CN102680341B - 一种动载下混凝土材料开裂扩展测试加载装置 - Google Patents

一种动载下混凝土材料开裂扩展测试加载装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种混凝土拉伸与压缩试验装置；疲劳试验机的作动头和楔形加载架通过竖向力传感器连接；混凝土试样上部两个四分点处各穿一根钢轴，每根钢轴两端分别固定一个轴承和水平向伸缩杆，通过调整水平向伸缩杆在钢轴两侧的距离拉伸弹簧，给混凝土试件施加水平预压力，用竖直向及水平向力传感器连接动态数据采集器测得不同时刻弹簧的实际拉力；根据工作原理中所提供的计算公式可计算出每个时刻作用在混凝土试件上的实际作用力，最终实现对混凝土试件动荷载的施加。本发明可为混凝土试件提供裂缝开合的拉压动荷载，从而可用于测试动荷载作用下混凝土材料的开裂扩展过程。

Description

一种动载下混凝土材料开裂扩展测试加载装置
技术领域
发明涉及一种混凝土拉伸与压缩试验装置，特别是涉及一种动荷载作用下的紧凑拉压加载装置。
背景技术
水利工程作为国民经济的基础设施，在社会经济发展、公共安全以及生态环境等各个方面都发挥着重要的作用，而在水利工程中起到关键性挡水作用的建筑物就是大坝。在我国，已建或在建的大多混凝土坝的坝址区均位于地震活动较频繁的西南、西北地区，如小湾混凝土拱坝（高292 m）的设计地震加速度为0.308 g，金安桥碾压混凝土重力坝坝址设计加速度为0.399 g，2006年开工建设的大岗山拱坝，设计地震加速度峰值更高达0.5575 g。因此，研究地震荷载下混凝土坝裂缝的开裂机理，对高混凝土坝的安全评价具有特别重要的意义。
混凝土是由骨料、砂浆和界面组成的多相复合材料，地震等往复荷载作用下其内部裂纹的开裂路径非常复杂，建立合适的力学模型是模拟地震荷载下混凝土坝裂缝扩展的关键，动载下混凝土开裂扩展试验对建立力学模型具有非常重要的意义。断裂力学描述裂纹扩展有三种基本形式：                                                
Figure 555721DEST_PATH_IMAGE001
张开型裂缝（Ⅰ型）；
Figure 535179DEST_PATH_IMAGE002
滑开型裂缝（Ⅱ型）；撕开型裂缝（Ⅲ型）。由于混凝土是典型的脆性材料，其破坏主要表现为Ⅰ型裂缝，目前静荷载下混凝土Ⅰ型裂缝的断裂韧度KⅠC性主要是通过弯曲梁试验和紧凑拉伸试验获得。紧凑拉伸试验优点是，在大尺寸试件中，自重对测量结果的影响比三点弯曲梁试件要小。由于大坝混凝土一般为全级配混凝土，骨料粒径比较大，从而要求试验采用的试件尺寸也比较大，所以采用紧凑拉伸试件来进行试验研究更能反应其实际受力特征。但是紧凑拉伸试验都是用于研究静荷载作用下的试件，无法用于动载测量，本发明可让紧凑拉伸的静荷载试验装置变为既能施加拉力又能施加压力的动荷载试验装置。
发明内容
技术问题：
针对现有紧凑拉伸试验装置无法施加动载的技术问题，本发明通过对其改进，设计出一种能够施加动荷载的紧凑拉压加载装置。该试验装置可为研究动载作用下混凝土试件的开裂扩展机理提供实验条件。
技术方案：
一种动荷载作用下混凝土材料开裂扩展测试加载装置，其特征在于由动荷载作动头、竖向力传感器、楔形加载架、钢轴、轴承、水平向力传感器、弹簧、动态数据采集器组成；疲劳试验机作动头和楔形加载架的加载垫板中心通过竖向力传感器连接；混凝土试样上部两个四分点处各穿一根钢轴，每根钢轴两端分别固定一个轴承和水平向伸缩杆，通过调节锁紧螺母可调整水平向伸缩杆在钢轴两侧的长短；给混凝土试件施加压力的弹簧和其中一根钢轴上的伸缩杆之间通过水平向力传感器相连，和另一根钢轴上的伸缩杆直接相连；动态数据采集器和竖向力传感器及水平向力传感器通过屏蔽导线相连；混凝土试样底边中轴线置于支座上。
所述的楔形加载架两端各有一个传力楔头平分作用于加载垫板中心的竖向荷载。
所述的水平向力传感器和施加压力的弹簧对称设置于试件两侧。
所述的水平向伸缩杆可调整弹簧的初始压力大小。
工作原理：
通过调整钢轴两端的水平向伸缩杆位置，改变弹簧的初始长度给混凝土试件施加大小相同的预压力，其值可通过连接在水平向力传感器上的力显示器获得。
在试验加载过程中，竖向动荷载由MTS疲劳伺服动静试验机作动头施加，通过竖直向力传感器、楔形加载架、轴承及钢轴传至试件。轴承安装在钢轴上目的是减小加载架的楔形头与钢轴之间的摩擦。钢轴受到轴承传递来的动荷载及弹簧的恢复拉力，在动荷载作用下可实现混凝土裂缝的开展和闭合。
竖向荷载分量F P /2与试件自重的合力及支座反力R共线而互相抵消，在裂缝尖端不产生附加弯矩。同时，选取较小的楔形加载架楔角(可取)，这样较小的竖向荷载就可以产生较大的水平劈裂力F H ：
Figure 222326DEST_PATH_IMAGE006
                                  (1)
其中，Fs为弹簧恢复力，试验受力情况见附图3。
本发明所设计的动荷载加载系统，对试件的压力是靠弹簧的恢复力来完成，恢复力的大小及变化可通过连接在弹簧一端的水平向传感器测得。
有益效果：
通过对紧凑拉伸试验装置进行改进，研制了一种能够施加动荷载的紧凑拉压加载装置，该装置和现有的三点弯和四点弯动态加载装置相比，对重力的影响很小，更重要的是测试过程中混凝土试件不会发生较大的刚体位移，更有利于测量动载作用下混凝土中裂缝的开裂与扩展过程。本发明操作简单，单价低廉，维修方便。该装置可广泛用作动载下混凝土类材料裂缝开裂扩展机理研究的加载装置。
附图说明
图1为本发明动载下混凝土材料开裂扩展测试加载装置实施时的正立面示意图；
图2为本发明动载下混凝土材料开裂扩展测试加载装置实施时的侧立面示意图；
图3为混凝土试件受力示意图；
图4为实施的混凝土试样示意图；
图中：
1 —— 动荷载作动头；          7 —— 弹簧；
2 —— 竖向力传感器；          8 —— 水平向伸缩杆；
3 —— 楔形加载架；            9 —— 混凝土试样；
4 —— 钢轴；                 10 —— 支座；
5 —— 轴承；                 11 —— 动态数据采集器；
6 —— 水平向力传感器；       12 —— 锁紧螺母；
具体实施方式
以下将结合附图对本发明做进一步详细说明。
一种动荷载作用下混凝土材料开裂扩展测试加载装置，其特征在于包括动荷载作动头1、竖向力传感器2、楔形加载架3、钢轴4、轴承5、水平向力传感器6、弹簧7、动态数据采集器11；动荷载作动头1和楔形加载架3通过竖向力传感器2连接；混凝土试样9上部两个四分点处各穿一根钢轴4，每根钢轴4两端分别固定一个轴承5和水平向伸缩杆8，通过调节锁紧螺母12调整水平向伸缩杆8在钢轴4两侧的长短；弹簧7的一端通过水平向力传感器6和一根钢轴4上的伸缩杆8相连，弹簧7的另一端和另一根钢轴4上的伸缩杆8相连；动态数据采集器11和竖向力传感器2及水平向力传感器6依次通过导线连接；混凝土试样9底边中轴线置于支座10上。
所述的水平向力传感器6和施加压力的弹簧7对称设置于混凝土试样9两侧。
所述的水平向伸缩杆8可调整弹簧7的初始压力大小。
具体操作如下：
试验采用的混凝土尺寸为450mm×450mm×200mm，具体见图4，根据图中要求打孔和切割。混凝土试样9放置于支座10上，在上部两个四分点处各穿一根钢轴4，每根钢轴4两端分别固定一个轴承5和水平向伸缩杆8，通过调节锁紧螺母12可调整水平向伸缩杆8，改变弹簧7的初始长度给混凝土试件9施加大小相同的预压力，其值可通过连接在水平向力传感器6上的力显示器获得。疲劳试验机作动头1产生的动荷载通过竖向力传感器2传到楔形加载架3的加载垫板中心，每个传力楔头传递其一半荷载到与其接触的轴承5上，然后在传到钢轴4上，最后作用于混凝土试件9。动态数据采集器11和竖向力传感器2以及水平向力传感器6通过导线相连，在试验过程中动态数据采集器11可测出每个时刻竖向力传感器2及两个水平向力传感器6荷载，根据上述工作原理中所提供的计算公式可计算出每个时刻实际作用在混凝土试件9拉压力，最终实现动荷载的施加。以上加载系统和一些应变测试装置（应变片或先进的光学测试装置）结合，可实现动载下混凝土裂缝的开裂扩展研究。
本实施中：竖直向力传感器2和水平向力传感器6分别为江苏联能电子科技公司生产的CL-YB-7/200K型和CL-YB-7/100K型力传感器；力显示器为江苏联能电子科技公司生产的YE4865型数字显示器；动态数据采集器11为江苏东华有限公司生产的DH5920型动态电阻应变仪。

