CN108303318A - 一种测试偏心受压混凝土耐久性的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种测试偏心受压混凝土耐久性的装置，包括：试验台；固定在试验台上的反力架，反力架侧壁对称设有两块固定块，固定块下方设有沿反力架上下移动的加载杆；压缩系统，分为上压缩件与下压缩件，上压缩件上端与反力架顶部固定，下压缩件下端与横向加载杆固定，上压缩件下端与下压缩件上端均设有固定钢夹，试验台和横向加载杆之间设置第一千斤顶；固定于反力架侧壁上的弯曲加载系统；条件试验循环系统，用于提供混凝土试件试验环境；数据采集控制器。利用本发明的装置进行试验，具有真实准确、简单可操作，造价低廉等特点，最大限度的逼近输电铁塔混凝土桩基在盐蚀或冻融环境下同时承受压缩与风荷载作用的工况。
Description
技术领域
本发明涉及混凝土强度与耐久性试验领域，尤其是涉及一种测试偏心受压混凝土耐久性的装置及方法。
背景技术
新疆具有广袤的土地及丰富的风力资源，输电线路穿越戈壁、绿洲，将能源输送到本地千家万户，也输送到内地大城小镇。电力能源的输送离不开输电铁塔，支撑输电铁塔的混凝土桩的长久安全直接关系到输电铁塔以及整个输电线路的安全。支撑铁塔的混凝土桩承受水平风荷载而弯曲，同时混凝土桩在铁塔巨大的自重下承受轴向压缩作用，即支撑铁塔的混凝土桩承受偏心受压作用。而且，新疆地表盐渍化严重，每年盐蚀导致大量基础设施损坏。
除此之外，新疆属于季冻区，冬季地表温度低于冰点，混凝土空隙中的水变成冰晶体积膨胀，同时混凝土外的未冻结水向混凝土内冰结晶迁移，导致混凝土中空隙中的冰晶体积急剧增大，冰晶体积急剧增大在混凝土内部产生巨大的劈裂力，表现在宏观上质量损失，完整性下降，强度降低，夏季温度变暖，冰晶消失，周而复始，研究表明水分补充是冻胀的主要原因，每年由于冻融导致大量基础设施损坏。
目前国内外可用于测试混凝土盐蚀耐久性仪器设备很多，测试混凝土强度的设备也有报道。但是针对新疆特殊地域条件和塔基的受力特点，即测试盐蚀环境下偏心受压混凝土耐久性的试验装置及方法却鲜有人研究。
发明内容
本发明提供一种测试偏心受压混凝土耐久性的装置及方法，具有真实准确、简单可操作，造价低廉等特点，最大限度的接近输电铁塔混凝土桩基在盐蚀或冻融环境下同时承受压缩与风荷载的工况，为承受较大风荷载且盐渍土或冻土广布地区的输电铁塔混凝土桩基的研究提供技术支持和理论指导。
一种测试偏心受压混凝土耐久性的装置，包括：
试验台；
反力架，固定在试验台上；所述反力架设有沿两边侧壁上下移动的横向加载杆；
压缩系统，分为上压缩件与下压缩件，所述上压缩件上端与反力架顶部固定，所述下压缩件下端与横向加载杆固定，所述上压缩件下端与下压缩件上端均设有固定钢夹，所述试验台和横向加载杆之间设置第一千斤顶；
弯曲加载系统，安装在反力架侧壁，用于对混凝土试件提供弯曲载荷；
条件试验循环系统，用于提供混凝土试件的试验环境；
数据采集控制器，与压缩系统和弯曲加载系统电连接；
所述弯曲加载系统包括：
第二千斤顶，固定在第二千斤顶底部与反力架侧壁之间的第二压力传感器，用于固定混凝土试件的试件固定环，所述第二千斤顶的顶部与试件固定环相抵。
本发明通过压缩系统、弯曲加载系统协同作用，使其可以同时作用于混凝土试件上以达到模拟混凝土同时承受压缩、弯曲载荷的工况。
作为优选，所述上压缩件上端通过球铰与反力架顶部固定，所述下压缩件下端通过球铰与加载杆固定。
作为优选，所述固定钢夹内表面设有密封橡胶垫。固定钢夹使轴向压缩的作用力更加均匀的作用于混凝土表面，而通过设置密封橡胶垫，又对混凝土试件压缩起到缓冲作用。既可保证力的有效传递又可防止应力不均匀引起的混凝土试件破坏。
作为优选，所述第一千斤顶与横向加载杆之间设有第一压力传感器，所述第一压力传感器与数据采集控制器电连接。
