CN108254247B - 一种不同养护条件下单轴混凝土约束的设备与方法 - Google Patents

Abstract

一种不同养护条件下单轴混凝土约束的设备与方法，该设备包括模板系统、温度系统、采集系统、荷载测量系统、控制系统和计算机系统；该模板系统包括约束模板和自由模板，约束模板的固定模板和活动模板之间等间隔设有若干钢筋，该钢筋表面粘贴有应变片；该温度系统包括带水泵的水箱，该水箱内设有控温装置及第二温度传感器；该荷载测量系统包括驱动装置，该驱动装置与一传动轴连接，该传动轴的末端与该活动模板中心通过拉杆固定连接；该采集系统的输入端与该位移传感器、该第一温度传感器、该第二温度传感器和该荷载传感器连接，该控制系统的输出端与该驱动装置、该控温装置及该水泵连接。该采集系统和控制系统均与该计算机系统连接。

Description

一种不同养护条件下单轴混凝土约束的设备与方法

技术领域

本发明属于水利水电工程技术领域，特别是一种不同养护条件下单轴混凝土约束的设备与方法。

背景技术

混凝土是一种多相的脆性材料，其抗拉强度远低于抗压强度。水工混凝土结构由于其断面较厚，水泥水化热难以散失，导致混凝土在过大温差以及内、外约束状态下产生拉应力。一旦拉应力超过其抗拉强度，混凝土便会开裂，对水工结构施工期、运行期间的安全性产生严重影响。

混凝土的抗拉强度、拉徐变系数等参数，需要借助实验室内的相关轴向加载设备获取，再用于大体积混凝土结构数值仿真计算，为大坝建造提供决策。轴向拉力作用于混凝土试件中轴是影响单轴约束试验结果的关键因素。但是, 由于混凝土材料的离散性以及试验条件的限制,轴拉试验要完全避免偏心很困难。一旦出现偏心,则所测得的强度误差较大。目前，混凝土单轴约束试验是试验内主要采用的评价混凝土徐变特性以及开裂特性的试验方法之一，但该方法仍存在不足：

(1)端部预埋拉杆：通过拉杆向混凝土端部传力。拉杆数一般是一根，为保证拉杆与混凝土间具有足够的粘结力,也可对称预埋多根拉杆。试件的测量由安装在试件中部的位移传感器测量。传统的混凝土试件位移测量方法主要采用：混凝土试件表面粘贴应变片，测量混凝土试件的变形，但该方法要求混凝土处于非流动状态，对于早龄期混凝土而言，测试困难；采用预埋于混凝土试件中部的位移传感器测量时，一套位移测量装置包括预埋杆、石英玻璃管，位移传感器以及相应的连接构件，影响位移测量数据准确性的因素过多。

(2)外夹式夹具：试件两端设计成哑铃状,试件模板形状与试件类似，通过膨大端向试件传力。制作中,要求模具尺寸要准确、严格对称，以保证试件安装在试验机上，施加拉力方向与试件轴向重合。外夹式简单易行,但是很难达到很好的轴拉效果：一方面，外夹式夹具在压力和拉力传递时，与试件的接触面发生变化，容易出现非轴心加载；另一方面，由于试件尺寸发生变化，容易在变截面处产生应力集中，导致试件开裂测试结果无效。

发明内容

本发明的目的是提供一种不同养护条件下单轴混凝土约束的设备与方法，其可以对不同养护温度条件下的混凝土开裂风险精准评估，为大体积混凝土结构温控优化设计提供参数基础。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：

一种不同养护条件下单轴混凝土约束的设备，它包括模板系统、温度系统、加载系统、采集系统、控制系统和计算机系统；

该模板系统包括约束模板和自由模板，二者均包括具有控温通道的上模板、下模板和两个对称的侧模板，形成截面呈矩形的筒状；该自由模板的侧模板两端分别设有具有控温通道的端部模板，该自由模板的上模板、下模板、侧模板和端部模板之间围构成密封的自由浇筑空间；该约束模板的侧模板两端分别设有固定模板和活动模板，该约束模板的上模板、下模板、侧模板、固定模板和活动模板之间围构成密封的约束浇筑空间；该固定模板和活动模板之间等间隔设有若干与该约束浇筑空间长度方向平行的钢筋，各钢筋到该约束浇筑空间中心的距离相等；该钢筋表面粘贴有应变片；该上模板、下模板、侧模板、端部模板、固定模板、活动模板、自由浇筑空间以及该约束浇筑空间中心均设有第一温度传感器；

该温度系统包括带水泵的水箱，该水箱具有出水管和回水管，该出水管分别连接至该上模板、下模板、侧模板、端部模板的控温通道的进水端，该回水管分别连接至该上模板、下模板、侧模板、端部模板的控温通道的出水端；该水箱内设有控温装置及第二温度传感器；

