CN107271283A - 一种获取大坝混凝土轴拉峰后软化段的测定装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种获取大坝混凝土轴拉峰后软化段的测定装置及方法，用来解决大坝混凝土直接拉伸试验中的偏心问题，对于混凝土这类准脆性材料，局部裂纹的形成会导致试件偏心破坏，必须采取有效措施控制裂纹均匀扩展，本装置对传统试验机进行改进，球铰装置可有效消除二次弯矩的影响，保证荷载的轴向传递，加入可瞬时调节试件变形的驱动钢架，确保试件在加载过程中变形均匀扩展，在混凝土试件内部插入弹模与混凝土材料相近的铜杆，稳定裂缝发展，消除试验系统引起的应变能量释放，从而得到轴拉试验下大坝混凝土试件平滑的峰后应力‑应变曲线。

Description

一种获取大坝混凝土轴拉峰后软化段的测定装置及方法
技术领域
本发明涉及水工混凝土结构与材料领域，是一种获取大坝混凝土轴拉峰后软化段的测定装置及方法。
背景技术
混凝土作为一种准脆性材料，抗压强度高，而抗拉强度低。大坝混凝土在荷载作用下的的失效通常是因所受到的拉应力超过其极限抗拉强度，从而导致构件发生严重的开裂以至结构破坏，失去承载力。因此开展对大坝混凝土材料拉伸力学特性的研究尤为重要。研究混凝土材料拉伸力学特性最直接的试验方法是通过单轴拉伸试验将拉力直接施加到混凝土试样上，即轴拉试验，由此确定的抗拉强度最接近混凝土的真实强度值。
然而目前的轴拉试验测试装置和方法还不够完善，一旦混凝土试件达到峰值应变后开裂后，就会产生偏心加载的问题。偏心加载会导致试件端部产生二次弯矩，使得试件内部产生应力梯度，降低混凝土的拉伸强度，这样的加载方式对混凝土峰后软化段的获取产生很大影响，而测定混凝土轴拉软化段，对于揭示混凝土材料的断裂机理，分析其断裂行为和进一步评估混凝土的性能来说至关重要。因此，目前的轴拉试验装置测得的数据不能反映混凝土的真实拉伸性能。为了更好地获取轴拉峰后软化段，混凝土轴拉力学特性测试装置及方法仍有待改进。
发明内容
本发明所解决的技术问题是提供一种获取大坝混凝土轴拉峰后软化段的测定装置及方法，在较为简单的装置和操作技术下对大坝混凝土的轴拉峰后软化段进行测定。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案为：一种用于获取大坝混凝土轴拉峰后软化段的测定装置，其特征在于：包括钢制套头、球铰、钢臂、钢制夹具、两侧钢杆、铜杆、铜杆应变片、钢杆应变片、引伸计、混凝土试件,所述钢臂与两侧钢杆组成独立于试验机的驱动钢架，所述驱动钢架分别固定连接钢制夹具和球铰，所述球铰与钢制套头相配合，所述混凝土试件中部插入有铜杆，所述铜杆中部粘贴铜杆应变片，混凝土试件固定在钢制夹具中间，钢杆应变片粘贴于两侧钢杆中部，混凝土试件中部还安装有引伸计，试验机的传力装置选用自由转动的球铰，消除二次弯矩的影响，保证荷载的轴向传递。
进一步的，铜杆的直径为10mm～20mm，混凝土试件内部预留上下贯通圆柱状孔洞以便插入铜杆，在试件中部插铜杆，铜杆的弹模和混凝土材料接近，具有很高的屈服应力。铜杆中部粘贴应变片，和狗骨头形混凝土试件一同固定在钢制夹具中间。
进一步的，两侧钢杆的直径为5mm～15mm。
进一步的，混凝土试件为狗骨头形混凝土试件。
进一步的，狗骨头形混凝土试件的尺寸为高400m，两端的圆柱状高80mm，直径200mm，中间圆柱状高80mm，直径120mm。
进一步的，驱动钢架上安装有旋转齿轮，通过旋转齿轮的转动可以调节钢杆固定端的螺栓，从而降低或增高钢杆的高度，直至两边达到平衡状态。当试件一侧的受拉变形超过对面一侧的变形时，调节变形相对较大一侧的旋转齿轮，通过齿轮的旋转带动螺栓的拧紧或放松，从而降低或增高钢杆的高度，直至两边达到平衡状态。
一种用于获取大坝混凝土轴拉峰后软化段的测定方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一：将铜杆插入混凝土试件中预留的孔洞，所述铜杆中部粘贴铜杆应变片，用金属夹头将混凝土试件夹紧，铜杆通过螺纹端旋拧并固定，在固定好的混凝土试件中部安装引伸计，并将引伸计和铜杆应变片接入多通道应变仪，所测应变分别经运算放大器处理，导入数据采集系统；
步骤二：安装驱动钢架，在两侧钢杆上分别粘贴钢杆应变片，钢杆应变片接入多通道应变仪，所测应变分别经运算放大器处理，导入数据采集系统，调节两侧旋转齿轮使钢杆应变片读数归零；