通过调节第一千斤顶，使可上下移动的横向加载杆向上移动，对混凝土试件产生轴向压缩作用，混凝土试件的轴向压缩作用强度通过第一压力传感器测得。
本发明利用第二千斤顶为混凝土试件弯曲提供动力，第二千斤顶作用于试件固定环，既可保证力的有效传递又可防止第二千斤顶直接作用于混凝土试件造成应力集中引起的混凝土试件破坏。弯曲载荷的大小通过第二压力传感器值测得。
本发明装置中，所述条件试验循环系统可以为盐蚀系统，所述的盐蚀系统包括：
橡胶套，包裹在混凝土试件外侧，并用沙土填充之间的空隙；
密封橡胶圈，位于混凝土试件端部将混凝土试件与橡胶套密封；
马氏瓶，装有盐水，与橡胶套相连，通过进气管调节盐水在混凝土试件的侵没高度。
混凝土试件上下两端利用橡胶圈密封防止盐水漏出，马氏瓶灌满待用盐水与橡胶套相连，对混凝土试件提供恒定盐蚀水位，混凝土试件盐蚀水位以上部分利用沙土的毛细作用进行盐蚀，以此最大限度的模拟真实环境。
作为优选，所述条件试验循环系统还可以为冻融系统，所述冻融系统包括：
橡胶套，包裹在混凝土试件外侧，并用沙土填充之间的空隙；
密封橡胶圈，位于混凝土试件端部将混凝土试件与橡胶套密封；
马氏瓶，装有纯水，与橡胶套相连，通过进气管调节纯水在混凝土试件的侵没高度；
冻融环境试验箱，包裹所述试验台、反力架、压缩系统和弯曲加载系统以提供冻融环境。
本发明还提供了一种利用上述任一技术方案所述测试偏心受压混凝土盐蚀耐久性的装置进行实验的方法，包括以下步骤：
步骤1，压缩系统、弯曲加载系统和条件试验循环系统相互配合，将混凝土试件固定在反力架内；
步骤2，调节压缩系统中第一千斤顶，推动横向加载杆向上移动迫使其轴向挤压混凝土试件，当数据采集控制器采集到压力达到设定数值时停止加载，这时混凝土轴向压应力为：
其中，σ1为混凝土试件轴向压应力，F1为数据采集控制器采集到压缩系统的压力，A为混凝土试件截面面积；
步骤3，调节弯曲加载系统中的第二千斤顶，推动试件固定环，使混凝土试件受到偏心压力，当数据采集器采集到压力达到设定数值时停止加载，则第二千斤顶对混凝土试件施加的弯矩值为：
其中，M为混凝土试件承受的弯曲载荷最大弯矩值，F2为数据采集控制器采集的弯曲加载系统的压力值，L为混凝土试件长度；
步骤4，将试验完成混凝土试件取出，置于万能混凝土压缩试验机上得到混凝土试件轴心抗压强度标准值，然后计算立方体抗压强度标准值，计算公式为：
其中，fcu,k为立方体抗压强度标准值，fck为轴心抗压强度标准值，αc1为棱柱体强度与立方体强度的比值，αc2为混凝土脆性系数。
本发明通过压缩系统、弯曲载荷系统和条件试验循环系统的协同作用，使其可以同时作用于混凝土试件上，最大限度的逼近输电铁塔混凝土桩基在盐蚀或冻融环境下同时承受压缩、风荷载作用的工况；该装置结构简单，方便操作，通过调节千斤顶，可以较大范围的调节压缩力以及弯曲作用力的大小，采集大量数据用于研究分析，为承受较大风荷载且盐渍土或冻土广布地区的输电铁塔混凝土桩基的研究提供技术支持和理论指导。
附图说明
图1为本发明装置带盐蚀系统的结构示意图；
图2为压缩系统的结构示意图；
图3为弯曲加载系统的结构示意图；
图4为盐蚀系统的结构示意图；
图5为本发明装置带冻融系统的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的描述：
如图1所示，一种测试偏心受压混凝土耐久性的装置，包括试验台1、反力架2、压缩系统、弯曲加载系统3、条件试验循环系统和数据采集控制器5。本实施例中，条件试验循环系统采用盐蚀系统4。反力架2安装在试验台1上，反力架2侧壁设有一块固定块6，固定块6下方设有可以沿反力架2侧壁上下移动的横向加载杆7。压缩系统包括上压缩件、下压缩件、第一千斤顶8以及第一压力传感器9。上压缩件上端通过球铰10与反力架2顶部固定，下压缩件9下端通过球铰10与横向加载杆7固定，第一千斤顶8底部安装在试验台1上，顶部安装第一压力传感器9后与横向加载杆7相抵。第一压力传感器9与数据采集控制器5电连接。
