CN101650285B - 混凝土材料弯曲疲劳试验机 - Google Patents

Abstract

一种混凝土材料弯曲疲劳试验机，加载主体固定于外框架内由动力机构驱动，加载主体产生的惯性力的竖向分力实现混凝土试件的疲劳加载。外框架设有安装于外框架两侧的螺杆，螺杆贯穿刚性横梁两端通过螺母固定；刚性横梁通过拉簧与加载主体相连。加载主体的转动轴设置于X形框架的交叉点位置，其下连接质量块。X形框架端部设有滚动滑轮，外框架对应位置设置供滑轮滚动的导轨。显屏控制的数字显示屏、接触器与动力机构通过导线相连由开关控制以开启和关闭电机。本发明的质量块旋转所产生的惯性力竖向分量作为循环荷载，降低了试验成本。且外框架上涂防锈液，加载主体及外框架的导轨采用发黑工艺处理进行防锈处理，实现装置在环境箱中加载。

Description

混凝土材料弯曲疲劳试验机

技术领域

本发明属土木工程领域，具体涉及施加疲劳荷载的加载工具，尤其是一种为研究混凝土材料在疲劳荷载作用下的耐久性能提供的试验机。

背景技术

混凝土耐久性已成为当今世界混凝土结构研究的热点。混凝土桥梁长期在车辆荷载下工作，还要接受外部环境作用的影响，如碳化、氯盐侵蚀等等。当混凝土碳化深度或氯盐侵蚀深度到钢筋表面时，在水和氧气的作用下，钢筋锈蚀产生，混凝土结构达到其耐久性极限。准确的预测结构耐久性寿命是当前耐久性研究的一个难题，要实现这一目标，必须要建立相应的试验技术。

现有的耐久性试验多是将混凝土材料放入环境箱中进行加速试验，但没有考虑荷载的影响，与实际情况不符。有学者通过自行设计开发出了自平衡加载装置，但对混凝土试件只能施加静力荷载。现有的疲劳加载装置多为液压伺服疲劳试验机，它们加载力量大、控制方便，但在耐久性方面还存在两个难题：一是人工气候环境模拟箱对疲劳试验机各零配件的防锈要求高、且液压式疲劳试验机成本昂贵，用于环境和疲劳荷载耦合作用下的混凝土耐久性试验不经济也不够可靠；二是环境箱体积偏小，现有液压式疲劳试验机占用空间大，与环境箱的共同作用还比较困难。

发明内容

本发明目的在于提供一种混凝土材料弯曲疲劳试验机，其既能为混凝土材料施加疲劳荷载，又因为其良好的防锈性能能够放置在环境箱中进行加载工作，且经济成本较低。

为了达到以上目的，本发明的解决方案是：

一种混凝土材料弯曲疲劳试验机，其包括外框架、加载主体、动力机构和显屏控制，加载主体固定于外框架内，动力机构驱动加载主体，加载主体产生的惯性力的竖向分力实现混凝土试件的疲劳加载，显屏控制开启和关闭动力机构的工作；所述加载主体包括X形框架、转动轴、质量块，转动轴设置于X形框架的交叉点位置，其下连接质量块，带动质量块在垂直平面内转动，实现惯性力的竖向分力加载。

进一步，所述外框架采用桁架式结构，其底部外框架底板为工字式结构。

所述转动轴、质量块均设有连杆，通过带内螺纹旋钮连接固定两连杆。

所述加载主体与外框架之间活动连接，优选地，在外框架上设置位置可变的刚性横梁，通过拉簧连接横梁与加载主体上部，更为优选地，拉簧为对称设置的两根。

所述加载主体的X形框架端部设有滚动滑轮，外框架对应位置设置供滑轮滚动的导轨。

所述动力机构为电动机，其电机输出轴通过双链条与加载主体的转动轴相连，优选的，所述双链条上还设有张紧轮。

所述显屏控制包括数字显示屏、接触器和开关，数字显示屏、接触器与电机之间通过导线相连以控制电机，开关放置在混凝土试件下部，与数字显示屏相连。显屏控制的作用在于可以显示电机旋转速度、累计圈数、设定电机停转圈数。此外，当混凝土试件发生疲劳破坏时，断裂的混凝土试件将压在下面的开关上，数字显示屏接到信号后将通知接触器，接触器断开电机电流，停止电机继续转动。

