CN103323340A - 一种钢-砼接触界面力学特性测试装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明的目的是能够在避免摩擦因素干扰，且能够实现在不同法向应力、法向刚度条件下对钢-砼界面力学特性测定。即一种钢-砼接触界面力学特性测试装置及其方法。本发明中可以采用一套装置完成界面等法向刚度剪切、等法向应力剪切、无限大法向刚度剪切、界面抗拉等至少四种试验。另外，在本发明的方案中，界面法向荷载加载方向水平，与重力方向垂直，与试样和底座接触面平行，法向荷载的施加不会带来影响试验结果的摩擦，极大提高了试验结果的精确度。在本发明的方案中，界面剪切过程中接触界面面积保持不变，不会产生剪切界面减小带来的试验误差。

Description

一种钢-砼接触界面力学特性测试装置及其方法

技术领域

    本发明属于材料接触界面力学特性参数测试领域，具体是土木工程中钢-砼接触界面力学特性测试。

背景技术

随着国家基础设施建设的飞速发展，钢护筒嵌岩桩大量用于大跨度桥梁、超高层建筑、大型码头等国家重大工程中。与传统混凝土桩或钢管桩相比，钢护筒嵌岩桩及类似的钢管混凝土桩最大的特点在于外层钢护筒与桩芯混凝土共同承受荷载的作用，部分荷载作用于钢护筒表面，通过钢护筒与桩芯混凝土之间的界面传递至桩身内部再传递至地基，因此，桩基受载时钢-砼之间接触界面的力学特性将直接影响钢护筒嵌岩桩的承载性能。界面的力学特性主要包括界面剪切特性与抗拉特性，其中剪切特性包括：剪应力随剪位移变化规律、界面破坏规律，以及重复剪切条件下界面的残余强度变化规律等。

界面剪切试验是获得钢-砼界面剪切特性的基本方法。现有的界面剪切试验方法与装置一般来源于岩土体直接剪切试验的方法及装置，即将待测钢板及待测混凝土分别放置在上下两个剪切盒中，固定上剪切盒不动，并在上剪切盒顶部施加一定的竖向荷载，然后以一定的剪切速率推动下剪切盒，使两种材料之间的接触界面产生剪切位移，在此过程中记录剪切应力与剪切位移之间的关系；改变不同的竖向荷载进行重复试验，分析界面法向应力对界面剪切特性的影响。类似钢-砼界面剪切特性试验已取得了一定的成果，但相关的试验方法与试验装置具有一定的缺陷，如为了破坏界面法向应力对界面剪切特性的影响，在上剪切盒顶部施加与重力方向相同的竖向荷载，上剪切盒内材料受到的荷载通过盒壁向下传递，连同上剪切盒自身的重力，使上、下剪切盒之间产生一定的摩擦力；同时，下剪切盒要置于刚性底座上，在上部荷载的作用下，必然在下剪切盒与底座之间也会产生摩擦力。钢-砼界面剪切特性与传统土体剪切试验不同，为模拟实际工程，所施加的竖向荷载一般较大，以上两部分摩擦对试验结果的影响一般难以忽略，进而影响试验结果的精确度。对于传统剪切试验，剪切过程中界面接触面积还会随剪切位移的增加而减小，从而使试验结果产生误差。同时，对于钢-砼接触界面的抗拉特性，一般需要利用另外的试验装置进行试验，造成资源的浪费。

钢-砼接触界面的力学特性不仅与界面的法向应力有关，还与界面的法向刚度有关，同时受混凝土的强度、界面的粗糙度、材料的抗磨损性等因素的影响。目前，传统的钢-砼界面力学特性试验仅对不同法向应力条件下的剪切特性研究较多，尚未形成全面、成熟的钢-砼界面力学特性测定技术。

发明内容

本发明的目的是提供一种避免摩擦因素干扰，且能够实现在不同法向应力、法向刚度条件下对钢-砼界面力学特性测定的装置。

为实现本发明目的而采用的技术方案是这样的，一种钢-砼接触界面力学特性测试装置，包括水平设置、且相互平行的至少两条导轨。所述导轨上安放底座，所述导轨的两端分别安装有固定刚性挡板和可动刚性挡板。所述固定刚性挡板与可动刚性挡板的板面正对底座，所述固定刚性挡板与导轨的相对位置固定不变，所述可动刚性挡板和底座能够在外力作用下沿导轨滑动。

所述底座具有一个水平上端面。试验时，所述上端面承载被测试样。所述被测试样包括一块垂直放置在底座上的待测钢板，所述待测钢板的两个板面分别面向固定刚性挡板和可动刚性挡板，所述待测钢板的两个板面分别与混凝土块Ⅰ和混凝土块Ⅱ黏结。所述混凝土块Ⅰ面向固定刚性挡板的侧面与刚性盖板Ⅰ接触，所述混凝土块Ⅱ面向可动刚性挡板的侧面与刚性盖板Ⅱ接触。试验时，所述刚性盖板Ⅰ与固定刚性挡板之间安装有连接件Ⅰ，即所述连接件Ⅰ的一端连接在刚性盖板Ⅰ的板面、另一端连接在固定刚性挡板的板面。所述刚性盖板Ⅱ与可动刚性挡板之间安装有连接件Ⅱ，即连接件Ⅱ的一端连接在刚性盖板Ⅱ的板面、另一端连接在可动刚性挡板的板面。

