CN102778396A - 高水压及动载作用下全级配混凝土断裂扩展测试试验机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高水压及动载作用下全级配混凝土断裂扩展测试试验机，它包括MTS试验机作动头、楔形加载架、钕铁硼稀土永磁体、拉压传力钢轴、预埋轴承、拉压支撑件、试样支撑钢棒、高压密封缸、密封缸盖板、密封缸连接杆、非接触式光测窗口、高水压泵；固定了钕铁硼稀土永磁体的楔形加载架与拉压传力钢轴、拉压支撑件组成磁场闭合回路；动力加载部分、支撑部分、高压密封腔部分和高水压泵共同组成本发明试验机。本发明克服了现有试验机只可进行无水压力或静水压力下全级配混凝土的断裂扩展试验、高水压与动载不能同时施加以及不能进行混凝土断裂扩展过程进行测试的缺陷；具有结构设计简单、测试功能多样和测试过程稳定可控的特点。

Description

高水压及动载作用下全级配混凝土断裂扩展测试试验机

技术领域

本发明主要涉及一种混凝土断裂扩展测试试验机，尤其是涉及一种适用高水压及动载作用下的全级配混凝土断裂扩展测试试验机。 

  

背景技术

在传统的混凝土坝结构设计中，一般只考虑水压力、自重荷载、扬压力、泥沙压力、风浪压力、冰压力、地震力荷载。事实上，对于易出现裂缝的混凝土坝，仅考虑以上荷载是不够的，裂缝内的水荷载对大坝的影响同样不容忽视，特别是随着筑坝技术的提升，我国兴建了许多300米级高混凝土坝，这些高混凝土坝大都处于地震烈度较高的地区，并且在深水压力下，经过多年运行，均已不同程度的出现裂缝，甚至有的大坝在施工期就出现了各种各样的裂缝，它们的存在将会影响结构的实用性和耐久性，严重的裂缝还会恶化结构的强度和稳定，破坏其整体性和抗渗性，危及建筑物的安全运行。所以，大坝全级配混凝土在高水压力及地震荷载作用下的裂缝扩展与稳定性问题日益严峻，也是工程界极为关注的问题。 

由于水压力作用下的混凝土断裂试验难度非常大，装置较为复杂，国外只有少数学者开展过这方面的试验研究。因此，开展高水压力作用下，混凝土裂缝扩展与断裂特性的试验研究，并测定混凝土在水压力作用下的断裂参数，研究混凝土在动载及高水压下混凝土裂缝的起裂、扩展和失稳，对于认识混凝土水工结构在深水压力（高水压力）及动载作用下的断裂特性具有重要的理论意义和工程参考价值。 

水压力下混凝土裂缝开裂扩展研究属于水力劈裂的一种情况，由于混凝土介质体内天然存在着大量裂隙、空隙、节理、层面等构造，因而混凝土水力劈裂并非字面上的含义是将完整的、均质无任何缺陷的介质劈开，而是高压水流或其它液体将介体内已有的裂隙、空隙驱动扩张、扩展、相互贯通等物理现象的统称。传统水压力下混凝土劈裂试验采用的方法是：1、预制带内部裂缝的混凝土圆柱试件，通过往内部裂缝中充水和高压氮气的方法实现混凝土劈裂；2、利用楔入式紧凑拉伸试验原理，制作楔入劈拉试件，在裂缝表面设置裂缝端面水压密封装置，其受力方式如图6所示。前者只能测试混凝土别劈裂时的静水压力，试件上只可实现静荷载的施加，劈裂试验完成后剖开圆柱试件可观测裂缝最终扩展情况，但无法测试裂缝扩展过程；而后者可测试不同静荷载加载调节下裂缝内水压力的变化，在静荷载和水压力共同作用下静水压力对断裂性能的影响，但施加高水压力及测试裂缝扩展过程均很难实现。 

发明内容

技术问题：针对现有技术存在的技术问题，本发明涉及一种可为高水压及动载作用下的水工结构全级配混凝土裂缝的起裂、扩展和失稳过程进行测试的试验机，与现有混凝土断裂扩展测试试验机相比，本发明可实现高水压力、动水压力并同时施加动荷载下的全级配混凝土的断裂扩展试验，其结构设计简单、测试功能多样和测试过程稳定可控。 

