一种钢筋–灌浆料粘结性能测试装置

本发明涉及土木工程结构试验与检测，具体涉及一种用于装配式混凝土结构中钢筋–灌浆套筒连接接头的粘结–滑移性能测试装置及方法，属于钢筋与灌浆料界面粘结滑移性能测试技术。

背景技术：

1、装配式混凝土结构因工厂化生产、施工速度快和质量可控等优点，已在房建和桥梁工程中得到广泛应用。灌浆套筒钢筋连接作为装配式结构中纵向受力钢筋的主要连接形式，其连接质量直接关系到结构整体性和抗震性能。钢筋–灌浆–套筒体系的粘结–滑移规律及其本构模型，是灌浆连接设计、验算与数值分析的基础。

2、现有对钢筋混凝土或钢筋灌浆连接粘结性能的测试装置主要有两类：一类依托万能试验机等大型设备，通过拉拔试验获得平均粘结应力–滑移关系；另一类为可携式或自平衡加载装置，通过千斤顶等动力源在现场或实验室内进行拉拔试验。例如，已有自平衡式钢筋与混凝土粘结滑移测试装置，通过顶部和底部钢板及螺杆形成自平衡体系，以千斤顶为动力，对钢筋–混凝土试件进行拉拔，解决了对大型万能试验机的依赖问题；又如针对施工现场钢筋灌浆套筒连接接头的试验装置，采用刚度块、液压千斤顶和加载框架，对灌浆套筒连接接头实施单向拉伸和反复拉压试验，用以检验接头强度与残余变形；还有专门用于钢筋套筒灌浆连接接头残余变形测试的装置，通过夹持架和千分表测量接头在标准拉伸加载制度下的残余变形。这些技术对推动灌浆套筒连接现场检测和力学性能评估发挥了重要作用。

3、然而，经对上述公开技术的对比分析可知：

4、1加载方式方面：现有自平衡或现场测试装置多采用手动或普通液压千斤顶加载，依靠操作人员分级加压，并通过机械式量表读数记录数据。加载速率和加载历程难以精确控制，力与位移往往不能实现闭环自动控制，试验数据的时间同步性较差，难以获得高分辨率、可重复的全过程粘结–滑移曲线。

5、2约束应变测量方面：针对钢筋–混凝土或钢筋–灌浆体系的既有拉拔试验，多数仅在试件外表面单点或少量截面布置钢筋或混凝土应变片，有的仅测钢筋应变而不测约束体应变；对于灌浆套筒类试件，往往只在套筒外壁单一截面、单一方位粘贴环向应变片。该类布点无法捕捉套筒周向和轴向约束应力的非均匀分布，更难以识别局部粘结退化、劈裂开裂等非均匀破坏过程。

6、3滑移测量与位移分解方面：现有装置多在钢筋自由端布置位移计，直接将加载端相对位移作为界面滑移量或经简单修正后使用。但该位移同时包含：加载装置和承压钢板等构件的弹性变形；– 灌浆体、套筒及外部约束构件的压缩或弯曲变形；钢筋本身沿锚固段的弹塑性伸长。由于缺乏自由端与固定端双向位移监测及相应分解算法，难以从整体位移中准确剥离界面真实滑移分量，从而影响τ–s曲线及本构参数的可信度。

7、4系统化本构反演方面：现有技术以极限承载力、平均粘结应力或整体残余变形评估灌浆套筒连接性能，对套筒沿锚固长度的局部约束应力演化、粘结退化过程和多段式粘结–滑移本构曲线的直接试验标定涉及较少。缺乏专门面向钢筋–灌浆–套筒体系、能够联合利用多点环向应变场与滑移分解结果进行本构反演的成套测试技术。