如图2所示，压缩系统中，上压缩件与下压缩件对称设置，上压缩件下部与下压缩件上部均固定有固定钢夹11，固定钢夹11内表面设有橡胶垫12，在对混凝土试件压缩时起到缓冲作用。
如图3所示，弯曲加载系统包括第二千斤顶31、试件固定环32以及第二压力传感器33，第二千斤顶31底部安装第二压力传感器33后固定在反力架2侧壁上，第二压力传感器33都与数据采集控制器5电连接。
利用第二千斤顶31为混凝土试件弯曲提供动力，第二千斤顶31作用于固定于试件中部的试件固定环32，既可保证力的有效传递又可防止第二千斤顶31直接作用于混凝土试件造成应力集中引起混凝土破坏。荷载的大小通过位于第二千斤顶31与反力架2之间的第二压力传感器33测得。
如图4所示，盐蚀系统4包括沙土42、橡胶套43和马氏瓶44；混凝土试件置于橡胶套43中并用沙土42对称填充空隙，上下两端利用密封橡胶垫12密封，马氏瓶44灌满待用盐水与橡胶套43相连。通过马氏瓶44上的进气管45调节盐水在混凝土试件的侵没高度，对混凝土试件提供恒定盐蚀水位，混凝土试件盐蚀水位以上部分利用沙土42的毛细作用进行盐蚀，最大限度的模拟真实环境。
如图5所示，该试验装置中的条件试验循环系统还可以采用冻融系统，与采用盐蚀系统的装置相比，马氏瓶44装的是纯水，且在装置外部设有冻融环境试验箱13用来包裹整个试验装置以提供冻融环境。将马氏瓶44马氏瓶44灌满待用纯水与橡胶套43相连。通过马氏瓶44上的进气管45调节纯水在混凝土试件的侵没高度，对混凝土试件提供恒定水位，混凝土试件水位以上部分利用沙土42的毛细作用进行补充，运行冻融环境试验箱13降低试验环境的温度，最大限度的模拟真实的冻融环境。
利用带盐蚀系统的装置，测试偏心受压混凝土耐久性的方法，包括以下步骤：
(1)将待测的混凝土试件放入橡胶套43中，并在两者之间用2cm厚沙土42压紧填实；
(2)在可移动的横向加载杆7与试验台1之间安放第一压力传感器9及第一千斤顶8；
(3)将试件固定环32固定在橡胶套43密封的混凝土试件的中间部位；
(4)将密封橡胶垫12放置在混凝土试件两端并用固定钢夹5固定；
(5)调节第一千斤顶8推动横向加载杆7上移固定混凝土试件；
(6)在试件固定环32平齐位置安装固定第二千斤顶31与第二压力传感器33；
(7)将马氏瓶44内灌注盐水后密封并与橡胶套43连接，调节进气管45使侵没混凝土试件的盐水侵没高度达到指定高度，侵没以上部分通过沙土42毛细作用进行水分补充，以更加逼近真实环境。
(6)调节压缩系统中第一千斤顶8，推动横向加载杆7向上移动迫使其压缩混凝土试件，当第一压力传感器9到达设定数值时停止加载，这时混凝土轴向压应力为：
其中，σ1为混凝土试件轴向压应力，F1为第一压力传感器显示压力值，A为混凝土试件截面面积；
(7)调节弯曲加载系统中的第二千斤顶31，推动试件固定环32，使混凝土试件受到偏心压力，并由数据采集器采集第二压力传感器33的荷载F2，则第二千斤顶31对混凝土试件施加的弯矩值为：
其中，M为混凝土试件承受的弯曲载荷最大弯矩值，F2为数据采集控制器采集的第二压力传感器的压力值，L为混凝土试件长度；
(8)将试验完成混凝土试件取出，置于万能混凝土压缩试验机上得到混凝土试件轴心抗压强度标准值，并通过规范建议关系式获得工程实践所用立方体抗压强度标准值，所述立方体抗压强度标准值计算公式为：
其中，fcu,k为立方体抗压强度标准值，fck为轴心抗压强度标准值，αc1为棱柱体强度与立方体强度的比值(混凝土结构设计规范GB 50010-2010)，αc2为混凝土脆性系数(混凝土结构设计规范GB 50010-2010)。