技术方案：本发明的高水压及动载作用下全级配混凝土断裂扩展测试试验机，包括MTS试验机作动头、作动连接杆、楔形加载架、加载架固定件、钕铁硼稀土永磁体、拉压传力钢轴、预埋轴承、拉压支撑件、试样支撑钢棒、试样支座、高压密封缸、密封缸盖板、密封圈、密封缸连接杆、非接触式光测窗口、高水压泵、高水压缸体、高水压连接管、高水压腔、活塞杆及活塞；MTS试验机作动头、作动连接杆、楔形加载架、加载架固定件、钕铁硼稀土永磁体、拉压传力钢轴、预埋轴承、拉压支撑件组合成混凝土试样动力加载部分；试样支撑钢棒、试样支座组合成混凝土试样支撑部分；高压密封缸、密封缸盖板、密封圈、密封缸连接杆、非接触式光测窗口组合成混凝土试样的高压密封腔部分；高水压缸体、高水压连接管、高水压腔、活塞杆、活塞及MTS试验机作动头组合成高水压泵，其结构形式如图3所示；MTS试验机作动头与楔形加载架通过作动连接杆连接，加载架固定件将钕铁硼稀土永磁体固定在楔形加载架内部，楔形加载架与拉压支撑件通过齿轮方式连接，拉压支撑件与拉压传力钢轴通过键连接，支撑钢棒与混凝土试样通过预埋轴承连接；混凝土试样底边位于试样支座的试样支撑钢棒上；非接触式光测窗口固定在密封缸盖板上，两侧的密封缸盖板与高压密封缸通过密封缸连接杆的螺栓连接；高水压泵与高压密封腔部分通过高水压连接管连接；动力加载部分、支撑部分、高压密封腔部分和高水压泵共同组成本发明的高水压作用下全级配混凝土断裂扩展测试试验机，其正面结构形式如图2所示；固定了钕铁硼稀土永磁体的楔形加载架与拉压传力钢轴、拉压支撑件组成磁场闭合回路；MTS试验机作动头活塞杆通过键连接，活塞杆与活塞通过键连接，高水压缸体与活塞组合出高水压腔。 

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明针对现有混凝土断裂扩展测试试验机只可进行无水压力或静水压力下的混凝土的断裂扩展试验、试件内部加高水压无法测试裂缝扩展过程以及高水压与动载不能同时施加的缺陷，采用高压密封腔，高水压泵装置实现全级配混凝土试样在高水压以及动水压情况下的断裂扩展测试功能，通过外接MTS试验机作动头、固定钕铁硼稀土永磁体的楔形加载架等混凝土试样动力加载构件实现混凝土动力加载功能，通过非接触式光测窗口可直接进行混凝土断裂扩展过程进行测试。

2、本发明的楔形加载架中固定了钕铁硼稀土永磁体，使得楔形加载架、拉压传力钢轴、拉压支撑件组成磁场闭合回路，采用的钕铁硼稀土永磁体提供的极强磁场保证了在动载的拉力加载过程中楔形加载架与拉压支撑件齿轮间的密闭连接，拉压支撑件上的闭合牵引力传递至拉压传力钢轴上实现控制混凝土裂纹的快速闭合，从而保证了混凝土动力加载功能的实现。钕铁硼稀土永磁体的采用避免了弹簧及电磁铁装置的复杂及不易控制的缺陷。 

3、本发明同现有混凝土断裂扩展测试试验机相比，不仅可进行传统的无水压力或静水压力下的混凝土的断裂扩展试验，而且可以进行高水压、动水压力、动荷载下的混凝土的断裂扩展试验，具有结构设计简单、测试功能多样和测试过程稳定可控的特点。 

