CN103149100A - 一种混凝土轴心拉伸徐变试验仪及测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种混凝土轴心拉伸徐变试验仪及测试方法，包括上拉板、下拉板、拉杆、螺杆、弹簧、应力传感器和振弦式应变计，所述拉杆固定在下拉板上，且上端设有螺纹端；所述上拉板穿过拉杆上端并套在螺纹端上，且上拉板的上下两侧的螺纹端均设有螺母从而固定上拉板；所述上拉板和下拉板上均设有螺杆，并用于固定连接混凝土试件的上下两端，该混凝土试件的两侧设有振弦式应变计；所述上拉板上的螺杆伸出上拉板，而弹簧套在该螺杆的伸出端，同时螺杆还依次套有垫片和螺帽，所述应力传感器设在垫片与螺帽之间。本发明实现了变形的连续自动检测与采集；拉伸过程中无偏心，应力集中，且应力保持恒定，从而提高了测试的精确度。

Description

一种混凝土轴心拉伸徐变试验仪及测试方法

技术领域

本发明属于土木、建筑行业中混凝土长期变形测试技术领域，尤其涉及混凝土轴心拉伸徐变测量技术。 

背景技术

水泥混凝土是当今最重要的建筑材料，广泛应用于建筑、交通、桥梁、水利、地下工程等领域。随着全球经济迅速发展，建设规模空前，混凝土使用量逐年上升，对于经济高速发展的中国尤为突出，目前我国混凝土的年产量达100亿吨，占世界总产量的50%以上。 

作为土木工程中使用最为广泛的材料，混凝土是一种粘弹性材料，具有明显的时效性，因此在长期荷载作用下，不可避免地会出现徐变现象。在进行结构设计时，为了保证结构的安全性和耐久性，徐变是必须考虑的一个重要因素。预应力桥梁结构对于混凝土的徐变性能更是严格要求，因为徐变会引起混凝土的预应力损失，导致桥面下挠或者上拱，影响行车的舒适度，如果桥面板上铺设有轨道，桥面上拱或者下挠都可能导致运行中的列车脱轨，严重威胁人们的生命财产安全。除此以外，徐变还会引发箱梁腹板开裂、支座不均匀沉降等现象，使得运营中得桥梁结构过早失效或者丧失使用功能。因此，作为混凝土劣化和耐久性降低的主要原因之一，开展混凝土徐变性能的研究，对提高大型桥梁的耐久性及安全性，具有重要的理论价值和经济意义。 

混凝土在使用过程中不可避免地发生干燥收缩、自收缩、温度变形等体积变化，这些体积变化在早期未承受荷载时受到约束(包括内部约束和外部约束)，混凝土内部将直接产生约束拉应力和约束应变。轴心拉伸徐变的存在能够松弛一部分约束拉应力，这样混凝土是否发生开裂就取决于残余应力与抗拉强度的关系。随着龄期的增加，轴心拉伸徐变缓解约束应力的作用逐渐减弱，当轴心拉伸徐变不能及时缓解约束应力，使得残余应力超过了混凝土的抗拉强度，那么混凝土结构就发生开裂。因此在约束条件下，高性能混凝土早期开裂的发生不仅取决于混凝土早期的弹性模量、强度、极限拉伸能力，而且与轴心拉伸徐变特性密切相关。已有文献研究表明，早期徐变量占自收缩的30%～70%，轴心拉伸徐变能松弛50%以上体积变化造成的拉应力，在延缓开裂方面 具有重要作用，因此混凝土轴心拉伸徐变特性的研究是高精度应力解析及混凝土早期开裂研究的必要前提之一。 

然而自从混凝土徐变现象发现以来，国内外对混凝土徐变问题进行了长期的研究，但是研究的重点一直是混凝土在压应力长期作用下的徐变性能，而对于轴心拉伸徐变特性的研究则由于受拉徐变变形小，试验工作难度较大的原因，开展的并不多，在实际工程中，也通常以压缩徐变代替轴心拉伸徐变，从而造成应力解析精度的降低，解析结果只能用于定性而不能很好用于定量分析的状况。 