步骤三：启动试验，对铜杆上应变片和混凝土试件中部引伸计调零，加载过程中，观察两侧钢杆上的应变片读数，通过调节齿轮，确保试件在加载过程中变形均匀扩展；步骤四：得出混凝土试件轴拉试验下完整的应力-应变曲线，其中混凝土材料中部截面的拉应力为：
式中Ft为合力，Eb为铜杆线弹性模量，σb铜杆截面所受拉应力，Sb为铜杆截面面积，Sc为混凝土截面面积；
在加载过程中，混凝土试件和铜杆作为整体共同受力，合力为：
Ft＝Fc+Fb＝σbSb+σcSc
式中Fc为试件中部混凝土材料截面所受合力，Fb为铜杆所受合力，Sc为混凝土截面面积，Sb为铜杆截面面积，σc为混凝土材料截面所受拉应力，σb铜杆截面所受拉应力；
其中，由于铜杆是线弹性材料，因此σb铜杆截面所受拉应力为：
σb＝Ebεb
式中Eb为铜杆线弹性模量，εb为铜杆应变，可由黏贴在铜杆上的应变片获得。
本发明所达到的有益效果：本发明公开了一种获取大坝混凝土轴拉峰后软化段的测定装置及方法，用来解决大坝混凝土直接拉伸试验中的偏心问题，对于混凝土这类准脆性材料，局部裂纹的形成会导致试件偏心破坏，必须采取有效措施控制裂纹均匀扩展，本装置对传统试验机进行改进，球铰装置可有效消除二次弯矩的影响，保证荷载的轴向传递，加入可瞬时调节试件变形的驱动钢架，确保试件在加载过程中变形均匀扩展；在混凝土试件内部插入弹模与混凝土材料相近的铜杆，稳定裂缝发展，消除试验系统引起的应变能量释放，从而得到轴拉试验下大坝混凝土试件平滑的峰后应力-应变曲线。
附图说明
图1单轴拉伸试验装置系统示意图；
图2单轴拉伸试验装置主剖视图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
下面结合实例对本发明作更进一步的说明。
如图1和图2所示，一种用于获取大坝混凝土轴拉峰后软化段的测定装置，其特征在于：包括钢制套头1、球铰2、钢臂3、钢制夹具4、两侧钢杆5、铜杆6、铜杆应变片7、钢杆应变片8、引伸计9、混凝土试件10，所述钢臂3与两侧钢杆5组成独立于试验机的驱动钢架，所述驱动钢架分别固定连接钢制夹具4和球铰2，所述球铰2与钢制套头1使用螺丝相连接，所述混凝土试件10中部插入有铜杆6，在直径18mm的铜杆的对立面中部粘贴铜杆应变片7。试验时，铜杆6和混凝土试件10都固定在钢制夹具4中间，钢杆应变片8粘贴于两侧钢杆5中部，混凝土试件10中部还安装有引伸计9。
铜杆6的直径为18mm，混凝土试件内部预留上下贯通圆柱状孔洞以便插入铜杆6，两侧钢杆5的直径为10mm，混凝土试件为狗骨头形混凝土试件10，狗骨头形混凝土试件的尺寸为高400m，两端的圆柱状高80mm，直径200mm，中间圆柱状高80mm，直径120mm，驱动钢架上安装有旋转齿轮11，通过旋转齿轮11的转动可以调节钢杆固定端的螺栓，从而降低或增高钢杆的高度，直至两边达到平衡状态，经多次研究，铜杆6钢杆5的直径数据以及狗骨头形混凝土试件的尺寸可控制裂纹均匀扩展，达到较好的测定结果。
一种用于获取大坝混凝土轴拉峰后软化段的测定方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一：将铜杆插入混凝土试件中预留的孔洞，所述铜杆6中部粘贴铜杆应变片7，用金属夹头将混凝土试件夹紧，铜杆通过螺纹端旋拧并固定，在固定好的混凝土试件中部安装引伸计，并将引伸计和铜杆上应变片7接入多通道应变仪，所测应变分别经运算放大器处理，导入数据采集系统；
步骤二：安装驱动钢架，在两侧钢杆上分别粘贴钢杆应变片8，钢杆应变片8接入多通道应变仪，所测应变分别经运算放大器处理，导入数据采集系统，调节两侧旋转齿轮使钢杆应变片8读数归零，同时经过运算放大器处理过的应变数据通过平衡系统得到平均应变后，反馈到闭环加载控制器，从而自动调控对试件进行荷载施加的过程；
步骤三：启动试验，对铜杆上应变片和试件中部引伸计调零，加载过程中，观察两侧钢杆上的应变片读数，通过调节齿轮，确保试件在加载过程中变形均匀扩展；两侧钢杆上中部分别粘贴应变片。加载过程中，通过观察两侧钢杆上的应变片读数，确保试件在加载过程中变形均匀扩展。
步骤四：得出混凝土试件轴拉试验下完整的应力-应变曲线，其中混凝土材料中部截面的拉应力为：
式中Ft为合力，Eb为铜杆线弹性模量，σb铜杆截面所受拉应力，Sb为铜杆截面面积，Sc为混凝土截面面积；
在加载过程中，混凝土试件和铜杆作为整体共同受力，合力为：
Ft＝Fc+Fb＝σbSb+σcSc
