复合加载试验装置的开发与应用

刘承斌

(浙江大学建筑工程学院，浙江 杭州 310058)

1 引 言

土木工程结构构件通常受到轴力、弯矩、剪力和扭矩不同组合的作用，一般处于复合受力状态[1]。为了真实地模拟结构或构件的受力状态，需要配备具有相应功能的试验仪器。对于大型结构构件和节点复杂加载，通常采用电液伺服作动器配合竖向千斤顶实现，更先进的是近几年发展起来的大型多功能结构试验系统[2,3]，不仅具备大尺寸的加载空间、自反力结构的高强度加载框架，而且具备了多通道电液伺服协同加载能力，缺点是成本较高，价格昂贵。对于小型的土试块，水平荷载较小，有专门的压剪仪供应。

随着结构形式的日渐复杂和材料的再生利用，再生混凝土、既有构件加固以及碾压混凝土的结合面质量备受关注，需要研究不同因素对层间抗剪承载力的影响，提高层间结合的质量，确保结构整体工作。目前，学术界一致认为，界面之间的粘结作用主要由化学粘结力、摩擦阻力和机械咬合力3部分组成，但对于不同的材料而言，哪一部分所占比重较大尚有待研究。通过市场调研发现，常规小型构件的水平荷载通常在10kN～300kN之间，荷载值不大不小，目前尚无成套的仪器供应，且扩展性不强。

结合土木工程结构实验室已有的电液伺服压力试验机和电液伺服作动器，设计制作了可进行压剪试验的小型加载装置。该装置可较真实地模拟不同层间界面在竖向压缩和水平剪切共同作用下的力学行为,且该装置的可移植性较强，为实验室进行相应的力学试验提供了新手段。

2 压剪加载试验装置的设计与制作

2.1 方案设计

压剪复合装置是对原有常规竖向加载系统的功能升级，因此在设计方案时，除遵循安全、经济等原则外，尚需要结合具体试件的尺寸和水平荷载值综合考虑。常规混凝土试块尺寸较小，一般为150×150×150mm，但所需竖向和水平加载值均较大，这对装置本身提出了不同的要求，一方面是体积要小，且不易太重，便于安装和搬运；另外应具有较大的强度、刚度和稳定性，保证其能承受足够的外部反力。

2.2 装置设计与制作

经反复论证，最终确定的复合加载试验装置设计方案如图1所示。该装置包括整体台架、水平千斤顶、百分表等。其中，整体台架以长830mm、宽380mm、厚20mm钢板作为水平底板，直接放置于地面，无须和地面连接。以2块高410mm、厚20mm竖向钢板作为端板，与底板焊接。在左侧端板(承受千斤顶水平反力)下部沿着底板长度方向前后各布置若干加劲肋，同时两块端板上部设置两道拉杆，以增强整体加载系统的稳定性。

图1 压剪装置示意图

为便于加载，在底板上布置一个厚度50mm的基垫，将试样放置在基垫上，可以保证试样的水平。沿着基垫长度方向设置一个高75mm、宽200mm的水平钢垫块，用于承担试件下部的水平反力。水平加载所用千斤顶与右侧端板相连，活塞与一L形连杆相接触。L形连杆一方面可以不产生弯矩，只传递水平剪力，另一方面可以保证竖向力均匀加载。在试件上部端面和加载点端头之间设置一排滚轴，保证在竖向恒载和水平力作用下，能够产生自由的水平变形和滑移。

整体台架以Q345B钢材制作，采用E43型焊条进行焊接。在加工制作时，必须确保下料和定位具有一定的精度，保证横平竖直。所有的连接都采用焊接完成，工作量较大，但须保证焊接工艺的水准，不能出现虚焊，以免使整体结构的强度得不到保证，产生安全隐患。角焊缝的焊脚尺寸选定为6mm，以保证焊缝的最小承载能力，同时为了减小应力集中，表面做成直线形或凹形[4]。