因此，研制混凝土轴心拉伸徐变试验仪具有重要的应用价值，对于混凝土结构长期变形性能评价也提供了科学的试验仪器，前景十分广阔。 

发明内容

发明目的：本发明的目的在于针对现有混凝土徐变性能研究中的不足，利用弹簧加载原理、传感器技术和自动测试分析技术，通过螺纹拉杆连接方式，研制出一种适用于棱柱体混凝土试件，且能保持长期轴心拉伸过程中无应力松驰、简便小巧的混凝土轴心拉伸徐变测试仪及测试方法，从而对混凝土受拉状态下的徐变特性进行准确的测试与评价。 

技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：一种混凝土轴心拉伸徐变试验仪，包括上拉板、下拉板、拉杆、螺杆、弹簧、应力传感器和振弦式应变计，所述拉杆固定在下拉板上，且上端设有螺纹端；所述上拉板穿过拉杆上端并套在螺纹端上，且上拉板的上下两侧的螺纹端均设有螺母从而固定上拉板；所述上拉板和下拉板上均设有螺杆，并用于固定连接混凝土试件的上下两端，该混凝土试件的两侧设有振弦式应变计；所述上拉板上的螺杆伸出上拉板，而弹簧套在该螺杆的伸出端，同时螺杆还依次套有垫片和螺帽，所述应力传感器设在垫片与螺帽之间。 

进一步改进，所述下拉板上的螺杆通过万向球铰与下拉板连接；同时所述上拉板上的螺杆伸出端与用于固定连接混凝土试件的下端也通过万向球铰连接。 

进一步的，所述混凝土试件的两端通过端部连接件分别与上拉板和下拉板的螺杆连接；所述端部连接件包括多根均匀分布埋入混凝土试件内部的螺纹杆和钢板，所述螺纹杆与钢板固定连接，其中处于钢板中心的螺纹杆分别与螺杆 连接。 

作为优选，所述混凝土试件的两侧预埋有铜块，所述振弦式应变计粘接在铜块上，且量测标距为150mm。 

进一步的，所述应力传感器和振弦式应变计均与计算机连接。 

本发明另一目的是提供了一种利用上述述混凝土轴心拉伸徐变试验仪测试混凝土轴心拉伸徐变的测试方法，包括以下步骤： 

首先，将待测试的混凝土试件养护至规定龄期，并固定在试验仪上； 

然后根据设定的应力水平，缓慢旋转螺帽调整对混凝土试件施加的轴心拉伸应力，同时振弦式应变计和应力传感器同时与计算机相连实时监测位移和应力变化； 

接着，先加载至徐变应力的20%进行对中，直到混凝土试件两侧的变形相差小于平均值的10%，对中完毕； 

继续加载至徐变应力，读出混凝土试件两侧的变形值，从而获得原始弹性应变；随后进入持荷过程，该过程中计算机自动采集数据，当应力传感器实时监测应力的损失超过5%，则调整螺帽使之恢复到原始值； 

最后将混凝土试件的变形扣除同龄期的自由收缩变形，为混凝土试件在轴心拉伸荷载下的徐变变形；并通过徐边度c(t,t₀)和徐变系数φ(t，t₀)对混凝土轴心拉伸徐变变形的规律进行评价，其中徐边度和徐变系数通过公式（1）和（2）确定： 

$C(t,t_0)=\frac{c(t,t_0)}{\mathrm{\σ}}---\left(1\right)$

公式（1）中，c(t,t₀)为t0时刻加载至t时刻的徐变应变；σ为徐变应力； 

$\mathrm{\φ}(t,t_0)=\frac{c(t,t_0)}{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{el}}\left(t_0\right)}---\left(2\right)$