所述导轨的一侧具有水平加载及测量装置，所述水平加载及测量装置的伸缩端与所述待测钢板连接。试验时，所述水平加载及测量装置对待测钢板施加垂直于导轨方向的推力或拉力。

所述可动刚性挡板背向被测试样的板面与伺服液压加载装置的压头连接。试验时，所述伺服液压加载装置对可动刚性挡板施加平行于导轨方向的推力。

本发明的另一个目的是采用上述钢-砼接触界面力学特性测试装置进行等法向刚度试验的方法，包括以下步骤： 

1）将试验用钢板按要求的尺寸切割成矩形待测钢板，所述待测钢板具有两个板面、上下两个端面和左右两个端面。将所述待测钢板的下端面搁置在所述底座的上表面并使得所述待测钢板的两个板面与导轨垂直。所述待测钢板的左端面与水平加载装置的伸缩端连接。

2）在所述待测钢板的两侧设置模具盒并浇筑混凝土，经养护后，使得所述待测钢板的两个板面分别与混凝土块Ⅰ和混凝土块Ⅱ黏结。所述混凝土块Ⅰ的内侧与待测钢板黏结、外侧与刚性盖板Ⅰ接触。所述混凝土块Ⅱ的内侧与待测钢板黏结、外侧与刚性盖板Ⅱ接触。

3）在所述上表面安装限制混凝土块Ⅰ和混凝土块Ⅱ沿垂直于导轨方向移动的侧限装置Ⅰ和侧限装置Ⅱ。

4）在刚性盖板Ⅰ和固定刚性挡板之间安装连接件Ⅰ，在刚性盖板Ⅱ和可动刚性挡板之间安装连接件Ⅱ。所述连接件Ⅰ和连接件Ⅱ为弹簧。

5）启动伺服液压加载装置，使其对可动刚性挡板施加预设的载荷。之后，将伺服液压加载装置锁死，使得可动刚性挡板的位置固定。

6）启动水平加载装置，使其对待测钢板施加垂直于导轨方向的推力。使得待测钢板与两侧混凝土接触的界面发生剪切破坏。

7）通过水平加载装置对待测钢板施加与步骤6）所述推力方向相反的拉力，使待测钢板沿步骤6）的移动路径回到初始位置；

8）通过水平加载装置对待测钢板施加与步骤6）所述推力方向相同的推力，使待测钢板回到步骤6）终止时的位置；

9）重复步骤7）～8），直至待测钢板与混凝土接触界面的剪切强度趋于稳定后结束操作。

本发明的另一个目的是采用前文所述钢-砼接触界面力学特性测试装置进行等法向压力试验的方法，包括以下步骤： 

1）将试验用钢板按要求的尺寸切割成矩形待测钢板，所述待测钢板具有两个板面、上下两个端面和左右两个端面。将所述待测钢板的下端面搁置在所述底座的上表面，并使得所述待测钢板的两个板面与导轨垂直。所述待测钢板的左端面与水平加载装置的伸缩端连接。

2）在所述待测钢板的两侧设置模具盒并浇筑混凝土，经养护后，使得所述待测钢板的两个板面分别与混凝土块Ⅰ和混凝土块Ⅱ黏结。所述混凝土块Ⅰ的内侧与待测钢板黏结、外侧与刚性盖板Ⅰ接触。所述混凝土块Ⅱ的内侧与待测钢板黏结、外侧与刚性盖板Ⅱ接触。

3）在所述上表面安装限制混凝土块Ⅰ和混凝土块Ⅱ沿垂直于导轨方向移动的侧限装置Ⅰ和侧限装置Ⅱ。

4）在刚性盖板Ⅰ和固定刚性挡板之间安装连接件Ⅰ，在刚性盖板Ⅱ和可动刚性挡板之间安装连接件Ⅱ。所述连接件Ⅰ和连接件Ⅱ为弹簧。

5）启动伺服液压加载装置，使其对可动刚性挡板施加预设的载荷。在之后的试验过程中，保持所述预设载荷不变。

6）启动水平加载装置，使其对待测钢板施加垂直于导轨方向的推力。使得待测钢板与两侧混凝土接触的界面发生剪切破坏。

7）通过水平加载装置对待测钢板施加与步骤6）所述推力方向相反的拉力，使待测钢板沿步骤6）的移动路径回到初始位置；

8）通过水平加载装置对待测钢板施加与步骤6）所述推力方向相同的推力，使待测钢板回到步骤6）终止时的位置；

9）重复步骤7）～8），直至待测钢板与混凝土接触界面的剪切强度趋于稳定后结束操作。

本发明的另一个目的是采用前文所述钢-砼接触界面力学特性测试装置进行无限大法向刚度试验的方法，其特征在于，包括以下步骤： 

1）将试验用钢板按要求的尺寸切割成矩形待测钢板，所述待测钢板具有两个板面、上下两个端面和左右两个端面。将所述待测钢板的下端面搁置在所述底座的上表面，并使得所述待测钢板的两个板面与导轨垂直。所述待测钢板的左端面与水平加载装置的伸缩端连接。

2）在所述待测钢板的两侧设置模具盒并浇筑混凝土，经养护后，使得所述待测钢板的两个板面分别与混凝土块Ⅰ和混凝土块Ⅱ黏结。所述混凝土块Ⅰ的内侧与待测钢板黏结、外侧与刚性盖板Ⅰ接触。所述混凝土块Ⅱ的内侧与待测钢板黏结、外侧与刚性盖板Ⅱ接触。