所述外框架上涂防锈液，具体为先在构件表面除锈，然后于其表面涂防锈液2层，其后再刷2层油漆作为外观处理；加载主体及外框架的导轨采用发黑工艺处理，具体为将钢铁制品表面迅速氧化，使之形成致密的氧化膜保护层。

进一步，所述外框架包括螺杆，螺母，导轨，刚性横梁，拉簧；导轨固定安装于外框架两侧内部；所述螺杆平行于导轨固定安装于外框架的两侧，贯穿刚性横梁两端；螺母和刚性横梁安装在螺杆上，刚性横梁位于螺母上部；拉簧一端与刚性横梁相连，另一端安装在加载主体上。

所述拉簧采用不锈钢材料。

所述加载主体包括转动轴，质量块，连杆，带内螺纹旋钮；所述转动轴、质量块均设有连杆，通过带内螺纹旋钮连接固定两连杆，旋动该旋钮可以改变质量块与转动轴之间的旋转半径。

所述加载主体与外框架之间的接触部位采用滚动式滑轮，以外框架上的导轨为轨道。

所述电机固定安装在加载主体上部，电机通过螺栓固定在基座钢板上，基座钢板焊接在加载主体上部。

所述电机与转动轴之间采用双链条传动。

所述电机工作电压为380V，防水等级为IP55。

所述加载主体还包括张紧轮，固定安装于链条中间位置。

本发明的原理在于质量块体在绕水平轴旋转过程中会产生惯性力，该惯性力的竖向分量为一变化值，进而可以实现对混凝土试件的正弦波方式加载。

使用本装置，通过详细的动荷载测试检验了其可靠性。试验采取：将传感器放置在刚性分配梁上部，测试装置启动后对混凝土的加载力变化时程曲线，测试结果显示，加载力时程曲线近似正弦波周期变化，且在整个加载过程中，试验机噪音小，稳定性高。

由于质量块旋转速度和旋转半径均可调，改变质量块的旋转半径或旋转速度，即可实现加载力大小的改变，本试验机最大的加载力幅值可达950N，适合于混凝土材料的弯曲疲劳试验。在设计和加工过程中，对试验机可能存在的问题做了全面的思考和分析，并给出了合理的解决措施，测试结果反映试验机工作稳定，加载力能达到预期要求。

由于采用了以上技术方案，本发明具有以下有益效果：

本发明结构简单，拆装方便，解决了混凝土耐久性方面的两个难题：一方面由于采用交流电机作用为动力源，质量块旋转所产生的惯性力竖向分量作为循环荷载，大大降低了试验成本；另一方面整个装置都有防锈处理，且试验机的体积空间占用量小，能方便的将装置放入大型的人工气候环境模拟箱中，实现疲劳荷载与环境共同作用下的混凝土耐久性试验研究。