8、综上所述，现有技术尚未提供一种将自平衡加载、电伺服自动控制、多点环向应变测量与双端位移分解算法有机结合，可针对钢筋–灌浆–套筒连接接头获取二维约束应力场和真实界面滑移的系统化测试装置与方法。特别是，对于套筒灌浆连接这一特定连接形式，尚无公开技术同时解决：在自平衡紧凑装置中实现力/位移闭环电伺服加载；在套筒外壁沿周向和锚固长度二维布置环向应变测点，并据此反算局部径向约束应力；通过自由端与固定端位移及钢筋应变场，分解钢筋变形与界面滑移，构建精细化粘结应力–滑移关系并用于本构反演。

9、因此，有必要提供一种基于自平衡拉拔、电伺服加载、多点环向应变测量与双端位移分解的一体化钢筋–灌浆料粘结性能测试装置及方法，以克服现有技术中加载方式落后、应变测量维度不足、滑移测量不精确及缺乏系统化本构反演手段等问题，提高灌浆套筒连接粘结性能试验的精度和工程适用性。

技术实现思路

1、本发明针对现有钢筋–灌浆–套筒粘结性能试验中存在的如下问题：

2、1加载方式落后、时间同步性差：现场或自平衡拉拔装置多采用手动或普通液压千斤顶加载，不能实现力/位移闭环伺服控制，加载速率和加载历程难以精确控制，荷载、位移和应变数据难以在统一时间轴上高精度同步采集，导致粘结–滑移全过程曲线离散度大、重复性差。

3、2环向应变测量维度不足：现有灌浆套筒试验大多仅在套筒外壁单一截面、单一方位布置环向应变片，难以反映套筒沿周向和锚固长度方向的非均匀约束状态，容易漏检局部破坏和粘结退化过程。

4、3滑移测量不精确：常用做法只在自由端测量位移，将其近似视为界面滑移，而未扣除加载系统弹性压缩、约束构件变形以及钢筋沿锚固段的弹塑性伸长，导致得到的粘结应力–滑移(τ–s)关系偏离真实界面行为。

5、4缺乏系统化本构反演手段：现有试验多停留在极限承载力和平均粘结强度评价层面，难以基于二维约束应力场和真实滑移数据直接标定钢筋–灌浆–套筒界面的多段式粘结–滑移本构模型。

6、本发明的目的在于提供一种钢筋–灌浆料粘结性能测试装置及方法，通过电伺服加载、多截面多方位环向应变测量以及自由端/固定端双向位移分解，精确获取钢筋–灌浆–套筒体系的粘结–滑移–约束应力演化规律，从而提高试验结果的准确性和工程适用性。

7、为实现上述目的，本发明采用如下技术方案。

8、1自平衡加载装置与试件组件

9、如图1所示，本发明的测试装置包括自平衡加载框架、试件组件、电伺服加载单元、多点环向应变测量系统、双端位移测量系统以及同步数据采集与处理单元。

10、自平衡加载框架由上承压钢板、下承压钢板以及至少两根立柱或拉杆构成，上下承压钢板通过立柱或拉杆刚性连接，形成闭合受力体系。

11、试件组件包括：灌浆套筒、套筒内的灌浆料以及穿过灌浆体的钢筋。钢筋两端分别与自由端锚具和固定端锚具连接，套筒通过过渡支承件与承压钢板或加载框架连接。

12、电伺服加载单元优选为电液伺服作动器或电机–丝杠加载机构，其输出端通过中空油缸或拉杆与钢筋自由端锚具连接，其反力由上、下承压钢板及立柱共同承担，从而在紧凑空间内形成自平衡拉拔力流，无需依赖大型反力墙。

13、2多点环向应变测量系统

14、为获取套筒外壁的二维环向应变分布，如图2所示，在灌浆套筒外壁沿锚固长度方向布置若干测点截面，每个截面周向上均布至少三片环向应变片，优选3～8片。至少设置3个以上轴向截面，使得所有应变片共同构成轴向–周向二维应变测量网格。