该加载系统包括驱动装置，该驱动装置与一传动轴连接，能够对该传动轴进行推拉；该传动轴的末端与该活动模板中心通过拉杆固定连接，该拉杆与该传动轴之间设有荷载传感器；

该采集系统的输入端与该应变片、该第一温度传感器、该第二温度传感器和该荷载传感器连接，该采集系统的输出端与该计算机系统的输入端连接；

该控制系统的输入端与该计算机系统的输出端连接，该控制系统的输出端与该驱动装置、该控温装置及该水泵连接。

进一步的，所述上模板、下模板、侧模板和端部模板外侧设有保温层。

进一步的，所述上模板为可拆卸式。

进一步的，所述驱动装置为电机。

一种不同养护条件下单轴混凝土约束的方法，利用所述的不同养护条件下单轴混凝土约束的设备，它包括下列步骤：

将搅拌完成的混凝土分别浇入所述约束浇筑空间和自由浇筑空间内，分别形成约束混凝土试件和自由混凝土试件；盖上上模板，预埋的第一温度传感器和应变片导线从上模板的预留孔穿出与采集系统相连；

计算机系统设定混凝土试件的预定温度和加载系统的荷载，开始试验，通过控温装置使水箱里的水达到预定温度，并通过水泵使水在所述控温通道内循环，对所述上模板、下模板、侧模板和端部模板的温度进行调控，最终使约束混凝土试件和自由混凝土试件的温度达到预定温度T；通过驱动装置对所述活动模板施加荷载，通过所述第一温度传感器、第二温度传感器测量温度数据，通过所述应变片测量变形数据；

将施加给混凝土试件的自由变形和约束度的历程带入公式(1)计算混凝土的最终变形：

ε(t)＝(1-γ)ε^sh (1)

式中，γ是设定的约束度；ε^sh是应变片测量的自由混凝土试件变形；

根据公式(2)计算得到混凝土任意龄期的应力为：

式中，ε是应变片测量的构件最终变形；α_s是钢筋的线膨胀系数；E_s是钢筋的弹性模量；A_s和A_c分别是钢筋和混凝土试件的截面面积；ΔT是混凝土试件的温度变化量。

进一步的，所述预定温度的历程计算如下：

针对实验当地的情况，将其月平均气温资料拟合成一条余弦曲线，下式(3) 为拟合后的计算公式：

式中，T_a为气温，T_am为年平均气温，A_a为气温年变幅，τ为时间(月)，τ₀为气温最高的时间(月)；

考虑气温日变化，采用下式(4)计算：

式中，

为日气温，T_a为月平均气温，A为气温日变化幅度，t为1天中的时刻 (时)根据不同地区的不同季节而定。

本发明的有益效果是：本发明不同养护条件下单轴混凝土约束的设备与方法，其可以对不同养护温度条件下的混凝土开裂风险精准评估，为大体积混凝土结构温控优化设计提供参数基础。

附图说明

图1是本发明不同养护条件下单轴混凝土约束的设备的结构示意图。

具体实施方式

以下仅以实施例说明本发明可能的实施态样，然而并非用以限制本发明所欲保护的范畴，先予叙明。

如图1所示，本发明提供一种不同养护条件下单轴混凝土约束的设备，它包括模板系统、温度系统、加载系统、采集系统、控制系统和计算机系统。

该模板系统包括约束模板A和自由模板B，二者均包括具有控温通道的上模板1、下模板2和两个对称的侧模板3，形成截面呈矩形的筒状。该自由模板B的侧模板3两端分别设有具有控温通道的端部模板4，该自由模板B的上模板1、下模板2、侧模板3和端部模板4之间围构成密封的自由浇筑空间C。该约束模板A的侧模板3两端分别设有固定模板5和活动模板6，该约束模板 A的上模板1、下模板2、侧模板3、固定模板5和活动模板6之间围构成密封的约束浇筑空间D。该上模板1、下模板2、侧模板3、端部模板4、固定模板 5、活动模板6、自由浇筑空间C以及该约束浇筑空间D中心均设有第一温度传感器。该上模板1为可拆卸式，该上模板1、下模板2、侧模板3和端部模板4外侧设有保温层。该固定模板5和活动模板6之间等间隔设有若干与该约束浇筑空间长度方向平行的钢筋7，各钢筋7到该约束浇筑空间D中心的距离相等，本发明以四根钢筋为例，但不以此为限。该钢筋7表面粘贴有应变片8，本发明将应变片8粘贴于钢筋7表面测量钢筋变形，由于试验过程中钢筋7和混凝土协同变形，因此应变片8显示的变形数据也可反应混凝土的变形。采用该方法较现有技术中两种方法更为简便，且影响因素更少，数据更精准。