公式（2）中，ε_el(t₀)为t₀时刻加载的初始弹性应变。 

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点： 

1.实现了变形的连续自动监测及采集：利用振弦式应变计测定轴向变形，应变计的引线与计算机相连，试验从测试开始后就完全由计算机控制，实现了变形的连续自动监测及采集，有效避免了人为误差和测试带来的劳动强度，有利于混凝土徐变变化的及时跟踪。 

2.拉伸过程中无偏心和应力集中，且应力保持恒定：为了保证所施加的拉力为轴心拉伸荷载，本发明从以下三方面来减小或消几何偏心：1）采用钢模，加工精细，确保试件成型几何尺寸准确；2）螺纹拉杆与上下拉板之间设有两个万向球铰，通过万向球铰的转动减小或消除偏心；3）试验正式开始前进行对中，保证试件两侧的变形相差应小于其平均值的10%。 

3.为了消除应力集中导致试件从端部断裂，专门设计端部连接部件，将混凝土试件与轴心拉伸装置连接在一起。端部连接部件在成型时即埋入混凝土试件两端。端部连接部件由4根Φ10螺杆、1根Φ20螺杆及一块10mm厚的钢板锚固而成，通过螺杆与混凝土之间的粘结锚固作用让荷载均匀分布到混凝土的中部断面。钢板的尺寸为100mm×104mm，Φ20螺杆位于钢板中心，4根Φ10螺杆与中轴线的距离为30mm。 

4.为保证施加应力的精确性和持荷过程中荷载的恒定，本发明专门设计和制作了环形应力传感器，通过螺杆安装在弹簧上面，其引线与计算机相连，可实时监测应力变化，在持荷过程中一旦应力损失超过5%，则拧紧螺帽使之恢复至原始应力值。 

综合运用弹簧加载原理、传感器技术和自动测试分析技术，设计出混凝土轴心拉伸徐变试验仪，国内外尚无此类产品，技术经济效益明显。 

附图说明

图1为本发明所述混凝土轴心拉伸徐变试验仪的结构示意图； 

图2为本发明所述端部连接件的结构示意图； 

图3为本发明具体实施例所述徐变度随加载龄期的曲线图； 

图4为本发明具体实施例所述徐变系数随加载龄期的曲线图。 

其中，螺杆1、螺帽2、应力传感器3、垫片4、弹簧5、锁紧螺母6、上拉板7、万向球铰8、端部连接部件9、拉杆10、拉伸试件11、振弦式应变计12、计算机13、下拉板14。 

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。 

如图1所示，一种混凝土轴心拉伸徐变试验仪，包括上拉板、下拉板、拉杆、螺杆、弹簧、应力传感器和振弦式应变计，所述拉杆固定在下拉板上，且上端设有螺纹端；所述上拉板穿过拉杆上端并套在螺纹端上，且上拉板的上下 两侧的螺纹端均设有螺母从而固定上拉板；所述下拉板设有螺杆，该螺杆通过万向球铰固定在下拉板上，而上拉板也同样设有螺杆，并通过上拉板和下拉板的螺杆固定连接混凝土试件的上下两端，该混凝土试件的两侧预埋有铜块，所述振弦式应变计通过强力胶固定在铜块上；所述上拉板上的螺杆伸出上拉板，且与该螺杆用于固定连接混凝土试件的下端采用万向球铰连接，同时弹簧套在该螺杆的伸出端，螺杆还依次套有垫片和螺帽，所述应力传感器设在垫片与螺帽之间。 

所述混凝土试件的两端通过端部连接件分别与上拉板和下拉板的螺杆连接；所述端部连接件包括5根均匀分布埋入混凝土试件内部的螺纹杆和钢板，其中为4根Φ10螺纹杆和1根Φ20螺纹杆，4根Φ10螺纹杆均匀分布在混凝土试件中，而Φ20螺纹杆埋在混凝土的中间，5根螺纹杆与10mm厚的钢板锚固而成。通过螺杆与混凝土之间的粘结锚固作用让荷载均匀分布到混凝土的中部断面。钢板的尺寸为100mm×104mm，Φ20螺杆位于钢板中心，4根Φ10螺杆与中轴线的距离为30mm。拉伸试件两侧固定有振弦式应变计，量测标距为150mm，数据由计算机自动采集，有效避免了人为误差和测试带来的劳动强度。 

