CN108692834A - 一种用于验证内荷载作用下混凝土应力试验装置 - Google Patents

一种用于验证内荷载作用下混凝土应力试验装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于验证内荷载作用下混凝土应力试验装置，其温度应力测试系统包括可编程式人工气候试验箱、静定结构、超静定结构、温度应力约束装置；智能温控系统包括温度应力试验装置中的对称布设于装置四周用高强螺栓固定于上下压板的空心圆柱杆件、布置于空心圆柱杆件表面的温度传感器、负反馈温控装置；振弦式静态应变测试系统包括布置于静定结构与超静定结构内部的温度传感器、振弦式应变计、无线振弦多通道自动采集系统。本发明中的温度应力试验装置在可编程式人工气候试验箱中保持恒定温度变形，可用于模拟应变计和无应力计，对比研究混凝土试件在温度荷载作用下的应力‑应变情况。

Description

一种用于验证内荷载作用下混凝土应力试验装置
技术领域
本发明涉及一种用于验证内荷载作用下混凝土应力试验装置，具体地说是涉及一种可用于对比研究自由与两端完全约束混凝土由于温度或湿度变化造成的应力的试验装置。
背景技术
随着混凝土坝高度的增加，其在施工期和初蓄水期由于内外温差和内外湿度差产生的温度应力和干缩应力将相应增大。因此，全面了解混凝土坝在温度荷载/湿度荷载作用下的应力与应变的分析测量计算方法和应力计算方法，运用混凝土试件模拟研究混凝土坝在内荷载作用下的应力-应变情况，不仅有利于大坝安全管理工作的开展，也有利于混凝土坝的长效服役。
在温度荷载作用下，混凝土试件与约束装置均会受温度变化而产生变形；在湿度荷载作用下，混凝土试件会受到湿度变化而变形，但湿度变化对约束装置变形情况影响较小。目前，对混凝土温度应力计算分析及内荷载作用下的自由变形的监测，通常要在大体积混凝土建筑物中的关键点埋设应变计和无应力计。但关于可用于实验室中模拟应变计和无应力的应力试验装置目前还不是十分完善，故本发明专利公开了一种用于在可编程式人工气候试验箱中模拟应变计和无应力计的温度应力或干缩应力试验装置。
当验证温度应力时，考虑约束装置若为普通钢材，其线膨胀系数大约为12×10-6m/℃；混凝土的线膨胀系数8～12×10-6m/℃，具体数值决定于骨料种类、含量和混凝土配合比，按平均线膨胀系数(10×10-6m/℃)计算；将二者放置于可编程式人工气候试验箱中，如果试验箱中的温度变化1℃时，可得约束装置的变形大于混凝土试件的变形；因此，在试验箱中温度均匀变化下，约束装置与混凝土试件均会受到温度荷载影响，约束装置对混凝土试件的约束状态将会改变，使试验中测得的混凝土变形与温度应力，并非完全由混凝土试件自身的温度变化产生。因此，对于温度荷载实验，如何在不改变可编程式人工气候试验箱中的温度环境条件下，对约束装置的变形进行控制，使试验中测得的混凝土试件的应力与应变为由于温度变化产生的轴向应力与应变，是运用人工气候试验箱进行混凝土试验急需解决的问题。
发明内容
本发明目的是克服现有技术中的不足，提供一种用于人工气候试验箱的温度应力/干缩应力试验装置，其可用于对比研究自由与两端完全约束的混凝土的温度应力/干缩应力。在可编程式人工气候试验箱中，在控制约束装置温度变形一定的条件下，通过均匀调节试验箱温度/湿度研究自由混凝土试件的温度变形/干缩变形、两端约束混凝土的温度应力/干缩应力，在相同的试验条件下，运用自由试件与两端约束试件的关系，研究混凝土试件在最不利约束程度条件下由于温度或湿度变化造成的开裂问题。
