓試件進(jìn)行加載試驗(yàn)，同時可用于模擬鋼管或加密螺旋箍筋等約束作用下的試件的軸向拉壓性能試驗(yàn)，能夠較好的模擬鋼管等的環(huán)向約束作用，具有測量精度高，受力合理，準(zhǔn)確性強(qiáng)等特點(diǎn)，能夠準(zhǔn)確模擬約束作用下的軸向拉壓試驗(yàn)。

以上所述僅為本發(fā)明較佳可行的實(shí)施例而已，并非因此局限本發(fā)明的權(quán)利范圍，凡運(yùn)用本發(fā)明說明書及其附圖內(nèi)容所作的等效變化，均包含于本發(fā)明的權(quán)利范圍之內(nèi)。