该温度系统包括带水泵的水箱9，该水箱9具有出水管和回水管，该出水管分别连接至该上模板1、下模板2、侧模板3和端部模板4的控温通道的进水端，该回水管分别连接至该上模板1、下模板2、侧模板3和端部模板4的控温通道的出水端。该水箱9内设有控温装置及第二温度传感器。本发明的温度系统，基于计算机控制系统，可依照设定的温度历程对控温装置(加热和制冷装置)进行温度闭环控制：将液体送入水箱，利用加热和制冷组件，将液体调整到所需温度，利用增压组件(水泵)，将液体输入到控温通道中，使混凝土试件的温度按照预设曲线发展。为保证温度传递均匀，控温通道内部为同程循环液；PID精确计算控制加热与制冷装置，保证精细的冷热补偿，控制输入控温通道循环液的流量，使循环液的温度满足试验的各种要求。模板内部分成两层，与混凝土试件接触层为通水层，与空气接触部分为保温层，保温层可使得试件温度与环境箱内的温度隔绝，减小相互影响，易于温度控制。

该加载系统包括驱动装置10，例如电机，该驱动装置10与一传动轴11 连接，能够对该传动轴11进行推拉。该传动轴11的末端与该活动模板6中心通过拉杆12固定连接，该拉杆12与该传动轴11之间设有荷载传感器13。

该采集系统14的输入端与该应变片8、该第一温度传感器、该第二温度传感器和该荷载传感器13连接，该采集系统14的输出端与该计算机系统15的输入端连接。

该控制系统16的输入端与该计算机系统15的输出端连接，该控制系统16 的输出端与该驱动装置10、该控温装置及该水泵连接。

本发明还提供一种不同养护条件下单轴混凝土约束的方法，利用所述的不同养护条件下单轴混凝土约束的设备，它包括下列步骤：

将搅拌完成的混凝土分别浇入所述约束浇筑空间和自由浇筑空间内，分别形成约束混凝土试件和自由混凝土试件；盖上上模板，预埋的第一温度传感器和应变片导线从上模板的预留孔穿出与采集系统相连；

计算机系统设定混凝土试件的预定温度和加载系统的荷载，开始试验，通过控温装置使水箱里的水达到预定温度，并通过水泵使水在所述控温通道内循环，对所述上模板、下模板、侧模板和端部模板的温度进行调控，最终使约束混凝土试件和自由混凝土试件的温度达到预定温度T；通过驱动装置对所述活动模板施加荷载，通过所述第一温度传感器、第二温度传感器测量温度数据，通过所述应变片测量变形数据。电机对活动模板6施加压/拉力，电机施加的外荷载由钢筋7和混凝土共同承担。钢筋7与混凝土之间通过二者界面的粘结力传递压力和拉力，传力面固定，较传统的外夹式传力更为清晰，稳定。

约束混凝土试件的荷载由荷载传感器13测量，电机与荷载传感器13和混凝土试件组成传力体系。混凝土试件产生变形量ε，并达到预设变形限制时，电机接收计算机系统15控制指令，带动传动轴11对约束混凝土试件端部施加拉/压力，使约束混凝土试件位移变化至预设目标；重复上述过程可获取任意条件下约束混凝土试件的变形和约束应力变化数据，约束混凝土试件的位移值由设定的约束度和自由混凝土试件的位移值确定，将施加给约束混凝土试件的自由变形和约束度的历程带入公式(1)计算混凝土的最终变形：

ε(t)＝(1-γ)ε^sh (1)

式中，γ是设定的约束度；ε^sh是应变片测量的自由混凝土试件变形；

钢筋和混凝土共同受力，承担电机对构件施加的外荷载P

基于变形协调，可求得混凝土任意龄期的应力为

式中，ε是应变片测量的构件最终变形；α_s是钢筋的线膨胀系数；E_s是钢筋的弹性模量；A_s和A_c分别是钢筋和混凝土试件的截面面积；ΔT是混凝土试件的温度变化量。根据公式(2)便可计算出，任意温度历程和约束度条件下，混凝土约束应力的发展历程，并评价混凝土的开裂风险。

所述预定温度的历程计算如下：

针对实验当地的情况，将其月平均气温资料拟合成一条余弦曲线，下式(3) 为拟合后的计算公式：

式中，T_a为气温，T_am为年平均气温，A_a为气温年变幅，τ为时间(月)，τ₀为气温最高的时间(月)；

考虑气温日变化，采用下式(4)计算：

式中，

为日气温，T_a为月平均气温，A为气温日变化幅度，t为1天中的时刻 (时)根据不同地区的不同季节而定。

本发明优点如下：

1、本发明可以模拟不同养护条件下混凝土的自由变形和约束条件下的应力发展历程，通过荷载分离，获取混凝土的约束应力历程，提高试验的成功率，为混凝土工程施工和防裂提供参考。