附图说明

图1是本发明一种实施例的整机主视图。

图2是图1所示实施例的整机侧视图。

图3是图1所示实施例的电机和显屏控制连接示意图。

图4是图1所示实施例的电机和加载主体主视图。

图5是图1所示实施例的电机和加载主体侧视图。

图6是本发明的外框架主视图。

图7是本发明的外框架侧视图。

图8是本发明的混凝土试件加载示意图。

图9是本发明的装置立体图。

图10是试验机加载力时程曲线。

具体实施方式

以下结合附图所示实施例对本发明作进一步的说明。

本发明主要由四个部分组成：加载主体、交流电机、外框架和显屏控制。如图1-2所示，为本发明一种实施例的整机示意图，包括螺杆1，刚性横梁2，电机3，拉簧4，双链条5，转动轴6，带内螺纹旋钮7，导轨8，旋转质量块9，滚动滑轮10，刚性分配梁11，混凝土试件12，底板13，螺母14，张紧轮15，支撑滚轴16。外框架外部空间主要由显屏控制组成，如图3所示，其包含数字显示屏、接触器和开关。数字显示屏、接触器和电机三者采用导线进行两两相互连接，数字显示屏可以显示电机的转数和累积旋转圈数，并可设定电机停转的累积圈数，接触器起到电路开关的功能，其连接的380V交流电源是电机工作所需要的电源。开关通过接触器起作用，当开关上部受压时，电机工作电流被切断，反之则连通。外框架内部空间按照从上到下的顺序可以分为加载主体上部空间(以下简称上部)，加载主体中部空间(以下简称中部)和加载主体下部空间(以下简称下部)，其中螺杆1、刚性横梁2、电机3、拉簧4、螺母14位于上部；转动轴6、带内螺纹旋钮7、旋转质量块9、滚动滑轮10、张紧轮15位于中部；刚性分配梁11、混凝土试件12、底板13、支撑滚轴16位于下部。螺杆1平行固定于外框架的内侧，贯穿刚性横梁2；刚性横梁2安装在外框架上，可沿螺杆1上下移动，其高度可以通过螺母14进行调节；采用不锈钢材质的拉簧4一端与刚性横梁2相连，另一端安装在加载主体上；电机3安装在加载主体的上部，电机输出轴与转动轴6之间采用双链条5连接，且链条中间有一张紧轮15；旋转质量块9与转动轴6固定连接，带内螺纹旋钮7安装在旋转质量块9与转动轴6之间的连杆之上，可实现两者之间连接距离的改变；加载主体与外框架之间的接触部安装采用滚动式滑轮10，滑轮10在导轨8上滚动；导轨8采用内六角螺钉被固定在外框架上的内侧；混凝土试件12，刚性分配梁11和支撑轴16按从下往上的顺序放在外框架的下部；加载主体采用X形设计；外框架底板13则采用工字式设计。

交流电机3通过链条5连接转动轴6，继而带动质量块体9围绕转动轴6旋转，旋转过程中的质量块体9有较大的惯性力，利用该惯性力的竖向分力可以实现对混凝土试件的疲劳加载。

疲劳试验机在对混凝土试件加载时整体稳定性能良好，这和设计时细节考虑全面有关。质量块9在旋转过程中，其产生的惯性力会存在水平分力，采用空间桁架式结构的外框架能有效约束加载主体的左右晃动，同时又减轻了外框架的自重；为了防止加载过程中质量块9的竖向惯性力被加载主体与外框架之间的摩擦力抵消，在两者的接触处采用了滚动式 滑轮10，滑轮10可以在导轨8上滚动，导轨8被固定在外框架上的内侧；滚动滑轮10作为加载主体的一部分，其与导轨8之间的距离可由连接在滚动滑轮10尾部的螺母调节，拧紧螺母，滚动滑轮10固定在加载主体上不动，拧松螺母，滚动滑轮10则可以在加载主体上缩进伸出，从而达到改变滚动滑轮10与导轨8之间的距离，方便装置的组装与调试；在加载主体上安装了不锈钢材质的拉簧4，拉簧4另一端与安装在外框架上的刚性横梁2相连，刚性横梁2的高度可以调节，即可改变拉簧施加给加载主体的拉力，达到降低加载主体和电机作用在混凝土试件上的重力荷载；在外框架外部的显屏控制，能够有效的控制电机的启动与关闭，并显示和保存试验数据。当停电事件发生时，数字显示屏能存储当前电机已经旋转过的累积圈数；当电机旋转圈数达到预先设定值时，显屏控制能切断电机电路，停止试验机对混凝土试件的继续加载；当混凝土试件达到疲劳寿命而发生破坏时，显屏控制也将切断电机电路，停止试验机的继续工作。