为了解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现：
一种用于验证内荷载作用下混凝土应力试验装置，包括温度应力测试系统、智能温控系统和振弦式静态应变测试系统；其中，温度应力测试系统包括可编程式人工气候试验箱、静定结构、超静定结构和温度应力约束装置；智能温控系统包括温度应力约束装置中的对称布设于装置四周两端带螺纹的空心圆柱杆件、布置于空心圆柱杆件表面的温度传感器和负反馈温控装置；振弦式静态应变测试系统包括布置于静定结构与超静定结构内部的温度传感器、振弦式应变计、无线振弦多通道自动采集系统。
进一步改进，所述温度应力测试系统中的静定结构、超静定结构均为混凝土试件。
进一步改进，所述温度应力约束装置为包括上压板、下压板以及连接于上压板、下压板之间由高强度大六角螺母固定的两端带有螺纹的空心圆柱杆件；上压板和下压板均为带有中心与周围通孔、与引线固定端连接的圆形厚钢板，上压板、下压板的中心通孔均为引线通孔，上压板引线通孔可让温度传感器的引线通过，下压板引线通孔可让应变计的引线通过；周围通孔用于通过四根空心圆柱杆件；在混凝土浇筑时，下压板先与浇筑混凝土试件的空心圆柱形套筒连接，进行混凝土浇筑后，上压板再与混凝土试件连接；同时，浇筑自由与超静定混凝土试件时，均在两端埋设引线固定端，以保证两试件除了约束条件外完全一致。
进一步改进，所述负反馈温控装置包括放置于空心圆柱杆件内部可加热抽拉式的实心圆柱杆件和高稳定型自力式温度控制器，实心圆柱杆件和高稳定型自力式温度控制器通过导线连接。
进一步改进，所述振弦式应变计用于测量静定结构与超静定结构的应变，静定结构在温度均匀变化荷载作用下产生温度变形，超静定结构由于受到两端上压板、下压板的约束在温度均匀变化荷载作用下产生温度应力；温度传感器用于检测混凝土试件温度，与试验箱显示温度进行校核，与无线振弦多通道自动采集系统连接；无线振弦多通道自动采集系统与计算机连接，用于采集和显示静定结构与超静定结构应变及温度数据，进而计算温度变形。
进一步改进，人工气候试验箱中的环境不同于常温，会使温度应力约束装置产生温度变形；空心圆柱杆件中放置实心圆柱加热杆件，在加热杆件局部温度场与人工气候试验箱温度场的叠加作用下，通过温度应力约束装置及智能温控系统通过控制四根空心圆柱杆件的温度保持于人工气候试验箱的上限温度不变，使其产生固定的温度变形，进而控制温度应力约束装置对超静定结构的约束，使约束始终保持于最不利约束状态。
进一步改进，通过控制空心圆柱杆件温度维持约束装置的稳定变形进而保持约束装置对超静定结构的约束状态，而非采用温度均匀变化时计算约束装置不同部分温度变形的措施，可减少或消除在材料线膨胀系数不同情况下，换算温度变形时由于温度变化不同步所引起应变的误差。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
所述空心圆柱杆件中放置实心圆柱加热杆件结合智能控温系统控制约束装置温度变形的措施使约束装置对超静定混凝土试件的约束处于最不利约束状态；保持稳定温度变形时仅需采用普通碳素钢，如Q235号钢，便能通过控制约束装置中杆件的温度控制杆件温度变形，而不需使用铟钢等小线膨胀系数、价格昂贵的钢材，是具有较好经济效益的试验装置；并且，本装置通过控制空心圆柱杆件温度维持约束装置的稳定变形进而保持约束装置对超静定结构的约束状态，而非采用温度均匀变化时计算约束装置不同部分温度变形的措施，可减少或消除在材料线膨胀系数不同情况下，换算温度变形时由于温度变化不同步所引起应变的误差。