3）在所述上表面安装限制混凝土块Ⅰ和混凝土块Ⅱ沿垂直于导轨方向移动的侧限装置Ⅰ和侧限装置Ⅱ。

4）在刚性盖板Ⅰ和固定刚性挡板之间安装连接件Ⅰ，在刚性盖板Ⅱ和可动刚性挡板之间安装连接件Ⅱ。所述连接件Ⅰ和连接件Ⅱ为刚性连接杆。

5）启动伺服液压加载装置，使其对可动刚性挡板施加预设的载荷。之后，将伺服液压加载装置锁死，使得可动刚性挡板的位置固定。

6）启动水平加载装置，使其对待测钢板施加垂直于导轨方向的推力。使得待测钢板与两侧混凝土接触的界面发生剪切破坏。

7）通过水平加载装置对待测钢板施加与步骤6）所述推力方向相反的拉力，使待测钢板沿步骤6）的移动路径回到初始位置；

8）通过水平加载装置对待测钢板施加与步骤6）所述推力方向相同的推力，使待测钢板回到步骤6）终止时的位置；

9）重复步骤7）～8），直至待测钢板与混凝土接触界面的剪切强度趋于稳定后结束操作。

本发明的另一个目的是采用前文所述钢-砼接触界面力学特性测试装置进行钢-砼接触界面抗拉试验，包括以下步骤： 

1）将试验用钢板按要求的尺寸切割成矩形待测钢板，所述待测钢板具有两个板面、上下两个端面和左右两个端面；将所述待测钢板的下端面搁置在所述底座的上表面，并使得所述待测钢板的两个板面与导轨垂直；所述待测钢板的左端面与水平加载装置的伸缩端连接；

2）在所述待测钢板的两侧设置模具盒并浇筑混凝土，经养护后，使得所述待测钢板的两个板面分别与混凝土块Ⅰ和混凝土块Ⅱ黏结；所述混凝土块Ⅰ的内侧与待测钢板黏结、外侧与刚性盖板Ⅰ连接；所述混凝土块Ⅱ的内侧与待测钢板黏结、外侧与刚性盖板Ⅱ连接；

3）在刚性盖板Ⅰ和固定刚性挡板之间安装连接件Ⅰ，在刚性盖板Ⅱ和可动刚性挡板之间安装连接件Ⅱ；所述连接件Ⅰ和连接件Ⅱ为刚性连接杆；

4）启动伺服液压加载装置，使其对可动刚性挡板施加拉力；直到待测钢板与混凝土块Ⅰ或混凝土块Ⅱ的接触面破坏。

本发明的有益技术效果包括：

1、可以采用一套装置完成界面等法向刚度剪切、等法向应力剪切、无限大法向刚度剪切、界面抗拉等至少四种试验；

2、界面法向荷载加载方向水平，与重力方向垂直，与试样和底座接触面平行，法向荷载的施加不会带来影响试验结果的摩擦，极大提高了试验结果的精确度；

3、界面剪切过程中接触界面面积保持不变，不会产生剪切界面减小带来的试验误差。

附图说明

本发明的装置可以通过附图给出的非限定性实施例进一步说明。

图1为本发明实施例2和3的示意图；

图2为本发明实施例4的示意图。

图中： 1-水平加载及测量装置，2-侧限装置Ⅰ，3-上端面，4-连接件Ⅰ，5-固定刚性挡板，6-刚性盖板Ⅰ，7-侧限装置Ⅱ，8-待测钢板，9-刚性盖板Ⅱ，10-可动刚性挡板，11-导轨，12-伺服液压加载装置，13-连接件Ⅱ，15-被测试样，16-底座，17-混凝土块Ⅰ，18-混凝土块Ⅱ。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，但不应该理解为本发明上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明范围内。

实施例1：

本实施例公开一种钢-砼接触界面力学特性测试装置，包括水平设置、且相互平行的至少两条导轨11。所述导轨11上安放底座16，所述导轨11的两端分别安装有固定刚性挡板5和可动刚性挡板10。由于本实施例中各个部件的位置关系比较重要，进一步说明：所述“导轨11的两端”指的是安放在导轨11上的物体沿导轨滑动的两个相对的方向。

所述固定刚性挡板5的一个板面面向底座16，同样，可动刚性挡板10的一个板面也面向底座16，即底座16位于固定刚性挡板5和可动刚性挡板10之间。所述固定刚性挡板5与导轨11的相对位置固定不变，所述可动刚性挡板10和底座16能够在外力作用下沿导轨11滑动。实施例中，所述导轨11表面上具有纵向的槽或脊，所述可动刚性挡板10和底座16的底部均有与所述槽或脊配合的部件，使其下端嵌合在导轨11上，并能够沿导轨11滑动。