2.3 复合加载试验过程

以电液伺服作动器为例，在试件剪切过程中能够保证竖向压力恒定。水平加载采用液压千斤顶，利用手动油泵控制加载，采用力传感器测读加载值。位移量测使用机械百分表，利用磁性表座固定在底座上。切割不同尺寸的有机玻璃块，粘贴于传力装置上，从而改进了以往的抗剪试验中，需将有机玻璃粘贴于试块表面的不足，极大提高了试验效率。量程为500kN 的压力传感器放置于刚性反力架和千斤顶之间，用于采集压力信号。位移信号和力信号通过DH3816N静态应变测试分析系统采集。压剪装置实景图如图2所示。

图2 压剪装置实景图

2.4 装置的优点

从上述压剪复合装置的设计方案可以看出，主要在以下方面体现了明显的优越性：

(1)整体台架采用了自平衡体系，其加载能力取决于焊缝的承载能力，简化了试验项目的设计过程，且无需反力地槽。

(2)结构形式简单，整体刚性好，模型对中方便。

(3)加载受力稳定，测试精度高，操作简单灵活，使用方便。

(4)移植性强，可以与不同的电液伺服系统配套使用。

3 实际应用

碾压混凝土在交通工程和水利工程中得到广泛应用[5-7]，碾压混凝土与常规商品混凝土的区别在于施工方式有所不同。常规混凝土采用振捣密实的方式进行施工，而碾压混凝土采用薄层摊铺，逐层碾压和逐层上升填筑的方式进行施工。碾压混凝土坝既具有常规混凝土体积小、强度高、防渗性能好等特点，又具有施工程序方便的优点，但由于自身所具有的分层弹性体系，若施工时间歇时间控制不当，层与层之间的结合面易形成薄弱面，从而影响层间结合质量，造成安全隐患。抗剪强度作为衡量各种层间结构结合质量的一项重要力学指标，在宏观上反映了层间结合性能的好坏，所以研究抗剪强度具有重要的工程意义。

常规混凝土结构的试块养护时间为28天，而碾压混凝土试块养护时间则为6个月。碾压混凝土层间压剪试验过程需严格按照规程[8]的相关方法进行。综合考虑后，取上部端面竖向力作用下最大竖向应力为3MPa，采用分级加载。数据处理时，每级竖向荷载的抗剪强度取3个试件的平均值，精确到小数点后1位。

试验开始时，首先施加竖向荷载，待各个仪表读数稳定后，测读竖向位移值，接着，施加水平剪切荷载。在整个压剪试验过程中，竖向应力始终应保持恒定。剪切荷载的初始加载速率取为0.4MPa/min，随着加载过程的进行，当某级剪切荷载所产生的水平变形值为上一级水平变形值的1.5倍或更大时，加载速率变为0.2MPa/min，直至试件剪断，此时记录所得到的最大剪切破坏荷载。在整个加载过程中，采用数据采集仪记录剪力荷载值和水平向位移Δu。

在试件剪断后，继续施加水平荷载，间隔2s测试残余剪切荷载值。典型的剪切曲线如图3所示，从图中可以看出，在曲线的0～Δu1段，抗剪强度与水平剪切位移呈线性关系，这是由于上下层面存在许多凸起点，类似于机械咬合力，整个结构处于弹性阶段。随着水平荷载的不断增大，层与层之间凸起点不断被剪断，在同等的位移下，剪切力变小，所以曲线斜率逐渐变小，直至达峰值抗剪强度τf，如图3中的Δu1～Δu2段。当水平位移超过峰值位移Δu2后，水平剪切承载力逐渐下降，见Δu2～Δu3段，抗剪强度随着水平剪切位移呈快速下降，然后变缓，从而表明剪切面具有残余剪切承载力τr。Δu2及Δu3处的抗剪强度分别定义为剪断抗剪强度和残余抗剪强度。

图3 剪切试验曲线

4 结 语

压剪复合加载装置原理简单、操作方便，具有灵活的移植性，经试验验证碾压混凝土所得到的层间抗剪强度精度较高，解决了以往研究中缺少相应压剪装置的问题，同时也为进一步设计其它复合加载装置提供了宝贵的经验。