当验证干缩应力时，方法更简单，因为约束装置为金属材质，不会随着箱内环境湿度变化而变化，只有混凝土试件的湿度随着箱内环境湿度变化而变化。
附图说明
图1是本发明用于验证内荷载作用下混凝土应力试验装置中温度应力试验装置示意图。
图2是本发明用于验证内荷载作用下混凝土应力试验装置中温度应力试验装置具体各部分示意图。
图3是本发明用于验证内荷载作用下混凝土应力试验装置中温度应力试验装置具体各部分示意图。
图4是本发明中负反馈温控装置示意图。
图5是本发明中温度应力约束装置各部分组成示意图。
图6是本发明中温度应力约束装置俯视图。
图7是图6温度应力约束装置俯视图中A-A剖面的半剖视立面图。
图8是本发明一种用于验证内荷载作用下混凝土应力试验装置中干缩应力试验装置示意图。
图9是本发明用于验证内荷载作用下混凝土应力试验装置中干缩应力试验装置具体各部分示意图。
图10是本发明用于验证内荷载作用下混凝土应力试验装置中干缩应力试验装置具体各部分示意图。
图中：1温度应力测试系统、2智能温控系统、3振弦式静态应变测试系统、4可编程式人工气候试验箱、5静定结构、6超静定结构、7温度应力约束装置、8两端带有螺纹的空心圆柱杆件、9温度传感器、10振弦式应变计、11无线振弦多通道自动采集系统、12可加热抽拉式的实心圆柱杆件、13高稳定型自力式温度控制器、14负反馈温控装置、15上压板、16下压板、17引线固定端、18上压板引线通孔、19下压板引线通孔、20压板的周围通孔、21干缩应力测试系统、22振弦式静态应变测试系统、23湿度应力约束装置、24湿度传感器。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
对于温度应力试验装置：
参见图1，一种用于验证温度荷载作用下混凝土应力试验装置，包括温度应力测试系统1、智能温控系统2和振弦式静态应变测试系统3。
如图2、图3、图4，图1中的温度应力测试系统1、智能温控系统2、振弦式静态应变测试系统3具体构成如下：
温度应力测试系统1包括可编程式人工气候试验箱4、静定结构5、超静定结构6和温度应力约束装置7，可编程式人工气候试验箱的温度变化范围为-20℃～150℃，静定结构5与超静定结构6均为混凝土试件；
智能温控系统2包括温度应力约束装置7、对称布设于约束装置7四周的两端带有螺纹的空心圆柱杆件8、布置于空心圆柱杆件8表面的温度传感器9以及负反馈温控装置14；其中，负反馈温控装置14如图4所示，包括放置于空心圆柱杆件8内部可加热抽拉式的实心圆柱杆件12，高稳定型自力式温度控制器13。
振弦式静态应变测试系统3包括布置于静定结构5与超静定结构6内部的温度传感器9及振弦式应变计10、无线振弦多通道自动采集系统11，振弦式应变计10用于测量静定结构5与超静定结构6的温度应变，静定结构5在温度均匀变化荷载作用下产生温度变形，超静定结构6由于受到两端上下压板的约束在温度均匀变化荷载作用下产生温度应力；理论上，可编程式人工气候试验箱4显示温度即为静定结构5、超静定结构6温度，但考虑到温度场传递有滞后效应，便在静定结构5、超静定结构6内部布设温度传感器9，温度传感器9的引线由上压板引线通孔接出，与无线振弦多通道自动采集系统11连接，以测量混凝土试件内部温度，用于与可编程式人工气候试验箱显示温度进行对比，用于校核试件温度；无线振弦多通道自动采集系统11与计算机连接，用于采集和显示静定结构5与超静定结构6应变及温度数据，进而计算温度变形。