所述底座16具有一个水平上端面3。试验时，所述上端面3承载被测试样15。所述被测试样包括一块垂直放置在底座16上的待测钢板8，所述待测钢板8的两个板面分别面向固定刚性挡板5和可动刚性挡板10，所述待测钢板8的两个板面分别与混凝土块Ⅰ 17和混凝土块Ⅱ 18黏结。所述混凝土块Ⅰ 17面向固定刚性挡板5的侧面与刚性盖板Ⅰ 6接触，所述混凝土块Ⅰ 17背向固定刚性挡板5的侧面与待测钢板8黏结。所述混凝土块Ⅱ 18面向可动刚性挡板10的侧面与刚性盖板Ⅱ 9接触，所述混凝土块Ⅱ 18背向可动刚性挡板10的侧面与待测钢板8黏结。所述待测钢板8的两端均凸出于混凝土块Ⅰ 17和混凝土块Ⅱ 18，即待测钢板8垂直于导轨方向的长度大于混凝土块Ⅱ  18和混凝土块Ⅰ 17垂直于导轨方向的长度。

的两端均伸出混凝土块Ⅰ 17和混凝土块Ⅱ 18的端面。

由于所述固定刚性挡板5与可动刚性挡板10的板面的高度均高于底座16上表面的高度。所述刚性盖板Ⅰ 6与固定刚性挡板5之间具有连接件Ⅰ 4。即连接件Ⅰ 4一端与刚性盖板Ⅰ 6表面连接、另一端与固定刚性挡板5的表面连接。

所述刚性盖板Ⅱ 9与可动刚性挡板10之间具有连接件Ⅱ 13。即连接件Ⅱ 13一端与刚性盖板Ⅱ 9表面连接、另一端与固定刚性挡板10的表面连接。

实施例中，所述连接件Ⅰ 4和连接件Ⅱ 13为可更换部件，其可以均为螺旋弹簧，也可以均为刚性金属杆。螺旋弹簧和金属杆的两端均具有与板面的连接装置，可以根据需要更换螺旋弹簧或金属杆。

进一步，所述连接件Ⅰ 4和连接件Ⅱ 13为可以变换刚性或弹性的部件。其中一种实现方式是：连接件（即连接件Ⅰ 4和连接件Ⅱ 13）包括筒体Ⅰ 和套在筒体Ⅰ 外部的筒体Ⅱ ，筒体Ⅰ 和筒体Ⅱ 之间可以通过锁紧装置锁紧，筒体Ⅰ 和筒体Ⅱ 内部放入螺旋弹簧。所述螺旋弹簧的长度大于筒体Ⅰ 和筒体Ⅱ各自长度，小于或等于筒体Ⅰ 和筒体Ⅱ长度的加和。当筒体Ⅰ 和筒体Ⅱ之间锁紧时，连接件（即连接件Ⅰ 4和连接件Ⅱ 13）为刚性部件；当筒体Ⅰ 和筒体Ⅱ 之间不锁紧时，连接件（即连接件Ⅰ 4和连接件Ⅱ 13）为弹性部件。

所述导轨11的一侧具有水平加载及测量装置1。进行某些试验时，所述水平加载及测量装置1的伸缩端与所述待测钢板8连接，所述水平加载及测量装置1对待测钢板8施加垂直于导轨11方向的推力或拉力。

所述可动刚性挡板10背向被测试样15的板面与伺服液压加载装置12的压头连接。试验时，所述伺服液压加载装置12对可动刚性挡板10施加平行于导轨11方向的推力或拉力。

本实施例中，被测试样中的混凝土具有一定重力和与底座上表面的黏力，因此在推拉待测钢板时不易发生滑动。但作为优选，可以将混凝土与底座上表面固定。一种实现方式是：所述底座16的上端面3连接侧限装置Ⅰ 2和侧限装置Ⅱ 7。所述侧限装置Ⅰ 2和侧限装置Ⅱ 7限制被测试样15沿垂直于导轨11方向的移动。即侧限装置Ⅰ 2和侧限装置Ⅱ 7的底部连接在底座16的上端面3，被测试样中的混凝土的两个端面分别同样侧限装置Ⅰ 2和侧限装置Ⅱ 7接触，以限制混凝土块的移动。

实施例2：

本实施例采用实施例1所述钢-砼接触界面力学特性测试装置进行等法向刚度试验的方法，包括以下步骤： 

1）将试验用钢板按要求的尺寸切割成矩形待测钢板15，所述待测钢板15具有两个板面、上下两个端面和左右两个端面。将所述待测钢板15的下端面搁置在所述底座16的上表面3，并使得所述待测钢板15的两个板面与导轨11垂直。所述待测钢板的左端面与水平加载装置1的伸缩端连接。

2）在所述待测钢板15的两侧设置模具盒并浇筑混凝土，经养护后，使得所述待测钢板的两个板面分别与混凝土块Ⅰ 17和混凝土块Ⅱ 18黏结。所述混凝土块Ⅰ 17的内侧与待测钢板15黏结、外侧与刚性盖板Ⅰ 6接触，但不连接。所述混凝土块Ⅱ 18的内侧与待测钢板15黏结、外侧与刚性盖板Ⅱ 9接触，但不连接。

3）在所述上表面3安装限制混凝土块Ⅰ 和混凝土块Ⅱ 沿垂直于导轨11方向移动的侧限装置Ⅰ 2和侧限装置Ⅱ 7。

4）在刚性盖板Ⅰ 6和固定刚性挡板5之间安装连接件Ⅰ 4，在刚性盖板Ⅱ 9和可动刚性挡板10之间安装连接件Ⅱ 13。所述连接件Ⅰ 4和连接件Ⅱ 13为弹性部件，本实施例为螺旋弹簧。