Claims (7)
1.一种测试偏心受压混凝土耐久性的装置，其特征在于，包括：
试验台；
反力架，固定在试验台上；所述反力架设有沿两边侧壁上下移动的横向加载杆；
压缩系统，分为上压缩件与下压缩件，所述上压缩件上端与反力架顶部固定，所述下压缩件下端与横向加载杆固定，所述上压缩件下端与下压缩件上端均设有固定钢夹，所述试验台和横向加载杆之间设置第一千斤顶；
弯曲加载系统，安装在反力架侧壁，用于对混凝土试件提供弯曲载荷；
条件试验循环系统，用于提供混凝土试件的试验环境；
数据采集控制器，与压缩系统和弯曲加载系统电连接；
所述弯曲加载系统包括：
第二千斤顶，固定在第二千斤顶底部与反力架侧壁之间的第二压力传感器，用于固定混凝土试件的试件固定环，所述第二千斤顶的顶部与试件固定环相抵。
2.根据权利要求1所述的测试偏心受压混凝土耐久性的装置，其特征在于，所述上压缩件上端通过球铰与反力架顶部固定，所述下压缩件下端通过球铰与横向加载杆固定。
3.根据权利要求1所述的测试偏心受压混凝土耐久性的装置，其特征在于，所述固定钢夹内表面设有密封橡胶垫。
4.根据权利要求1所述的测试偏心受压混凝土耐久性的装置，其特征在于，所述千斤顶与横向加载杆之间设有第一压力传感器，所述第一压力传感器与数据采集控制器电连接。
5.根据权利要求1所述的测试偏心受压混凝土耐久性的装置，其特征在于，所述条件试验循环系统为盐蚀系统，所述的盐蚀系统包括：
橡胶套，包裹在混凝土试件外侧，并用沙土填充之间的空隙；
密封橡胶圈，位于混凝土试件端部将混凝土试件与橡胶套密封；
马氏瓶，装有盐水，与橡胶套相连，通过进气管调节盐水在混凝土试件的侵没高度。
6.根据权利要求1所述的测试偏心受压混凝土耐久性的装置，其特征在于，所述条件试验循环系统为冻融系统，所述的冻融系统包括：
橡胶套，包裹在混凝土试件外侧，并用沙土填充之间的空隙；
密封橡胶圈，位于混凝土试件端部将混凝土试件与橡胶套密封；
马氏瓶，装有纯水，与橡胶套相连，通过进气管调节纯水在混凝土试件的侵没高度；
冻融环境试验箱，包裹所述试验台、反力架、压缩系统和弯曲加载系统以提供冻融环境。
7.一种利用权利要求1-6任一项所述测试偏心受压混凝土耐久性的装置进行试验的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，压缩系统、弯曲加载系统和条件试验循环系统相互配合，将混凝土试件固定在反力架内；
步骤2，调节压缩系统中第一千斤顶，推动横向加载杆向上移动迫使其轴向挤压混凝土试件，当数据采集控制器采集到压力达到设定数值时停止加载，这时混凝土轴向压应力为：
其中，σ1为混凝土试件轴向压应力，F1为数据采集控制器采集到压缩系统的压力，A为混凝土试件截面面积；
步骤3，调节弯曲加载系统中的第二千斤顶，推动试件固定环，使混凝土试件受到偏心压力，当数据采集器采集到压力达到设定数值时停止加载，则第二千斤顶对混凝土试件施加的弯矩值为：
其中，M为混凝土试件承受的弯曲载荷最大弯矩值，F2为数据采集控制器采集的弯曲加载系统的压力值，L为混凝土试件长度；
步骤4，将试验完成混凝土试件取出，置于万能混凝土压缩试验机上得到混凝土试件轴心抗压强度标准值，然后计算立方体抗压强度标准值，计算公式为：
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- 2018-02-01 CN CN201810101167.5A patent/CN108303318B/zh active Active
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