摘要：隨著我國(guó)建造了像溪洛渡高拱壩這樣的大體積混凝土建筑物，混凝土受拉性能的研究越來(lái)越引起人們的重視。本文介紹了利用自行研制的簡(jiǎn)易拉伸試驗(yàn)系統(tǒng)，對(duì)尺寸為450mm×450mm×1350mm 三級(jí)配混凝土試件進(jìn)行單軸受拉試驗(yàn)，成功采用預(yù)埋螺桿的連接方法實(shí)現(xiàn)了該試件拉伸試驗(yàn)，并繪出了相應(yīng)的應(yīng)力～變形全曲線(xiàn)。
關(guān)鍵詞：混凝土；單軸拉伸；連接方式；應(yīng)力～變形全曲線(xiàn)
1．引言
混凝土是民用工程中一種應(yīng)用極其廣泛的建筑材料，也是國(guó)防安全防護(hù)工程中常用的重要工程材料，對(duì)其力學(xué)性能的研究對(duì)充分發(fā)揮材料強(qiáng)度、降低工程造價(jià)、更合理地設(shè)計(jì)混凝土結(jié)構(gòu)物具有十分重要的意義。
實(shí)際工程中混凝土結(jié)構(gòu)的最終破壞多取決于受壓區(qū)混凝土的性能，因此混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算中并沒(méi)有十分強(qiáng)調(diào)其拉伸性能。近年來(lái)，隨著我國(guó)在西南高烈度地震地區(qū)修建了像溪洛渡高拱壩這樣的大體積混凝土建筑物，由于其壩體應(yīng)力情況比較復(fù)雜，有時(shí)不便配置鋼筋來(lái)抵抗拉力，只能通過(guò)混凝土自身的抗拉能力抵抗外荷載。這種情況下，混凝土自身的拉伸性能已成為高拱壩安全的決定因素。
1998 年，陳萍[1]等人對(duì)三級(jí)配混凝土的拉伸全曲線(xiàn)進(jìn)行了試驗(yàn)研究，其中試件截面尺寸達(dá)到250mm×250mm，這是國(guó)內(nèi)當(dāng)時(shí)所做過(guò)的最大尺寸試件。但是由于受到試驗(yàn)裝置、試件制作等因素的影響，有關(guān)大尺寸混凝土試件直接軸心受拉的試驗(yàn)仍然比較稀少，因此筆者決定選擇三級(jí)配大尺寸混凝土作為研究對(duì)象，從而對(duì)其軸心受拉性能作一定的研究。
2．試驗(yàn)原理與方法
本次三級(jí)配大尺寸混凝土軸心受拉試驗(yàn)在河海大學(xué)結(jié)構(gòu)試驗(yàn)室進(jìn)行，混凝土試件尺寸為450mm×450mm×1350mm。在試件澆筑中，選用的水泥強(qiáng)度等級(jí)為42.5，骨料采用三級(jí)配碎石，最大骨料粒徑80mm。
2.1 混凝土試件制作
使用自落式大功率攪拌機(jī)將原材料攪拌均勻后，將混凝土澆到450mm×450mm×1350mm
的鋼模中，用插入式振搗棒振搗成型，兩天后拆模，室溫自然養(yǎng)護(hù)30 天后進(jìn)行試驗(yàn)。本次試驗(yàn)共成型試件2 根，試件編號(hào)分別為1、2。
試件兩端的預(yù)埋筋是通過(guò)特制模板進(jìn)行定位的，如圖1 示。試件兩端預(yù)埋鋼筋分別采用12根φ18 A3 螺桿，該螺桿全長(zhǎng)車(chē)有螺紋。成型試件如圖2 所示。
2.2 試驗(yàn)裝置
本次試驗(yàn)裝置選取了河海大學(xué)陳玉泉等人自行研制的大剛度試驗(yàn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)在剛度測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，可實(shí)現(xiàn)截面尺寸為450mm×450mm 混凝土單軸拉伸全曲線(xiàn)測(cè)試的試驗(yàn)方案，2006 年李軍[2]等人首次利用該設(shè)備對(duì)混凝土的單軸拉伸的應(yīng)力~應(yīng)變?nèi)€(xiàn)進(jìn)行了試驗(yàn)研究。本次試驗(yàn)裝置各組成部件和構(gòu)成關(guān)系見(jiàn)圖3 和圖4。該裝置主要有以下兩個(gè)創(chuàng)新點(diǎn)：1.本裝置采用阻尼器作為并聯(lián)剛性組件，2.試件端部連接采用預(yù)埋鋼筋方式。
2.3 試驗(yàn)測(cè)量方法與設(shè)備
本次試驗(yàn)選取試件正面和反面中部450mm 范圍作為變形量測(cè)標(biāo)距，另選取正反面?zhèn)冗吀浇?300mm 標(biāo)距內(nèi)千分表的位移對(duì)試驗(yàn)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。如圖5 所示。