5）启动伺服液压加载装置12，使其对可动刚性挡板10施加预设的载荷。之后，将伺服液压加载装置锁死，使得可动刚性挡板10的位置固定。开启伺服液压加载装置上的压力传感器，测量测试过程中法向压力的变化。

6）启动水平加载装置1，使其对待测钢板8施加垂直于导轨11方向的推力。使得待测钢板8与两侧混凝土接触的界面发生剪切破坏。以恒定的剪切速率进行界面剪切测试，并测量剪切位移增加过程中水平推力的变化。

7）通过水平加载装置1对待测钢板8施加与步骤6）所述推力方向相反的拉力，使待测钢板沿步骤6）的移动路径回到初始位置，并在此过程中测量法向压力的变化以及剪切位移增加过程中水平推力的变化。

8）通过水平加载装置1对待测钢板8施加与步骤6）所述推力方向相同的推力，使待测钢板回到步骤6）终止时的位置，并在此过程中测量法向压力的变化以及剪切位移增加过程中水平推力的变化。

9）重复步骤7）～8），直至待测钢板8与混凝土接触界面的剪切强度趋于稳定后，即步骤7）施加的推力等于步骤8）施加的拉力时，结束操作。

本实施例中，需要测定的量包括：步骤5）中所述载荷、步骤6）中所述推力和剪切破坏发生时钢板的位移、步骤7）中所述拉力，以及重复步骤7）～8）直到待测钢板8与混凝土接触界面的剪切强度趋于稳定后的拉力或推力的大小。改变法向刚度、初始法向应力进行重复试验，通过试验中测量的界面剪切位移与剪切应力之间的关系、待测混凝土法向位移与剪切位移之间的关系、界面法向应力与剪切位移之间的关系，以及界面重复剪切作用下的残余剪切强度分析界面的剪切规律。

实施例3：

 一种采用权利要求1或2所述钢-砼接触界面力学特性测试装置进行等法向压力试验的方法，其特征在于，包括以下步骤： 

1）将试验用钢板按要求的尺寸切割成矩形待测钢板15，所述待测钢板15具有两个板面、上下两个端面和左右两个端面。将所述待测钢板15的下端面搁置在所述底座16的上表面3，并使得所述待测钢板15的两个板面与导轨11垂直。所述待测钢板的左端面与水平加载装置1的伸缩端连接。

2）在所述待测钢板15的两侧设置模具盒并浇筑混凝土，经养护后，使得所述待测钢板的两个板面分别与混凝土块Ⅰ 17和混凝土块Ⅱ 18黏结。所述混凝土块Ⅰ 17的内侧与待测钢板15黏结、外侧与刚性盖板Ⅰ 6接触，但不连接。所述混凝土块Ⅱ 18的内侧与待测钢板15黏结、外侧与刚性盖板Ⅱ 9接触，但不连接。

3）在所述上表面3安装限制混凝土块Ⅰ 和混凝土块Ⅱ 沿垂直于导轨11方向移动的侧限装置Ⅰ 2和侧限装置Ⅱ 7。

4）在刚性盖板Ⅰ 6和固定刚性挡板5之间安装连接件Ⅰ 4，在刚性盖板Ⅱ 9和可动刚性挡板10之间安装连接件Ⅱ 13。所述连接件Ⅰ 4和连接件Ⅱ 13为弹性部件，本实施例为螺旋弹簧。

5）启动伺服液压加载装置12，使其对可动刚性挡板10施加预设的载荷。在之后的试验过程中，保持所述预设载荷不变。开启伺服液压加载装置上的位移传感器，测量测试过程中待测混凝土顶面法向位移的变化。

6）启动水平加载装置1，使其对待测钢板8施加垂直于导轨11方向的推力。使得待测钢板8与两侧混凝土接触的界面发生剪切破坏。以恒定的剪切速率进行界面剪切测试，并测量剪切位移增加过程中水平推力的变化。

7）通过水平加载装置1对待测钢板8施加与步骤6）所述推力方向相反的拉力，使待测钢板沿步骤6）的移动路径回到初始位置，并在此过程中测量法向压力的变化以及剪切位移增加过程中水平推力的变化。

8）通过水平加载装置1对待测钢板8施加与步骤6）所述推力方向相同的推力，使待测钢板回到步骤6）终止时的位置；并在此过程中测量法向位移的变化以及剪切位移增加过程中水平推力的变化。

9）重复步骤7）～8），直至待测钢板8与混凝土接触界面的剪切强度趋于稳定后，即步骤7）施加的推力等于步骤8）施加的拉力时，结束操作。

本实施例中，需要测定的量包括：步骤5）中所述载荷、步骤6）中所述推力和剪切破坏发生时钢板的位移、步骤7）中所述拉力，以及重复步骤7）～8）直到待测钢板8与混凝土接触界面的剪切强度趋于稳定后的拉力或推力的大小。改变法向应力进行重复试验，根据试验中测量的界面剪切位移与剪切应力之间的关系以及界面重复剪切作用下的残余剪切强度，分析界面的剪切规律。

实施例4：

一种采用权利要求1或2所述钢-砼接触界面力学特性测试装置进行无限大法向刚度试验的方法，其特征在于，包括以下步骤： 

1）将试验用钢板按要求的尺寸切割成矩形待测钢板15，所述待测钢板15具有两个板面、上下两个端面和左右两个端面。将所述待测钢板15的下端面搁置在所述底座16的上表面3，并使得所述待测钢板15的两个板面与导轨11垂直。所述待测钢板的左端面与水平加载装置1的伸缩端连接。