加载主体部分：主要由X形框架、转动轴6、张紧轮15、滚动滑轮10和质量块9组成。

主体部分设计成X形，简单实用且美观。转动轴6与电机3的输出轴通过链条5连接，与质量块9通过连杆连接，带动质量块9在垂直平面内转动。滚动滑轮10与导轨8之间的距离可由连接在滚动滑轮10尾部的螺母调节，方便装置的组装与调试，同时，滚动滑轮10与导轨8之间的低摩擦，使得加载过程中质量块9的竖向惯性力能有效的加在混凝土试件12上；张紧轮15位于链条5中间，将链条3拉紧，对电机3输出轴与转动轴6之间的协调工作起到了一定的作用。

旋转质量块体9为圆柱体铁块，重量为9.8kg，可以调节它的旋转速度和旋转半径，进而可以改变试验机对混凝土试件12的加载力幅值，最大的加载力幅值可达950N。旋转速度的调节通过电机3来控制，可调节范围为38rpm～122rpm；旋转半径可以通过调节带内螺纹旋钮7来实现，其旋转半径范围为在200mm～300mm。

交流电机部分：作为动力源的电机工作电压380V，防水等级为IP55，可持续在高湿度环境下工作，适合在环境箱中对混凝土试件加载。在28℃室内测试试验机时，电机连续工作50小时后，其发热量小，将手放置在电机上微热，电机温升良好。

外框架部分：本试验机整体高度1620mm，重量约260kg。如图6-7所示，外框架采用桁架式结构，可以有效约束加载主体因其旋转过程中惯性力的水平分力所引起的左右晃动，同时又减轻了外框架的自重。

刚性横梁2的高度可以通过调节螺母14的位置进行调节，即可改变拉簧4施加给加载主体的拉力，进而增设或降低加载主体和电机作用在混凝土试件上的重力荷载。如图9所示，外框架底板13则采用工字式设计，大大减轻了自重且不降低整体工作的稳定性。

此外，如图8所示，试件加载方式为四点弯曲疲劳加载。将混凝土试件12放置加载主体下，启动电机3电源即可以对试件进行疲劳加载。试验机外框架(不包括导轨)的防锈措施采用涂防锈液的方式，具体操作为先在构件表面除锈，然后于其表面涂防锈液2层，其后再刷2层油漆作为外观处理；加载主体、导轨的防锈措施采用发黑工艺处理方式，其原理是将钢铁制品表面迅速氧化，使之形成致密的氧化膜保护层，这种发黑处理广泛应用于兵器领域的防护和装饰。

进一步，为了检验该发明的可靠性，对该装置做了动荷载的测试。将传感器放置在刚性分配梁上部，测试装置启动后对混凝土的加载力变化时程曲线。测试结果显示，加载力时程曲线近似正弦波周期变化，如图10。整个加载过程中，试验机噪音小，稳定性高。

在进行混凝土疲劳与环境耦合作用的耐久性试验时，本发明较以往的疲劳加载模式有所改变，步骤依次如下：

一.标定加载力幅值(疲劳荷载极大值与极小值差值)

旋动带内螺纹旋钮7将疲劳试验机质量块的旋转半径调节至需要长度；

连接接触器、数字显示屏、开关和电机之间的导线；

将疲劳试验机放置在环境箱中(接触器和数字显示屏放在环境箱外部)，抬升加载主体和电机3，从下到上依次将开关、混凝土试件12、刚性分配梁11和压力传感器放置于加载主体下，压力传感器放置在刚性分配梁上方的中间部位，刚性分配梁下方及混凝土下方各有一个钢圆柱体(模拟滚轴支撑)及钢三角柱体(模拟铰支撑)。压力传感器与动态数据采集系统相连，缓慢将加载主体放下至压力传感器上，然后用游标卡尺测量拉簧4的拉伸长度L₀，用PC机读取此时作用在传感器上的静态荷载F₀；

