CN105699185A - 一种实现轴向近似梯度静应力的加载实验方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及静应力的加载实验技术，特别是一种实现轴向近似梯度静应力的加载实验方法及装置。本发明实现了对固体材料施加梯度静荷载，使其内部产生近似的梯度静应力，为研究材料在梯度静应力下相应力学特性提供一种有效的实验方法与装置。其简明，操作简单易行，可以实现多种应力梯度，如线性梯度静应力、非线性梯度静应力等，能够较为真实地模拟出工程结构(或介质)所处的应力环境，以便对其相应力学特性进行深入研究。

Description

一种实现轴向近似梯度静应力的加载实验方法及装置

技术领域

本发明涉及一种实现轴向近似梯度静应力的加载实验方法及装置。

背景技术

通过室内实验测定各种材料的力学性能是进行科学研究的主要方法之一。目前常规加载实验装置多数仅在试件(样)的两个端面进行加载，当试件(样)横截面面积相同时，每个横截面上的静应力大小相等。这样的加载方法仅能测试小尺寸试件的力学性能，比如对立方体的混凝土试件，其尺寸一般根据骨料最大粒径不同而选不同的尺寸，一般情况下选用150mm×150mm×150mm；对岩石试件进行静载试验时，其圆柱体尺寸一般是这些试验一般得出是在极限荷载下材料的变形和强度特性，不能模拟研究工程构件实际承受的应力环境。

工程结构实际中许多构件在正常工作时，多数情况下每个横截面上的静应力大小不相等，其大小沿构件的轴向具有一定的变化，即所谓的梯度应力。比如高层建筑中框架结构的混凝土柱，若其横截面面积相同，其横截面上从上往下承受的轴力逐渐增大，导致其横截面上的轴向压应力也逐渐增大，呈梯度应力状态。地下工程岩体(特别是深部工程岩体)开挖时，围岩体承受的静应力也属于梯度应力状态，这主要有以下两方面引起的：一是在仅考虑自重应力时，原岩应力大小在竖直方向呈线性变化，围岩的位置越深，自重地应力值越大；二是地下工程岩体开挖卸荷导致附近围岩体中的应力场发生较大变化，例对深埋圆形巷道开挖的理论分析表明，开挖后围岩径向应力的大小为(p₀是未开挖前的原岩应力大小，R₀是巷道半径，r是围岩到巷道圆心的距离)。目前学术界有一个共识，在研究材料或构件力学特性时，应该考虑构件的实际受力环境，比如在研究材料或构件的动力特性时，应该先模拟出与实际吻合的静力环境。因此在研究上述构件的其他力学特性时，必须模拟出与实际一致的梯度静应力环境。基于此，本发明提出一种实现轴向近似梯度静应力的加载实验方法及装置。

发明内容

本发明的目的是提供一种实现轴向近似梯度静应力的加载实验方法及装置，它简便易行，能对不同固体材料施加轴向不同大小的梯度静应力。

本发明的技术方案如下：

一种实现轴向近似梯度静应力的加载实验装置，包括平台，固定于平台四角的立柱，在平台的中央设置有基座；在立柱上配有上下滑动的水平框架，水平框架由升降装置驱动；在水平框架的中央设置有矩形框，矩形框的中心与基座中心位于同一铅垂线上(轴线)；试件直立于基座上，其上端套于矩形框中；试件自上而下的两组相对侧面上交替安装有加载梁；加载梁上对称地布置有加载孔，加载孔上对称地挂有砝码；同时位于试件同一侧面上相邻的下一加载梁的长度短于上一加载梁的长度，防止下一加载梁影响上一加载梁上砝码的悬挂。

所述的试件自上而下的两组相对侧面上交替安装有加载梁，即在试件上端前后侧面上安装第一级加载梁，紧挨第一级加载梁下边缘的左右侧面上安装第二级加载梁；紧挨第二级加载梁下边缘的前后侧面上安装第三级加载梁，紧挨第三级加载梁下边缘的左右侧面上安装第四级加载梁，以此类推安装所有加载梁。

所述的加载梁由等边角钢预制而成，两根长度相同的角钢组成一对加载梁(即一级加载梁)，通过螺栓连接夹紧在试件的两相对侧面上，角钢上对称地布置有加载孔。

加载梁与试件中间加一层橡胶垫，橡胶垫的厚度为2mm～5mm。

试件是由拟研究材料加工而成的、横截面为矩形的长方体，具体尺寸根据需要确定。一般可选取为：长×宽×高为30mm～100mm×30mm～100mm×1000mm～3000mm，试件竖直放置在混凝土基座上。