2、本发明可以根据实际工程的混凝土温控技术要求，输入混凝土不同的温度边界，模拟多种混凝土养护条件。

3、本发明可以对不同养护条件下混凝土进行约束应力试验。

4、本发明可以对不同养护条件和约束度下钢筋混凝土的约束应力进行测量，并分离出混凝土应力。

5、本发明可以根据不同养护条件下试验得出的混凝土变形和应力等数据，对混凝土的开裂全过程进行分析评价，为混凝土的防裂设计提供参考。

本发明是以所述的权利要求所限定的。但基于此，本领域的普通技术人员可以做出种种显然的变化或改动，都应在本发明的主要精神和保护范围之内。

Claims (5)

1.一种不同养护条件下单轴混凝土约束的设备，其特征在于，它包括模板系统、温度系统、加载系统、采集系统、控制系统和计算机系统；

该模板系统包括约束模板和自由模板，二者均包括具有控温通道的上模板、下模板和两个对称的侧模板，形成截面呈矩形的筒状；该自由模板的侧模板两端分别设有具有控温通道的端部模板，该自由模板的上模板、下模板、侧模板和端部模板之间围构成密封的自由浇筑空间；该约束模板的侧模板两端分别设有固定模板和活动模板，该约束模板的上模板、下模板、侧模板、固定模板和活动模板之间围构成密封的约束浇筑空间；该固定模板和活动模板之间等间隔设有若干与该约束浇筑空间长度方向平行的钢筋，各钢筋到该约束浇筑空间中心的距离相等；该钢筋表面粘贴有应变片；该上模板、下模板、侧模板、端部模板、固定模板、活动模板、自由浇筑空间以及该约束浇筑空间中心均设有第一温度传感器；

该温度系统包括带水泵的水箱，该水箱具有出水管和回水管，该出水管分别连接至该上模板、下模板、侧模板、端部模板的控温通道的进水端，该回水管分别连接至该上模板、下模板、侧模板、端部模板的控温通道的出水端；该水箱内设有控温装置及第二温度传感器；

该加载系统包括驱动装置，该驱动装置与一传动轴连接，能够对该传动轴进行推拉；该传动轴的末端与该活动模板中心通过拉杆固定连接，该拉杆与该传动轴之间设有荷载传感器；

该采集系统的输入端与该应变片、该第一温度传感器、该第二温度传感器和该荷载传感器连接，该采集系统的输出端与该计算机系统的输入端连接；

该控制系统的输入端与该计算机系统的输出端连接，该控制系统的输出端与该驱动装置、该控温装置及该水泵连接。

2.根据权利要求1所述的不同养护条件下单轴混凝土约束的设备，其特征在于：所述上模板、下模板、侧模板和端部模板外侧设有保温层。

3.根据权利要求1所述的不同养护条件下单轴混凝土约束的设备，其特征在于：所述上模板为可拆卸式。

4.根据权利要求1所述的不同养护条件下单轴混凝土约束的设备，其特征在于：所述驱动装置为电机。

5.一种不同养护条件下单轴混凝土约束的方法，其特征在于：利用权利要求1至4中任一项所述的不同养护条件下单轴混凝土约束的设备，它包括下列步骤：

将搅拌完成的混凝土分别浇入所述约束浇筑空间和自由浇筑空间内，分别形成约束混凝土试件和自由混凝土试件；盖上上模板，预埋的第一温度传感器和应变片导线从上模板的预留孔穿出与采集系统相连；

计算机系统设定混凝土试件的预定温度和加载系统的荷载，开始试验，通过控温装置使水箱里的水达到预定温度，并通过水泵使水在所述控温通道内循环，对所述上模板、下模板、侧模板和端部模板的温度进行调控，最终使约束混凝土试件和自由混凝土试件的温度达到预定温度T；通过驱动装置对所述活动模板施加荷载，通过所述第一温度传感器、第二温度传感器测量温度数据，通过所述应变片测量变形数据；

将施加给约束混凝土试件的自由变形和约束度的历程带入公式(1)计算混凝土的最终变形：

ε(t)＝(1-γ)ε^sh (1)

式中，γ是设定的约束度；ε^sh是应变片测量的自由混凝土试件变形；

根据公式(2)计算得到混凝土任意龄期的应力为：

式中，ε是应变片测量的构件最终变形；α_s是钢筋的线膨胀系数；E_s是钢筋的弹性模量；A_s和A_c分别是钢筋和混凝土试件的截面面积；ΔT是混凝土试件的温度变化量；P(t)是任意龄期电机对构件施加的外荷载。

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