附图说明

图1为本发明的结构示意图； 

图2为本发明试验机的正面示意图；

图3为本发明高水压泵示意图；

图4为本发明混凝土试件以及内部预留孔示意图；

图5为本发明混凝土试件应变片粘贴位置示意图；

图6为混凝土劈拉试样受力示意图。 

图中： 

1 -  MTS试验机作动头                   17 -  注水孔

2 -  作动连接杆                         18 -  高水压泵

3 -  楔形加载架                         19 -  高水压缸体            

4 -  加载架固定件                       20 -  高水压连接管              

5 -  钕铁硼稀土永磁体                   21 -  高水压腔

6 -  拉压传力钢轴                       22 -  活塞杆

7 -  预埋轴承                           23 -  活塞

8 -  拉压支撑件                         24 -  预设裂缝

9 -  混凝土试样                         25 -  加载裂缝               

10 -  试样支撑钢棒                      26 -  钢轴孔                   

11 -  试样支座                          27 -  预埋孔                       

12 -  高压密封缸                        28 -  孔压计              

13 -  密封缸盖板                        29 -  孔压计导线孔       

14 -  密封圈                            30 -  压力传感器

15 -  密封缸连接杆                      31 -  预埋螺管         

16 -  非接触式光测窗口  。                                

具体实施方式

以下结合附图对本发明做进一步详细说明。 

如图1所示高水压及动载作用下全级配混凝土断裂扩展测试试验机，包括MTS试验机作动头（1）、楔形加载架（3）、加载架固定件（4）、钕铁硼稀土永磁体（5）、拉压传力钢轴（6）、预埋轴承（7）、拉压支撑件（8）、试样支撑钢棒（10）、试样支座（11）、高压密封缸（12）、密封缸盖板（13）、密封缸连接杆（15）、非接触式光测窗口（16）、高水压泵（18）及高水压连接管（20），其特征在于：MTS试验机作动头（1）、作动连接杆（2）、楔形加载架（3）、加载架固定件（4）、钕铁硼稀土永磁体（5）、拉压传力钢轴（6）、预埋轴承（7）、拉压支撑件（8）组合成混凝土试样（9）动力加载部分；试样支撑钢棒（10）、试样支座（11）组合成混凝土试样（9）支撑部分；高压密封缸（12）、密封缸盖板（13）、密封圈（14）、密封缸连接杆（15）、非接触式光测窗口（16）组合成混凝土试样（9）的高压密封腔部分；高水压缸体（19）、高水压连接管（20）、高水压腔（21）、活塞杆（22）、活塞（23）及MTS试验机作动头（1）组合成高水压泵（18）；MTS试验机作动头（1）与楔形加载架（3）通过作动连接杆（2）连接，加载架固定件（4）将钕铁硼稀土永磁体（5）固定在楔形加载架（3）内部，楔形加载架（3）与拉压支撑件（8）通过齿轮方式连接，拉压支撑件（8）与拉压传力钢轴（6）通过键连接，支撑钢棒（10）与混凝土试样（9）通过预埋轴承（7）连接；混凝土试样（9）底边位于试样支座（11）的试样支撑钢棒（10）上；非接触式光测窗口（16）固定在密封缸盖板（13）上，两侧的密封缸盖板（13）与高压密封缸（12）通过密封缸连接杆（15）的螺栓连接；高水压泵（18）与高压密封腔部分通过高水压连接管（20）连接；动力加载部分、支撑部分、高压密封腔部分和高水压泵共同组成本发明的高水压作用下全级配混凝土断裂扩展测试试验机。固定了钕铁硼稀土永磁体（5）的楔形加载架（3）与拉压传力钢轴（6）、拉压支撑件（8）组成磁场闭合回路；MTS试验机作动头（1）活塞杆（22）通过键连接，活塞杆（22）与活塞（23）通过键连接，高水压缸体（19）与活塞（23）组合出高水压腔（21）。 

工作原理：本发明的高水压及动载作用下全级配混凝土断裂扩展测试试验机由动力加载部分、支撑部分、高压密封腔部分和高水压泵共同组成。本发明试验机可实现全级配混凝土断裂扩展测试试件的最大尺寸为500mm×500mm×200mm，见图4，在混凝土试样（9）中设置预设裂缝（24）、加载裂缝（25）、钢轴孔（26）、预埋孔（27）、孔压计导线孔（29）、压力传感器（30）、预埋螺管（31），在预设裂缝（24）端部设置孔压计（28），布置位置及尺寸如图5所示。混凝土试样（9）布置在试验机的试样支撑钢棒（10）上，在上部两个四分点处布置钢轴孔（26），钢轴孔（26）两端布置预埋轴承（7），拉压传力钢轴（6）穿过钢轴孔（26）并与预埋轴承（7）内圈连接，拉压传力钢轴（6）两端与拉压支撑件（8）通过键连接，楔形加载架（3）与拉压支撑件（8）通过齿轮方式连接，MTS试验机作动头（1）与楔形加载架（3）通过作动连接杆（2）连接。MTS试验机作动头（1）产生的动荷载依次通过作动连接杆（2）、加载架固定件（4）、楔形加载架（3）、拉压支撑件（8）、拉压传力钢轴（6）、预埋轴承（7）传递至混凝土试样（9）的钢轴孔（26）中。楔形加载架（3）向下运动时为拉压支撑件（8）提供向两侧张开的压力，实现混凝土裂缝的开展，楔形加载架（3）向上运动时由钕铁硼稀土永磁体（5）产生的磁场力为拉压支撑件（8）提供向中间闭合的拉力，最终实现混凝土在动荷载作用下裂缝的开展和闭合。在混凝土试样（9）安装后，通过高压密封缸（12）上的注水孔（17）注入水，静水压力及动水压力均由高水压泵提供，MTS试验机作动头（1）产生的动荷载依次通过活塞杆（22）、活塞（23）传递至高水压缸体（19）内的水中，其结构如图3所示，再通过高水压连接管（20）传递至试验机的高压密封腔部分。通过调节MTS试验机作动头（1）的作动荷载实现试验所需的高水压及动水压。 