式中Fc为试件中部混凝土材料截面所受合力，Fb为铜杆所受合力，Sc为混凝土截面面积，Sb为铜杆截面面积，σc为混凝土材料截面所受拉应力，σb铜杆截面所受拉应力；
其中，由于铜杆是线弹性材料，因此σb铜杆截面所受拉应力为：
σb＝Ebεb
式中Eb为铜杆线弹性模量，εb为铜杆应变，可由黏贴在铜杆上的应变片获得。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种用于获取大坝混凝土轴拉峰后软化段的测定装置，其特征在于：包括钢制套头、球铰、钢臂、钢制夹具、两侧钢杆、铜杆、铜杆应变片、钢杆应变片、混凝土试件,所述钢臂与两侧钢杆组成独立于试验机的驱动钢架，所述驱动钢架分别固定连接钢制夹具和球铰，所述球铰与钢制套头相配合，混凝土试件固定在钢制夹具中间，钢杆应变片粘贴于两侧钢杆中部，所述混凝土试件中部插入有铜杆，所述铜杆中部粘贴铜杆应变片。
2.根据权利要求1所述的一种用于获取大坝混凝土轴拉峰后软化段的测定装置，其特征在于：铜杆的直径为10mm～20mm，混凝土试件内部预留上下贯通圆柱状孔洞以便插入铜杆。
3.根据权利要求2所述的一种用于获取大坝混凝土轴拉峰后软化段的测定装置，其特征在于：两侧钢杆的直径为5mm～15mm。
4.根据权利要求1所述的一种用于获取大坝混凝土轴拉峰后软化段的测定装置，其特征在于：混凝土试件中部还安装有引伸计。
5.根据权利要求1所述的一种用于获取大坝混凝土轴拉峰后软化段的测定装置，其特征在于：混凝土试件为狗骨头形混凝土试件，狗骨头形混凝土试件的尺寸为高400m，两端的圆柱状高80mm，直径200mm，中间圆柱状高80mm，直径120mm。
6.根据权利要求1所述的一种用于获取大坝混凝土轴拉峰后软化段的测定装置，其特征在于：驱动钢架上安装有旋转齿轮，通过旋转齿轮的转动可以调节钢杆固定端的螺栓，从而降低或增高钢杆的高度，直至两边达到平衡状态。
7.一种用于获取大坝混凝土轴拉峰后软化段的测定方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一：将铜杆插入混凝土试件中预留的孔洞，所述铜杆中部粘贴铜杆应变片，用金属夹头将混凝土试件夹紧，铜杆通过螺纹端旋拧并固定，在固定好的混凝土试件中部安装引伸计，并将引伸计和铜杆应变片接入多通道应变仪，所测应变分别经运算放大器处理，导入数据采集系统；
步骤二：安装驱动钢架，在两侧钢杆上分别粘贴钢杆应变片，钢杆应变片接入多通道应变仪，所测应变分别经运算放大器处理，导入数据采集系统，调节两侧旋转齿轮使钢杆应变片读数归零；
步骤三：启动试验，对铜杆上应变片和混凝土试件中部引伸计调零，加载过程中，观察两侧钢杆上的应变片读数，通过调节齿轮，确保试件在加载过程中变形均匀扩展；
步骤四：得出混凝土试件轴拉试验下完整的应力-应变曲线，其中混凝土材料中部截面的拉应力σc为：
<mrow> <msub> <mi>&amp;sigma;</mi> <mi>c</mi> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>F</mi> <mi>t</mi> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>E</mi> <mi>b</mi> </msub> <msub> <mi>&amp;sigma;</mi> <mi>b</mi> </msub> <msub> <mi>S</mi> <mi>b</mi> </msub> </mrow> <msub> <mi>S</mi> <mi>c</mi> </msub> </mfrac> </mrow>
式中Ft为合力，Eb为铜杆线弹性模量，σb铜杆截面所受拉应力，Sb为铜杆截面面积，Sc为混凝土截面面积。
8.根据权利要求7所述的一种用于获取大坝混凝土轴拉峰后软化段的测定方法，其特征在于：在加载过程中，混凝土试件和铜杆作为整体共同受力，合力Ft为：
Ft＝Fc+Fb＝σbSb+σcSc
式中Fc为试件中部混凝土材料截面所受合力，Fb为铜杆所受合力，Sc为混凝土截面面积，Sb为铜杆截面面积，σc为混凝土材料截面所受拉应力，σb铜杆截面所受拉应力；
其中，由于铜杆是线弹性材料，因此铜杆截面所受拉应力σb为：
σb＝Ebεb
式中Eb为铜杆线弹性模量，εb为铜杆应变，可由黏贴在铜杆上的应变片获得。
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