所述的混凝土轴心拉伸徐变测试方法具体为： 

首先根据试验要求成型6个拉伸试件(11)及3个100mm×100mm×400mm的收缩试件，试件成型时两测预埋带Φ6小孔的小铜块用来安装应变计(11)。混凝土养护至规定龄期，取出3个试件(11)测试轴心拉伸强度。将振弦式应变计(12)通过Φ6螺钉与拉伸试件(11)中预埋的铜块相连，并用快硬强力胶固定于试件表面。然后根据设定的应力水平，利用轴心拉伸徐变试验架通过缓慢旋转螺帽(2)对混凝土试件(11)施加轴心拉伸应力。振弦式应变计和应力传感器的引线与计算机相连实时监测位移及应力的变化，先加载至徐变应力的20%进行对中，此时，两侧的变形相差应小于其平均值的10%，若超出该范围，应卸载，通过上下两个万向球铰进行调整，再加载至徐变应力的20%，检查对中情况。对中完毕后，应立即继续加载至徐变应力，读出两边的变形值，得到初始弹性应变。随后通过计算机自动采集数据，每15min采集一次，有效避免了人为误差和测试带来的劳动强度，试验持续时间为54d，自由收缩测试与轴心拉伸徐变测试同步进行。 

在持荷过程中，通过应力传感器实时监测应力的变化，一旦应力损失超过5%，则拧紧螺帽使之恢复至原始应力值；最后将拉伸试件的变形扣除同龄期的自由收缩变形，即为混凝土在轴心拉伸荷载下的徐变变形。 

采用徐变度及徐变系数对混凝土轴心拉伸徐变变形的规律进行评价，其定义分别如下： 

徐变度：单位应力作用下的徐变，其表达式为 

$C(t,t_0)=\frac{v(t,t_0)}{\mathrm{\σ}}$

式中，c(t,t₀)为t₀时刻加载至t时刻的徐变应变；σ为徐变应力。 

徐变系数：t时刻的徐变应变与加载t₀时刻瞬时弹性应变的比值，其表达式为 

$\mathrm{\φ}(t,t_0)=\frac{c(t,t_0)}{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{el}}\left(t_0\right)}$

式中，ε_el(t₀)为t₀时刻加载的初始弹性应变。 

下面具体对混凝土进行拉伸徐变测试：混凝土配合比(kg/m³)：水泥-422,砂-674,石子-1198,水-156。按上述配比，采用强制搅拌机拌匀后，将新拌混凝土成型6个拉伸试件及3个100mm×100mm×400mm的收缩试件，拉伸试件成型时两个侧面预埋带Φ6小孔的小铜块用来安装应变计。试件成型后在实验室静置24h后脱模，然后将混凝土试件放入标准养护室(温度(20±3℃、相对湿度90%以上)中养护。混凝土养护至规定龄期，取出3个拉伸试件测试轴心拉伸强度；对于剩余的3个拉伸试件，将振弦式应变计通过Φ6螺钉与拉伸试件中预埋的铜块相连，并用快硬强力胶固定于试件表面。然后利用轴心拉伸徐变试验仪架对混凝土试件施加0.33应力水平的轴心拉伸应力。振弦式应变计和应力传感器的引线与计算机相连实时监测位移及应力的变化，先加载至徐变应力的20%进行对中，对中完毕后，应立即继续加载至徐变应力，读出两边的变形值，得到初始弹性应变。随后通过计算机自动采集数据，每15min采集一次，试验持续时间为54d，自由收缩测试与轴心拉伸徐变测试同步进行。在持荷过程中，通过应力传感器实时监测应力的变化，一旦应力损失超过5%，则拧紧螺帽使之恢复至原始应力值；最后将拉伸试件的变形扣除同龄期的自由收缩变形，即为混凝土在轴心拉伸荷载下的徐变变形，采用徐变度及徐变系数对混凝土轴心拉伸徐变变形的规律进行评价，如图3和4所示。 