15、在需要时，可在钢筋锚固段沿长度布置若干钢筋应变片，用于测定钢筋轴向应变分布，为后续滑移分解和钢筋弹塑性变形分析提供数据支持。

16、3双端位移测量与滑移分解

17、如图3所示，在钢筋自由端和固定端分别布置高精度位移传感器：自由端位移传感器用于测量钢筋自由端锚具相对于上承压钢板或独立参考构件的位移；固定端位移传感器用于测量套筒端面或固定端锚具相对于下承压钢板或独立参考构件的相对位移。

18、通过上述双端位移与钢筋应变数据，配合装置及构件的已知刚度参数，利用弹性压缩与刚体位移分解算法，将整体端部位移分解为：加载系统及承压钢板的弹性压缩与刚体位移；灌浆体和套筒的整体变形；钢筋沿锚固长度的弹性/弹塑性伸长；钢筋相对灌浆体界面的真实滑移。

19、将前三部分从自由端/固定端组合位移中扣除，剩余部分视为界面滑移量，并可按锚固长度分段分配，得到沿长度方向的滑移分布。

20、4同步数据采集与约束应力反算

21、如图4所示，同步数据采集与处理单元与电伺服加载单元、各位移传感器、各环向应变片以及钢筋应变片电连接，能够在统一时间轴上高频同步采集加载力、钢筋端部位移、套筒环向应变和钢筋轴向应变。

22、在数据处理阶段，基于厚壁圆筒理论，将各截面周向环向应变换算为该截面的环向应力和径向约束应力分布；结合轴向分布的各截面径向应力，获得钢筋–灌浆界面沿锚固长度的局部约束应力演化；再与通过滑移分解得到的界面滑移对应，构建不同位置、不同阶段的粘结应力–滑移(τ–s)关系。

23、5粘结–滑移本构标定方法

24、在上述装置和测量基础上，本发明提出一种适用于钢筋–灌浆–套筒连接的粘结–滑移本构标定方法：通过多次加载工况（单调拉拔、分级加载或循环加载），获取多组荷载–滑移–约束应力数据；对各局部段τ–s数据进行分段线性或分段非线性拟合，识别初始上升段、峰值段、软化段和残余段；综合不同截面、不同周向位置数据，标定适用于该类套筒参数（直径、壁厚、锚固长度、灌浆材料等）的多段式粘结–滑移本构模型参数；所得本构模型可直接用于装配式结构节点的非线性有限元分析和性能化设计。

25、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

26、1实现紧凑自平衡条件下的电伺服闭环加载：在传统自平衡结构基础上引入电液伺服或电机–丝杠加载单元，既保持装置紧凑、自支撑的优点，又实现力/位移闭环控制和自动加载程序，显著提高试验过程的可控性和重复性。

27、2获取套筒外壁二维环向应变场：沿锚固长度和周向布置多点环向应变片，相较于单截面单方位布点，能够识别套筒约束应力的非均匀分布与局部退化特征，为分析劈裂破坏、局部剥离等复杂破坏模式提供试验依据。

28、3基于双端位移分解的真实界面滑移测量：通过自由端与固定端位移联合测量，并利用钢筋应变场与装置刚度参数，对整体位移进行弹性压缩与刚体位移分解，从中剥离出钢筋相对灌浆体的真实界面滑移，较传统单端位移测量大幅提高τ–s曲线的精度。

29、4提供系统化粘结–滑移本构反演技术：将多点环向应变反算得到的局部约束应力分布与滑移分解结果相结合，可直接构建局部粘结应力–滑移关系，用于标定钢筋–灌浆–套筒连接的多段式本构模型，填补了现有技术在该类连接精细本构试验标定方面的不足。

30、5工程适用性强：装置结构简单紧凑，便于在普通实验室条件下搭建；加载单元和数据采集系统具有较高的通用性，可根据不同规格钢筋和套筒灵活调整，适合科研和工程检测单位推广使用。