砝码的规格根据加载的需要选取，当所需静应力梯度较小时，砝码可为高密度合金钢预制成不同质量的正方体，规格为0.5kg、1kg、2kg、3kg、4kg等依次增加；当所需静应力梯度较大时，砝码用密度更大的材料铅预制，以节约有限的操作空间。但考虑到安全性和可操作性，单个砝码的质量不宜超过25kg。每个砝码的上下表面设有悬挂钩，以便于砝码和加载梁、砝码和砝码之间的连接。

加载梁由相同型号、不同长度的等边角钢预制而成，两根长度相同的角钢组成一对加载梁(构成一级加载梁)，通过螺栓连接夹在试件的两相对侧面上(前后侧面或左右侧面)。每根角钢上预留两个对称螺栓孔和若干个对称的加载孔，通过螺栓孔用螺栓将一对加载梁固定在试件的两相对侧面上，将相应的砝码左右对称悬挂在加载孔上，进而对试件施加轴向载荷。为保证施加载荷的合力作用线与试件的轴线平行，进而消除偏心压缩现象，两螺栓孔中心的连线与角钢的轴线必须平行，且螺栓孔和加载孔在加载梁上必须左右对称分布。在保证加载梁刚度和稳定性的前提下，等边角钢的边宽应尽量小，对同一试件，边宽越小应力梯度越精确，边宽越大应力梯度越接近阶跃突变应力，根据材料力学中集中力和分布力的知识，当边宽与试件长度之比小于等于0.05时，即可认为不同横截面上的应力沿试件轴向方向呈梯度形式变化。

为便于在试件上布置其他测试件，以及最大程度消除安装加载梁旋紧螺栓时对试件的挤压影响，沿试件轴线方向从上往下安装的加载梁分别交替布置在试件的两组不同相对侧面上(前后侧面固定一对加载梁，再在左右侧面固定一对加载梁)，即前后相对侧面上加载梁的安装方向与左右相对侧面上加载梁的安装方向垂直。为消除加载梁对试件产生的不利影响，加载梁与试件中间加一层橡胶垫，橡胶垫的厚度以2mm～5mm为宜。螺栓孔到试件表面的距离应根据测试设备的尺寸确定，且应尽可能小，以增大加载梁、橡胶垫和试件之间的摩擦，防止相对滑动。

为确保加载梁和砝码的重量施加在试件上，安装加载梁的顺序自上至下，上级加载梁和砝码安装牢固之后，才能安装下一级加载梁和砝码，避免由于加载梁往下滑动而出现上一级加载梁上的载荷传递到下一级加载梁上。

螺栓用于固定一对加载梁，其规格依据施加砝码的质量采用普通螺栓或高强度螺栓。

基座固定于平台上，其作用有两个，一是使试件最下端距地面有一段距离，以使最下一级加载梁上的砝码不接触地面；二是基座上表面水平，使试件最大限度保持竖直。基座采用高强度混凝土制备，其形状为长方体，其长×宽×高为150mm—200mm×150mm—200mm×200mm—500mm，具体尺寸由试件横截面尺寸和加载级数确定。

平台上固定有立柱，由四根直径为50mm、高度为3500mm—4000mm的40Cr合金钢制作。立柱上套有可升降的水平框架，水平框架的中央设有矩形框，矩形框的尺寸与试件的横截面相同，矩形框无间隙套在试件上端外侧，使试件在实验过程中保持稳定竖直状态的作用，但其仅对试件产生水平向的约束，对试件没有竖直方向的约束，即试验过程中，试件可以自由产生竖直方向的变形。