Claims (6)

1.一种混凝土轴心拉伸徐变试验仪，其特征在于：包括上拉板、下拉板、拉杆、螺杆、弹簧、应力传感器和振弦式应变计，所述拉杆固定在下拉板上，且上端设有螺纹端；所述上拉板穿过拉杆上端并套在螺纹端上，且上拉板的上下两侧的螺纹端均设有螺母从而固定上拉板；所述上拉板和下拉板上均设有螺杆，并用于固定连接混凝土试件的上下两端，该混凝土试件的两侧设有振弦式应变计；所述上拉板上的螺杆伸出上拉板，而弹簧套在该螺杆的伸出端，同时螺杆还依次套有垫片和螺帽，所述应力传感器设在垫片与螺帽之间。

2.根据权利要求1所述混凝土轴心拉伸徐变试验仪，其特征在于：所述下拉板上的螺杆通过万向球铰与下拉板连接；同时所述上拉板上的螺杆伸出端与用于固定连接混凝土试件的下端也通过万向球铰连接。

3.根据权利要求2所述混凝土轴心拉伸徐变试验仪，其特征在于：所述混凝土试件的两端通过端部连接件分别与上拉板和下拉板的螺杆连接；所述端部连接件包括多根均匀分布埋入混凝土试件内部的螺纹杆和钢板，所述螺纹杆与钢板固定连接，其中处于钢板中心的螺纹杆分别与螺杆连接。

4.根据权利要求3所述混凝土轴心拉伸徐变试验仪，其特征在于：所述混凝土试件的两侧预埋有铜块，所述振弦式应变计粘接在铜块上，且量测标距为150mm。

5.根据权利要求4所述混凝土轴心拉伸徐变试验仪，其特征在于：所述应力传感器和振弦式应变计均与计算机连接。

6.一种利用权利要求1所述混凝土轴心拉伸徐变试验仪测试混凝土轴心拉伸徐变的测试方法，其特征在于包括以下步骤：

首先，将待测试的混凝土试件养护至规定龄期，并固定在试验仪上；

然后根据设定的应力水平，缓慢旋转螺帽调整对混凝土试件施加的轴心拉伸应力，同时振弦式应变计和应力传感器同时与计算机相连实时监测位移和应力变化；

接着，先加载至徐变应力的20%进行对中，直到混凝土试件两侧的变形相差小于平均值的10%，对中完毕；

继续加载至徐变应力，读出混凝土试件两侧的变形值，从而获得原始弹性应变；随后进入持荷过程，该过程中计算机自动采集数据，当应力传感器实时监测应力的损失超过5%，则调整螺帽使之恢复到原始值；

最后将混凝土试件的变形扣除同龄期的自由收缩变形，为混凝土试件在轴心拉伸荷载下的徐变变形；并通过徐边度c(t,t₀)和徐变系数φ(t，t₀)对混凝土轴心拉伸徐变变形的规律进行评价，其中徐边度和徐变系数通过公式（1）和（2）确定：

$C(t,t_0)=\frac{c(t,t_0)}{\mathrm{\σ}}---\left(1\right)$

公式（1）中，c(t,t₀)为t0时刻加载至t时刻的徐变应变；σ为徐变应力；

$\mathrm{\φ}(t,t_0)=\frac{c(t,t_0)}{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{el}}\left(t_0\right)}---\left(2\right)$

公式（2）中，ε_el(t₀)为t₀时刻加载的初始弹性应变。

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