2）在所述待测钢板15的两侧设置模具盒并浇筑混凝土，经养护后，使得所述待测钢板的两个板面分别与混凝土块Ⅰ 17和混凝土块Ⅱ 18黏结。所述混凝土块Ⅰ 17的内侧与待测钢板15黏结、外侧与刚性盖板Ⅰ 6接触，但不连接。所述混凝土块Ⅱ 18的内侧与待测钢板15黏结、外侧与刚性盖板Ⅱ 9接触，但不连接。

3）在所述上表面3安装限制混凝土块Ⅰ 和混凝土块Ⅱ 沿垂直于导轨11方向移动的侧限装置Ⅰ 2和侧限装置Ⅱ 7。

4）在刚性盖板Ⅰ 6和固定刚性挡板5之间安装连接件Ⅰ 4，在刚性盖板Ⅱ 9和可动刚性挡板10之间安装连接件Ⅱ 13。所述连接件Ⅰ 4和连接件Ⅱ 13为刚性部件，本实施例为刚性金属连接杆。

5）启动伺服液压加载装置12，使其对可动刚性挡板10施加预设的载荷。之后，将伺服液压加载装置锁死，使得可动刚性挡板10的位置固定。开启伺服液压加载装置上的压力传感器，测量测试过程中法向压力的变化。

6）启动水平加载装置1，使其对待测钢板8施加垂直于导轨11方向的推力。使得待测钢板8与两侧混凝土接触的界面发生剪切破坏。以恒定的剪切速率进行界面剪切测试，并测量剪切位移增加过程中水平推力的变化。

7）通过水平加载装置1对待测钢板8施加与步骤6）所述推力方向相反的拉力，使待测钢板沿步骤6）的移动路径回到初始位置；以恒定的剪切速率进行界面剪切测试，并测量剪切位移增加过程中水平推力的变化。

8）通过水平加载装置1对待测钢板8施加与步骤6）所述推力方向相同的推力，使待测钢板回到步骤6）终止时的位置；并在此过程中测量法向压力的变化以及剪切位移增加过程中水平推力的变化。

9）重复步骤7）～8），直至待测钢板8与混凝土接触界面的剪切强度趋于稳定后，即步骤7）施加的推力等于步骤8）施加的拉力时，结束操作。

本实施例中，需要测定的量包括：步骤5）中所述载荷、步骤6）中所述推力和剪切破坏发生时钢板的位移、步骤7）中所述拉力，以及重复步骤7）～8）直到待测钢板8与混凝土接触界面的剪切强度趋于稳定后的拉力或推力的大小。改变初始法向应力进行重复试验，通过试验中测量的界面剪切位移与剪切应力之间的关系、界面法向应力与剪切位移之间的关系以及界面重复剪切作用下的残余剪切强度，分析界面的剪切规律。

实施例5：

一种采用权利要求1或2所述钢-砼接触界面力学特性测试装置进行界面抗拉试验的方法，包括以下步骤： 

1）将试验用钢板按要求的尺寸切割成矩形待测钢板15，所述待测钢板15具有两个板面、上下两个端面和左右两个端面。将所述待测钢板15的下端面搁置在所述底座16的上表面3，并使得所述待测钢板15的两个板面与导轨11垂直。

2）在所述待测钢板15的两侧设置模具盒并浇筑混凝土，经养护后，使得所述待测钢板的两个板面分别与混凝土块Ⅰ17和混凝土块Ⅱ18黏结。所述混凝土块Ⅰ17的内侧与待测钢板15黏结、外侧与刚性盖板Ⅰ6连接；所述混凝土块Ⅱ18的内侧与待测钢板15黏结、外侧与刚性盖板Ⅱ9连接。即刚性盖板Ⅰ6和刚性盖板Ⅱ9均与混凝土块锚固。

3）在刚性盖板Ⅰ6和固定刚性挡板5之间安装连接件Ⅰ4，在刚性盖板Ⅱ9和可动刚性挡板10之间安装连接件Ⅱ13。所述连接件Ⅰ4和连接件Ⅱ13为刚性连接杆。即拖动可动刚性挡板10时，能够拖动刚性盖板Ⅱ9。

4）启动伺服液压加载装置12，使其对可动刚性挡板10施加拉力。直到待测钢板15与混凝土块Ⅰ17或混凝土块Ⅱ18的接触面破坏；即混凝土块Ⅰ17或混凝土块Ⅱ18脱离待测钢板15。

本实施例通过上述步骤，可以逐渐增加并测量出伺服液压加载装置对刚性盖板Ⅱ9施加的拉力，确定钢－砼接触界面受拉破坏时的极限拉应力

改变混凝土强度以及钢板表面粗糙度，重新制作被测试样。重复上述步骤进行试验，确定钢-砼界面抗拉特性与混凝土强度、界面粗糙度之间的关系。

Claims (6)

1.一种钢-砼接触界面力学特性测试装置，其特征在于：包括水平设置、且相互平行的至少两条导轨（11）；所述导轨（11）上安放底座（16），所述导轨（11）的两端分别安装有固定刚性挡板（5）和可动刚性挡板（10）；所述固定刚性挡板（5）与可动刚性挡板（10）的一个板面面向底座（16），所述固定刚性挡板（5）与导轨（11）的相对位置固定不变，所述可动刚性挡板（10）和底座（16）能够在外力作用下沿导轨（11）滑动；