本发明主要可实现以下试验： 

1、动载及高水压作用下混凝土断裂扩展试验中裂缝尖端应变场、裂缝宽度（包括裂缝动态跟踪）测试。试验中可采用光力学实验手段-白光数字图像相关方法透过非接触光测窗口进行非接触、高精度测量，采用高分辨高速相机连续记录裂纹尖部区域的形貌及其在试验过程中的变化情况，再采用数字图像相关算法分析裂纹尖端区域内所有像素点的位移和整个区域的应变场分布、裂缝的宽度、起裂以及断裂扩展后的裂纹路径。

2、动载及高水压作用下混凝土断裂扩展试验中裂缝内水压分布测试以及动水压力下裂纹中水压力与外部动水压力的关系测试。基于图4所设计的混凝土试件，在混凝土内部设置传感器进行混凝土内部水压力测试，试样两侧裂缝处设置有机玻璃薄片进行密封，在预制裂缝端处设置孔压计进行水压测定，混凝土试样加载后裂缝扩展处的水压力变化由多个扩散硅压力传感器测定。 

Claims (3)

1.高水压及动载作用下全级配混凝土断裂扩展测试试验机，包括MTS试验机作动头（1）、楔形加载架（3）、加载架固定件（4）、钕铁硼稀土永磁体（5）、拉压传力钢轴（6）、预埋轴承（7）、拉压支撑件（8）、试样支撑钢棒（10）、试样支座（11）、高压密封缸（12）、密封缸盖板（13）、密封缸连接杆（15）、非接触式光测窗口（16）、高水压泵（18）及高水压连接管（20），其特征在于：MTS试验机作动头（1）、作动连接杆（2）、楔形加载架（3）、加载架固定件（4）、钕铁硼稀土永磁体（5）、拉压传力钢轴（6）、预埋轴承（7）、拉压支撑件（8）组合成混凝土试样（9）动力加载部分；试样支撑钢棒（10）、试样支座（11）组合成混凝土试样（9）支撑部分；高压密封缸（12）、密封缸盖板（13）、密封圈（14）、密封缸连接杆（15）、非接触式光测窗口（16）组合成混凝土试样（9）的高压密封腔部分；高水压缸体（19）、高水压连接管（20）、高水压腔（21）、活塞杆（22）、活塞（23）及MTS试验机作动头（1）组合成高水压泵（18）；MTS试验机作动头（1）与楔形加载架（3）通过作动连接杆（2）连接，加载架固定件（4）将钕铁硼稀土永磁体（5）固定在楔形加载架（3）内部，楔形加载架（3）与拉压支撑件（8）通过齿轮方式连接，拉压支撑件（8）与拉压传力钢轴（6）通过键连接，支撑钢棒（10）与混凝土试样（9）通过预埋轴承（7）连接；混凝土试样（9）底边位于试样支座（11）的试样支撑钢棒（10）上；非接触式光测窗口（16）固定在密封缸盖板（13）上，两侧的密封缸盖板（13）与高压密封缸（12）通过密封缸连接杆（15）的螺栓连接；高水压泵（18）与高压密封腔部分通过高水压连接管（20）连接；动力加载部分、支撑部分、高压密封腔部分和高水压泵共同组成本发明的高水压作用下全级配混凝土断裂扩展测试试验机。

2.根据权利要求1所述的高水压作用下全级配混凝土断裂扩展测试试验机，其特征在于：固定了钕铁硼稀土永磁体（5）的楔形加载架（3）与拉压传力钢轴（6）、拉压支撑件（8）组成磁场闭合回路。

3.根据权利要求1所述的高水压作用下全级配混凝土断裂扩展测试试验机，其特征在于：MTS试验机作动头（1）活塞杆（22）通过键连接，活塞杆（22）与活塞（23）通过键连接，高水压缸体（19）与活塞（23）组合出高水压腔（21）。

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