升降装置采用电动葫芦，根据不同试件的高度，使用升降装置调整水平框架的高度，以固定试件。

一种实现轴向近似梯度静应力的加载实验方法，包括以下步骤：

(1)根据所需应力梯度选择加载梁尺寸并计算砝码规格和数量，对确定的试件尺寸并结合需要加载的应力梯度，计算加载梁尺寸。如试件的横截面尺寸长×宽为30mm×30mm时，宜选择边宽为30mm的3号角钢制备加载梁。在此基础上，计算每级加载需要的砝码规格和数量。比如，拟实现线性梯度时，即σ(x)＝(G₁(x)+G₂(x)+G₃(x)+G₄(x))/A为关于x的线性函数，也即σ(x)＝Kx，K称为应力梯度，单位为MPa/m，x为试件横截面的坐标，以第一级加载梁的上边缘为起点x＝0，单位为m。式中，A为试件1横截面面积；G₁(x)为x横截面(包含x截面)以上所有加载级砝码的重量之和；G₂(x)为x横截面(包含x截面)以上所有加载级横梁的重量之和；G₃(x)为x横截面(包含x截面)以上试件的自重；G₄(x)为x横截面(包含x截面)以上所有螺栓的重量之和。在忽略试件自重G₃(x)和螺栓重G₄(x)的前提下，砝码重G₁(x)和加载梁重G₂(x)之和为x的线性函数，依据选择的每级加载梁的规格计算其重量，进而可以确定对应加载级的砝码重量和所需规格及个数。

(2)在试件侧面上标记出加载梁的安装位置并黏贴橡胶垫。两根角钢组成一对加载梁，两根角钢安装在试件相对的两侧面(前后面或左右面)，在确定加载梁尺寸的基础上，从试件上端沿轴线方向交替在其前后侧面和左右侧面分别标记出加载梁的安装位置。根据加载梁安装位置的尺寸，用厚度为2-5mm橡胶制备橡胶垫，并用502胶水黏贴在安装位置处，以保证固定好加载梁并预防加载梁对试件造成损伤。

(3)调整水平框架高度固定试件；将试件竖直放在基座的中心位置，升降电葫芦调整水平框架的高度，使其中的矩形框正好套在试件的最上端；通过固定电葫芦高度保持水平框架固定，保证试验过程中试件始终保持竖直状态。

(4)加载梁和砝码的安装；紧贴矩形框的下边缘，用螺栓将第一级的一对加载梁水平安装到试件上两相对侧面的已标示区域，调整加载梁的位置，使其与试件的轴线对称布置并且垂直后，拧紧螺栓，固定加载梁的位置，然后在加载梁的对称加载孔上悬挂相应砝码。待第一级加载梁安装和砝码悬挂完毕并稳定后，在另一相对的两侧面上，紧贴着第一级加载梁的下边缘，用螺栓将第二级加载梁安装到试件上，方法与第一级加载梁相同，完成第二级加载梁的安装和相应砝码悬挂。依次重复上述步骤，完成所有加载梁的安装和相应砝码的悬挂。

本发明实现了对固体材料施加梯度静荷载，使其内部产生近似的梯度静应力，为研究材料在梯度静应力下相应力学特性提供一种有效的实验方法与装置。其简明，操作简单易行，可以实现多种应力梯度，如线性梯度静应力、非线性梯度静应力等，能够较为真实地模拟出工程结构(或介质)所处的应力环境，以便对其相应力学特性进行深入研究。

附图说明

图1为本发明的实现轴向近似梯度静应力的加载实验装置的主视图(后视图同主视图)；

图2为本发明的实现轴向近似梯度静应力的加载实验装置的左视图(右视图同左视图)；

图3为本发明的实现轴向近似梯度静应力的加载实验装置中水平框架的示意图；

图4为本发明的实现轴向近似梯度静应力的加载实验装置中一对加载梁的示意图；

图中：1—试件，2—加载梁，3—砝码，4—基座，5—立柱，6—水平框架，7—矩形框，8—平台，9—升降装置(电葫芦)，10—螺栓，11—加载孔。

具体实施方式

本发明轴向近似梯度静应力加载时，要将试件1竖直地安放于基座4上，并升降电葫芦9以调整水平框架6的高度，使其中的矩形框7正好套在试件1的最上端，固定好试件1；使用螺栓10将每一对加载梁2从上往下分级水平安装到试件1的前后和左右侧面上，前后侧面上的加载梁2轴线与左右侧面上的加载梁2轴线垂直，加载梁2均以试件1的轴线对称布置。砝码3悬挂于加载梁2两端的加载孔11上，通过调整加载梁2上悬挂砝码3的重量实现(包含加载梁2的重量)梯度应力改变，试件1加载段任一横截面的内力σ(x)是由该横截面以上加载梁2重G₂(x)、砝码3重G₁(x)、试件1自重G₃(x)和螺栓10重G₄(x)共同引起的，即σ(x)＝(G₁(x)+G₂(x)+G₃(x)+G₄(x))/A，A为试件1横截面面积。但当施加砝码3荷载值较大时，试件1自重和螺栓10重较小，后者的载荷可忽略不计。比如，当每一级加载梁2、砝码3的重量之和相等时，在试件1的加载段即可形成线性梯度静应力，二者重量和越大，静应力的梯度越大；当每一级加载梁2、砝码3的重量之和成线性递增时，即形成二次函数形式的梯度静应力。