所述底座（16）具有一个水平上端面（3）；试验时，所述上端面（3）承载被测试样（15）；所述被测试样（15）包括待测钢板（8）、混凝土块Ⅰ（17）和混凝土块Ⅱ（18），所述待测钢板（8）垂直放置在底座（16）的上端面（3），所述待测钢板（8）的两个板面分别面向固定刚性挡板（5）和可动刚性挡板（10），所述待测钢板（8）的两个板面分别与混凝土块Ⅰ（17）和混凝土块Ⅱ（18）黏结；所述混凝土块Ⅰ（17）面向固定刚性挡板（5）的侧面与刚性盖板Ⅰ（6）接触，所述混凝土块Ⅱ（18）面向可动刚性挡板（10）的侧面与刚性盖板Ⅱ（9）接触；试验时，所述刚性盖板Ⅰ（6）与固定刚性挡板（5）之间安装有连接件Ⅰ（4），所述刚性盖板Ⅱ（9）与可动刚性挡板（10）之间安装有连接件Ⅱ（13）；

所述导轨（11）的一侧具有水平加载及测量装置（1）；试验时，所述水平加载及测量装置（1）的伸缩端与所述待测钢板（8）连接，所述水平加载及测量装置（1）对待测钢板（8）施加垂直于导轨（11）方向的推力或拉力；

所述可动刚性挡板（10）背向被测试样（15）的板面与伺服液压加载装置（12）的压头连接；试验时，所述伺服液压加载装置（12）对可动刚性挡板（10）施加平行于导轨（11）方向的推力。

2.根据权利要求1所述的钢-砼接触界面力学特性测试装置，其特征在于：所述底座（16）的上端面（3）连接侧限装置Ⅰ（2）和侧限装置Ⅱ（7）；所述侧限装置Ⅰ（2）和侧限装置Ⅱ（7）限制被测试样（15）沿垂直于导轨（11）方向的移动。

3.一种采用权利要求1或2所述钢-砼接触界面力学特性测试装置进行等法向刚度试验的方法，其特征在于，包括以下步骤： 

1）将试验用钢板按要求的尺寸切割成矩形待测钢板（15），所述待测钢板（15）具有两个板面、上下两个端面和左右两个端面；将所述待测钢板（15）的下端面搁置在所述底座（16）的上表面（3），并使得所述待测钢板（15）的两个板面与导轨（11）垂直；所述待测钢板的左端面与水平加载装置（1）的伸缩端连接；

2）在所述待测钢板（15）的两侧设置模具盒并浇筑混凝土，经养护后，使得所述待测钢板的两个板面分别与混凝土块Ⅰ（17）和混凝土块Ⅱ（18）黏结；所述混凝土块Ⅰ（17）的内侧与待测钢板（15）黏结、外侧与刚性盖板Ⅰ（6）接触；所述混凝土块Ⅱ（18）的内侧与待测钢板（15）黏结、外侧与刚性盖板Ⅱ（9）接触；

3）在所述上表面（3）安装限制混凝土块Ⅰ和混凝土块Ⅱ沿垂直于导轨（11）方向移动的侧限装置Ⅰ（2）和侧限装置Ⅱ（7）；

4）在刚性盖板Ⅰ（6）和固定刚性挡板（5）之间安装连接件Ⅰ（4），在刚性盖板Ⅱ（9）和可动刚性挡板（10）之间安装连接件Ⅱ（13）；所述连接件Ⅰ（4）和连接件Ⅱ（13）为弹簧；

5）启动伺服液压加载装置（12），使其对可动刚性挡板（10）施加预设的载荷；之后，将伺服液压加载装置锁死，使得可动刚性挡板（10）的位置固定；

6）启动水平加载装置（1），使其对待测钢板（8）施加垂直于导轨（11）方向的推力；使得待测钢板（8）与两侧混凝土接触的界面发生剪切破坏；

7）通过水平加载装置（1）对待测钢板（8）施加与步骤6）所述推力方向相反的拉力，使待测钢板沿步骤6）的移动路径回到初始位置；

8）通过水平加载装置（1）对待测钢板（8）施加与步骤6）所述推力相同方向的推力，使待测钢板回到步骤6）终止时的位置；

9）重复步骤7）～8），直至待测钢板（8）与混凝土接触界面的剪切强度趋于稳定后结束操作。

4.一种采用权利要求1或2所述钢-砼接触界面力学特性测试装置进行等法向压力试验的方法，其特征在于，包括以下步骤： 

1）将试验用钢板按要求的尺寸切割成矩形待测钢板（15），所述待测钢板（15）具有两个板面、上下两个端面和左右两个端面；将所述待测钢板（15）的下端面搁置在所述底座（16）的上表面（3），并使得所述待测钢板（15）的两个板面与导轨（11）垂直；所述待测钢板的左端面与水平加载装置（1）的伸缩端连接；

2）在所述待测钢板（15）的两侧设置模具盒并浇筑混凝土，经养护后，使得所述待测钢板的两个板面分别与混凝土块Ⅰ（17）和混凝土块Ⅱ（18）黏结；所述混凝土块Ⅰ（17）的内侧与待测钢板（15）黏结、外侧与刚性盖板Ⅰ（6）接触；所述混凝土块Ⅱ（18）的内侧与待测钢板（15）黏结、外侧与刚性盖板Ⅱ（9）接触；