本次試驗(yàn)試件的軸向拉力采用自制拉力傳感器進(jìn)行測(cè)量，量程達(dá)到1500KN，變形量測(cè)采用6 只電測(cè)千分表，精度為0.5μm，千分表的量測(cè)標(biāo)距和位置如圖5-1 所示。試驗(yàn)開(kāi)始前依次將1 號(hào)～6 號(hào)電測(cè)千分表以半橋接法接入DH5937 動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀的4-1～4-6 通道，將力傳感器以全橋接法接入4-7 通道，將動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀通過(guò)并口EPP 模式與微型計(jì)算機(jī)相連，試驗(yàn)中即通過(guò)與DH5937 動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀配套的DHDAS 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)高速采集數(shù)據(jù)。由于該系統(tǒng)可將兩通道內(nèi)的測(cè)得的數(shù)據(jù)以X-Y 函數(shù)的窗口形式表示，這給混凝土軸拉曲線(xiàn)的測(cè)試帶來(lái)了很大的方便，正式試驗(yàn)首先打開(kāi)四個(gè)X-Y 記錄繪圖窗口，自變量X 分別采用監(jiān)測(cè)用的四個(gè)千分表實(shí)時(shí)測(cè)得的位移數(shù)據(jù)，因變量Y 采用4-7 號(hào)通道內(nèi)測(cè)得的荷載數(shù)據(jù)，試驗(yàn)中筆者即通過(guò)觀(guān)察四條曲線(xiàn)的走勢(shì)實(shí)現(xiàn)千斤頂加卸載的控制。
3．試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析
本次試驗(yàn)測(cè)得了試件的應(yīng)力～變形全曲線(xiàn)，分別由所對(duì)應(yīng)通道測(cè)試到的荷載和變形數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行轉(zhuǎn)換得到的。由于測(cè)得的原始數(shù)據(jù)點(diǎn)包含了高頻噪聲的影響，因此通過(guò)Microsoft Office 系列的EXCEL 軟件[3]對(duì)各通道數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理，濾波方法為各通道內(nèi)每0.1 秒內(nèi)數(shù)據(jù)取一個(gè)平均值。試件1、2 的試驗(yàn)結(jié)果如表2 所示。
對(duì)試驗(yàn)所得的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，繪出混凝土的應(yīng)力～變形全曲線(xiàn)，具體的處理方法是：由于試件的相對(duì)側(cè)面受偏心影響的效果是相反的，因此，將相對(duì)側(cè)面的變形相加然后再平均（假設(shè)試件在變形過(guò)程中每個(gè)截面均保持平行），然后得到的曲線(xiàn)就更能反映試件形心處的應(yīng)力～變形關(guān)系。本次試驗(yàn)所得的混凝土應(yīng)力～變形全曲線(xiàn)如圖6 和圖7 所示。
4．結(jié)論
本文利用自制的試驗(yàn)機(jī)，對(duì)450mm×450mm×1350mm 三級(jí)配混凝土試件進(jìn)行了軸拉全曲線(xiàn)的測(cè)定，本次試驗(yàn)中的試件尺寸是迄今為止國(guó)內(nèi)所做過(guò)的同類(lèi)試驗(yàn)中的最大尺寸。本次試驗(yàn)有助于人們對(duì)大體積混凝土的斷裂性能的深入了解，為混凝土結(jié)構(gòu)的非線(xiàn)性分析提供了一些相關(guān)的參數(shù)。
本次試驗(yàn)采用端部預(yù)埋鋼筋的連接方式，試驗(yàn)過(guò)程中得到了較好裂縫位置，驗(yàn)證了這種連接方式在大尺寸混凝土軸向受拉試驗(yàn)中具有可行性。
本文對(duì)所得的拉伸試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，并對(duì)整理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，混凝土單軸拉伸全曲線(xiàn)為混凝土單軸拉伸應(yīng)力～變形全曲線(xiàn)，具有一定的參考使用價(jià)值。
參考文獻(xiàn)
[1] 陳萍,混凝土軸向拉伸應(yīng)力～變形曲線(xiàn)試驗(yàn)研究[D]. 河海大學(xué)碩士論文,1998.
[2] 李軍,混凝土單軸拉伸應(yīng)力～變形全曲線(xiàn)試驗(yàn)研究[D]. 河海大學(xué)碩士論文,2006.
[3] Microsoft EXCEL 軟件操作手冊(cè)[M]