Claims (3)

1.一种动荷载作用下混凝土材料开裂扩展测试加载装置，其特征在于包括动荷载作动头（1）、竖向力传感器（2）、楔形加载架（3）、钢轴（4）、轴承（5）、水平向力传感器（6）、弹簧（7）、动态数据采集器（11）；动荷载作动头（1）和楔形加载架（3）通过竖向力传感器（2）连接；混凝土试样（9）上部两个四分点处各穿一根钢轴（4），每根钢轴（4）两端分别固定一个轴承（5）和水平向伸缩杆（8），通过调节锁紧螺母（12）调整水平向伸缩杆（8）在钢轴（4）两侧的长短；弹簧（7）的一端通过水平向力传感器（6）和一根钢轴（4）上的水平向伸缩杆（8）相连，弹簧（7）的另一端和另一根钢轴（4）上的水平向伸缩杆（8）相连；动态数据采集器（11）和竖向力传感器（2）及水平向力传感器（6）依次通过导线连接；混凝土试样（9）底边中轴线置于支座（10）上；其中动荷载作动头（1）产生的动荷载通过竖向力传感器（2）传到楔形加载架（3）的加载垫板中心，每个传力楔头传递其一半荷载到与其接触的轴承（5）上，然后在传到钢轴（4）上，最后作用于混凝土试样（9）。
2.根据权利要求1所述的一种动荷载作用下混凝土材料开裂扩展测试加载装置，其特征在于所述的水平向力传感器（6）和施加压力的弹簧（7）对称设置于混凝土试样（9）两侧。
3.根据权利要求1所述的一种动荷载作用下混凝土材料开裂扩展测试加载装置，其特征在于所述的水平向伸缩杆（8）可调整弹簧（7）的初始压力大小。
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