下面将结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明：

实施例1：

本实施例将详述线性梯度静应力的加载过程。参见附图，梯度静应力加载装置中试件1为花岗岩，长×宽×高的尺寸为50mm×50mm×1500mm，密度为2500kg/m³。所用到的加载梁2由3号角钢制备，其长度和砝码规格及个数如表1所示，实现的加载梯度为2MPa/m。

表1：实施例1加载方案

加载实验方法包括以下步骤：

(1)根据所需应力梯度选择加载梁尺寸及计算砝码规格和数量。根据本实施例花岗岩试件1尺寸并结合需要加载的应力梯度，确定加载梁2由厚度为3mm的3号角钢制备，同一侧面上相邻两级加载梁2长度差值为50mm；在此基础上，计算得到每一级加载需要的砝码规格和数量，计算结果如表1所示。

(2)在试件1侧面上标记出加载梁2的安装位置并黏贴橡胶垫。两根角钢组成一对加载梁2，两根角钢安装在试件1相对的两侧面(前后面或左右面)，在确定加载梁2尺寸的基础上，从试件1上端沿轴线方向交替在其前后侧面和左右侧面分别标记出加载梁2的安装位置，即第1、3、5、7、…级加载梁安装在试件1的前后侧面上，第2、4、6、8、....级加载梁2安装在试件1的左右侧面上。根据加载梁2安装位置的尺寸，用厚度为2-5mm橡胶制备橡胶垫，并用502胶水黏贴在安装位置处，以保证固定好加载梁2并预防加载梁2对试件1造成损伤。

(3)调整水平框架6高度并固定试件1。将试件1竖直放置在基座4之上，升降电葫芦9调节水平框架6的高度，使其中的矩形框7正好套在试件1的最上端。通过固定电葫芦9高度固定水平框架6，保证实验过程中试件1始终保持竖直状态。

(4)加载梁2和砝码3的安装。紧贴矩形框7的下边缘，用螺栓10将第一级的一对加载梁2水平安装到试件1上前后两侧面的已标示区域，调整加载梁2的位置，使其与试件1的轴线对称布置并且垂直后，拧紧螺栓10，固定加载梁2的位置，然后在加载梁2的对称加载孔11上悬挂相应砝码3。待第一级加载梁2安装和砝码3悬挂完毕并稳定后，在试件1左右的侧面上，紧贴着第一级加载梁2的下边缘，用螺栓10将第二级加载梁2安装到试件1上，方法与第一级加载梁2安装相同，完成第二级加载梁2的安装和相应砝码3悬挂。依次交替重复上述步骤，完成所有加载梁2的安装和相应砝码3的悬挂。

实施例2：本实施例将进一步介绍实现近似非线性梯度静应力的加载方法。近似梯度静应力加载装置中试件1为砂岩，尺寸为50mm×50mm×1500mm，密度为2300kg/m³。所用到加载梁及砝码如表2所示。

表2：实施例2加载方案

加载步骤和实施例1相同。

若仍以K表示应力的梯度，则本实施例中非线性梯度K是一个与试件1横截面坐标x线性相关的参数，即K＝kx，k为相关系数，单位为MPa/m²，反映了应力梯度变化的快慢，本实施例k＝0.67MPa/m²。因此本实施例的砂岩试件1中将形成与试件横截面坐标x成二次函数关系的梯度静应力。由于本实施例中试件1的自重较小，相对于施加的荷载可以忽略，因此，在计算静应力及其梯度时忽略试件1本身的自重。

通过以上两个实例可以看出，本发明提供的实现梯度静应力的加载装置及方法简单有效，可以模拟固体材料所处的线性和非线性等真实静应力环境，为开展材料相应力学特性地研究工作提供了一种方便快捷、可靠性强、成本较低的实验方法和装置。