启动电机电源，疲劳试验机开始对混凝土试件加载。通过调节电机上的调速手柄可以得到自己所需要的加载速度，质量块9旋转速度由数字显示屏上显示。当质量块旋转速度达到要求后，停止调节调速手柄，此时在PC机上可以显示疲劳荷载的时程曲线，并得到疲劳荷载的幅值，此阶段需持续5分钟左右；

关闭电机电源，停止疲劳试验机的工作，抬升加载主体和电机，将压力传感器取出，并用支承轴16代替，至此加载力幅值标定完成。

二.疲劳与环境耦合作用试验

采用支承轴16代替压力传感器后，用游标卡尺测量拉簧4的长度为L₁，此时拉簧4拉力的大小与标定时的拉力值之差为(L₁-L₀)×K(K为拉簧刚度，大小4.72牛/米)；忽略支承轴16与压力传感器的质量差值，此时作用在混凝土试件上的静载值为：

F₀-(L₁-L₀)×K；

在数字显示屏上设定电机停转的圈数，然后启动电机3电源，此时质量块9的转速和标定时一致，可以认为加载力的幅值不发生改变，数字显示屏有存储功能，可以记录疲劳荷载的累积循环次数；

启动环境箱控制开关，环境与疲劳耦合作用的混凝土耐久性试验开始。当试验到达预定的加载次数时，即预定的电机旋转次数，电机将停止工作，或者当混凝土试件因疲劳发生破坏时，断裂的混凝土试件将压在下面的开关上，电机也将停止工作，加载停止，其后停止环境箱工作即可，至此混凝土试件在疲劳荷载与环境耦合作用下的试验完成。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种混凝土材料弯曲疲劳试验机，其特征在于：其包括外框架、加载主体、动力机构、显屏控制，加载主体固定于外框架内，动力机构驱动加载主体，加载主体产生的惯性力的竖向分力实现混凝土试件的疲劳加载，显屏控制开启和关闭动力机构的工作；所述加载主体包括X形框架、转动轴、质量块，转动轴设置于X形框架的交叉点位置，其下连接质量块，带动质量块在垂直平面内转动，实现惯性力的竖向分力加载。

2.如权利要求1所述的混凝土弯曲疲劳试验机，其特征在于：所述外框架采用桁架式结构，其底部外框架底板为工字式结构。

3.如权利要求1所述的混凝土弯曲疲劳试验机，其特征在于：所述转动轴、质量块均设有连杆，通过带内螺纹旋钮连接固定两连杆。

4.如权利要求1-2任一项所述的混凝土弯曲疲劳试验机，其特征在于：所述加载主体与外框架之间活动连接。

5.如权利要求4所述的混凝土弯曲疲劳试验机，其特征在于：在外框架上设置位置可变的刚性横梁，通过拉簧连接横梁与加载主体上部，拉簧为对称设置的两根。

6.如权利要求1所述的混凝土弯曲疲劳试验机，其特征在于：所述加载主体的X形框架端部设有滚动滑轮，外框架对应位置设置供滑轮滚动的导轨。

7.如权利要求1所述的混凝土弯曲疲劳试验机，其特征在于：所述动力机构为电动机，其电机输出轴通过双链条与加载主体的转动轴相连，所述双链条上还设有张紧轮。

8.如权利要求1所述的混凝土弯曲疲劳试验机，其特征在于：所述显屏控制包括数字显示屏、接触器和开关，数字显示屏、接触器与电机之间通过导线相连以控制电机，开关放置在混凝土试件下部，与数字显示屏相连。

9.如权利要求1所述的混凝土弯曲疲劳试验机，其特征在于：所述外框架上涂防锈液，具体为先在构件表面除锈，然后于其表面涂防锈液2层，其后再刷2层油漆作为外观处理；加载主体及外框架的导轨采用发黑工艺处理，具体为将钢铁制品表面迅速氧化，使之形成致密的氧化膜保护层。

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