3）在所述上表面（3）安装限制混凝土块Ⅰ和混凝土块Ⅱ沿垂直于导轨（11）方向移动的侧限装置Ⅰ（2）和侧限装置Ⅱ（7）；

4）在刚性盖板Ⅰ（6）和固定刚性挡板（5）之间安装连接件Ⅰ（4），在刚性盖板Ⅱ（9）和可动刚性挡板（10）之间安装连接件Ⅱ（13）；所述连接件Ⅰ（4）和连接件Ⅱ（13）为弹簧；

5）启动伺服液压加载装置（12），使其对可动刚性挡板（10）施加预设的载荷；在之后的试验过程中，保持所述预设载荷不变；

6）启动水平加载装置（1），使其对待测钢板（8）施加垂直于导轨（11）方向的推力；使得待测钢板（8）与两侧混凝土接触的界面发生剪切破坏；

7）通过水平加载装置（1）对待测钢板（8）施加与步骤6）所述推力方向相反的拉力，使待测钢板沿步骤6）的移动路径回到初始位置；

8）通过水平加载装置（1）对待测钢板（8）施加与步骤6）所述推力相同方向的推力，使待测钢板回到步骤6）终止时的位置；

9）重复步骤7）～8），直至待测钢板（8）与混凝土接触界面的剪切强度趋于稳定后结束操作。

5.一种采用权利要求1或2所述钢-砼接触界面力学特性测试装置进行无限大法向刚度试验的方法，其特征在于，包括以下步骤： 

1）将试验用钢板按要求的尺寸切割成矩形待测钢板（15），所述待测钢板（15）具有两个板面、上下两个端面和左右两个端面；将所述待测钢板（15）的下端面搁置在所述底座（16）的上表面（3），并使得所述待测钢板（15）的两个板面与导轨（11）垂直；所述待测钢板的左端面与水平加载装置（1）的伸缩端连接；

2）在所述待测钢板（15）的两侧设置模具盒并浇筑混凝土，经养护后，使得所述待测钢板的两个板面分别与混凝土块Ⅰ（17）和混凝土块Ⅱ（18）黏结；所述混凝土块Ⅰ（17）的内侧与待测钢板（15）黏结、外侧与刚性盖板Ⅰ（6）接触；所述混凝土块Ⅱ（18）的内侧与待测钢板（15）黏结、外侧与刚性盖板Ⅱ（9）接触；

3）在所述上表面（3）安装限制混凝土块Ⅰ和混凝土块Ⅱ沿垂直于导轨（11）方向移动的侧限装置Ⅰ（2）和侧限装置Ⅱ（7）；

4）在刚性盖板Ⅰ（6）和固定刚性挡板（5）之间安装连接件Ⅰ（4），在刚性盖板Ⅱ（9）和可动刚性挡板（10）之间安装连接件Ⅱ（13）；所述连接件Ⅰ（4）和连接件Ⅱ（13）为刚性连接杆；

5）启动伺服液压加载装置（12），使其对可动刚性挡板（10）施加预设的载荷；之后，将伺服液压加载装置锁死，使得可动刚性挡板（10）的位置固定；

6）启动水平加载装置（1），使其对待测钢板（8）施加垂直于导轨（11）方向的推力；使得待测钢板（8）与两侧混凝土接触的界面发生剪切破坏；

7）通过水平加载装置（1）对待测钢板（8）施加与步骤6）所述推力方向相反的拉力，使待测钢板沿步骤6）的移动路径回到初始位置；

8）通过水平加载装置（1）对待测钢板（8）施加与步骤6）所述推力相同方向的推力，使待测钢板回到步骤6）终止时的位置；

9）重复步骤7）～8），直至待测钢板（8）与混凝土接触界面的剪切强度趋于稳定后结束操作。

6.一种采用权利要求1或2所述钢-砼接触界面力学特性测试装置进行界面抗拉试验的方法，其特征在于，包括以下步骤： 

1）将试验用钢板按要求的尺寸切割成矩形待测钢板（15），所述待测钢板（15）具有两个板面、上下两个端面和左右两个端面；将所述待测钢板（15）的下端面搁置在所述底座（16）的上表面（3），并使得所述待测钢板（15）的两个板面与导轨（11）垂直；所述待测钢板的左端面与水平加载装置（1）的伸缩端连接；

2）在所述待测钢板（15）的两侧设置模具盒并浇筑混凝土，经养护后，使得所述待测钢板的两个板面分别与混凝土块Ⅰ（17）和混凝土块Ⅱ（18）黏结；所述混凝土块Ⅰ（17）的内侧与待测钢板（15）黏结、外侧与刚性盖板Ⅰ（6）连接；所述混凝土块Ⅱ（18）的内侧与待测钢板（15）黏结、外侧与刚性盖板Ⅱ（9）连接；

3）在刚性盖板Ⅰ（6）和固定刚性挡板（5）之间安装连接件Ⅰ（4），在刚性盖板Ⅱ（9）和可动刚性挡板（10）之间安装连接件Ⅱ（13）；所述连接件Ⅰ（4）和连接件Ⅱ（13）为刚性连接杆；

4）启动伺服液压加载装置（12），使其对可动刚性挡板（10）施加拉力；直到待测钢板（15）与混凝土块Ⅰ（17）或混凝土块Ⅱ（18）的接触面破坏。

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