Claims (7)

1.一种实现轴向近似梯度静应力的加载实验装置，其特征是：包括平台，固定于平台四角的立柱，在平台的中央设置有基座；在立柱上配有上下滑动的水平框架，水平框架由升降装置驱动；在水平框架的中央设置有矩形框，矩形框的中心与基座中心位于同一铅垂线上；试件直立于基座上，其上端套于矩形框中；试件自上而下的两组相对侧面上交替安装有加载梁，加载梁上对称地布置有加载孔，加载孔上对称地挂有砝码；同时位于试件同一侧面上相邻的下一加载梁的长度短于上一加载梁的长度。

2.根据权利要求1所述的一种实现轴向近似梯度静应力的加载实验装置，其特征是：所述的试件自上而下的两组相对侧面上交替安装有加载梁，即在试件上端前后侧面上安装第一级加载梁，紧挨第一级加载梁下边缘的左右侧面上安装第二级加载梁；紧挨第二级加载梁下边缘的前后侧面上安装第三级加载梁，紧挨第三级加载梁下边缘的左右侧面上安装第四级加载梁，以此类推安装所有加载梁。

3.根据权利要求1所述的一种实现轴向近似梯度静应力的加载实验装置，其特征是：所述的加载梁由等边角钢预制而成，两根长度相同的角钢组成一对加载梁，通过螺栓连接夹紧在试件的两相对侧面上，角钢上对称地布置有加载孔。

4.根据权利要求1所述的一种实现轴向近似梯度静应力的加载实验装置，其特征是：加载梁与试件中间加一层橡胶垫，橡胶垫的厚度为2mm～5mm。

5.依据权利要求1所述的装置实现轴向近似梯度静应力的加载实验的方法，其特征是：包括下述步骤：

(1)根据试件尺寸、所需应力梯度选择加载梁尺寸并计算砝码规格和数量；

(2)在试件侧面上标记出加载梁的安装位置并黏贴橡胶垫；两根角钢组成一对加载梁，两根角钢安装在试件相对的两侧面，在确定加载梁尺寸的基础上，从试件上端沿轴线方向交替在其前后侧面和左右侧面分别标记出加载梁的安装位置；根据加载梁安装位置的尺寸，用厚度为2-5mm橡胶制备橡胶垫，并用502胶水黏贴在安装位置处；

(3)调整水平框架高度固定试件；将试件竖直放在基座的中心位置，启动升降装置调整水平框架的高度，使其中的矩形框正好套在试件的最上端；接着通过固定升降装置高度来保持水平框架固定；

(4)加载梁和砝码的安装；紧贴矩形框的下边缘，将第一级加载梁水平安装到试件上两相对侧面的已标示区域，调整加载梁的位置，使其与试件的轴线对称布置并且垂直后，固定加载梁，然后在加载梁的对称加载孔上悬挂相应砝码；待第一级加载梁安装和砝码悬挂完毕并稳定后，在另一相对两侧面上，紧贴着第一级加载梁的下边缘，将第二级加载梁安装到试件上，安装加载梁和悬挂砝码方法与第一级加载梁相同；依次交替重复上述步骤，完成所有加载梁的安装和相应砝码的悬挂。

6.根据权利要求5所述的实现轴向近似梯度静应力的加载实验的方法，其特征是：步骤(1)中当试件的横截面尺寸：长×宽为30mm×30mm时，选择边宽为30mm的3号角钢制备加载梁；在此基础上，计算每级加载需要的砝码规格和数量；拟实现线性梯度时，即σ(x)＝(G₁(x)+G₂(x)+G₃(x)+G₄(x))/A为关于x的线性函数，也即σ(x)＝Kx，K称为应力梯度，单位为MPa/m，x为试件横截面的坐标，以第一级加载梁的上边缘为起点x＝0，单位为m；A为试件横截面面积；在忽略试件自重G₃(x)和螺栓重G₄(x)的前提下，砝码重G₁(x)和加载梁重G₂(x)之和为x的线性函数，依据选择的每级加载梁的规格计算其重量，进而可以确定对应加载级的砝码重量和所需规格及个数。

7.根据权利要求6所述的实现轴向近似梯度静应力的加载实验的方法，其特征是：加载参数见表1：

表1：加载方案