图5是本发明中温度应力约束装置7各部分组成示意图，包括上压板15、下压板16以及连接于上下压板之间由高强度大六角螺母固定于压板四周的空心圆柱杆件8；上下压板是带有中心与周围通孔，与引线固定端17连接的直径为220mm、厚度为30mm的圆形钢板；压板的中心通孔是引线通孔，上压板引线通孔18可让探测试件温度的温度传感器的引线通过，下压板引线通孔19可让振弦式应变计10的引线通过；图6中周围通孔20用于通过四根空心圆柱杆件8；引线固定端17是轴向切面圆直径渐变式的渐变截面体，作用是固定混凝土试件、传递引线，同时防止因前期浇筑过程中混凝土水化热释放完成后温度下降而使混凝土试件收缩而与上下压板脱离，引线固定端17使得约束装置7与超静定混凝土试件6成为牢固结合的整体，引线固定端17与压板固定一侧的截面圆直径为20mm,与混凝土试件固定一侧的截面圆直径为40mm,引线固定端17设置为渐变截面体的目的是，让混凝土的轴向应力更好地传递至上下压板，不易发生应力集中现象；在静定混凝土试件5与超静定混凝土试件6浇筑时，静定混凝土试件5与超静定混凝土试件6均在相同的空心圆柱形套筒中浇筑，套筒与试件的长度相等，为500-600mm中某个定值；此浇筑用套筒内径与混凝土试件直径一致，为50-80mm中某个定值，套筒厚度为20mm；浇筑前，下压板16先与浇筑用空心圆柱形套筒连接，进行混凝土浇筑后，上压板15与其引线固定端17再与混凝土试件连接；浇筑完成后，再将此浇筑用的空心圆柱形套筒去除，此时，上下压板及其引线固定端17与混凝土试件紧密嵌入。同时，浇筑自由与超静定混凝土试件时，均在两端埋设引线固定端17，以保证两试件除了约束条件外完全一致；
图6是温度应力约束装置俯视图，其中超静定混凝土试件6，8是内径为20mm、外径为30mm的两端带有螺纹的空心圆柱杆件，15是上压板，17是引线固定端，18是上压板中直径为7mm的中心引线圆形通孔，20是上压板中直径为30mm的周围圆形通孔；其中，空心圆柱杆件8与上下压板通过钢结构用高强度大六角螺母在周围通孔20处拧紧。由于浇筑混凝土试件6时空心圆柱杆件8处于室温，而进行混凝土试件试验时最高温度要升到约80℃，相较于室温，空心圆柱杆件会产生温度变形，为了保证上下压板对混凝土试件6的约束处于最不利约束状态，需要在升温后进一步拧紧高强大六角螺母，使上下压板与超静定混凝土试件6完全接触，同时，杆件控制温度为试验时可编程式人工气候试验箱的上限温度；
图7是图6温度应力约束装置俯视图中A-A剖面的半剖视立面图；图中，8是内径为20mm、外径为30mm的空心圆柱杆件，15、16为直径为220mm、厚度为30mm上下圆形钢板，17是引线固定端；
制造试验装置过程中，温度应力约束装置7、两端带有螺纹的空心圆柱杆件8、可加热抽拉式的实心圆柱杆件12、上压板15、下压板16、引线固定端17均采用线膨胀系数为12×10-6m/℃的Q235号钢制造；
使用本装置研究混凝土试件在最不利约束程度条件下由于温度变化造成的开裂问题时，首先，在常温下进行混凝土浇筑：静定混凝土试件5与超静定混凝土试件6长度相等，为500～600mm中某个定值，均在内径为50～80mm中某个定值、厚度为20mm的空心圆形套筒中浇筑，两个混凝土试件除了两端约束状态不同外，制备工艺与试验环境等条件完全相同；其次，在人工气候试验箱进行混凝土温度应力试验时，通过智能控温系统2控制四根空心圆柱杆件8的温度为80℃，为保持对超静定混凝土试件的约束状态，进一步拧紧高强大六角螺母；启动人工气候试验箱，使混凝土试件的温度连续变化，测量静定试件5的应变，由温度应力理论△Lt＝ε×L换算为温度变形，进一步地，运用静力平衡条件△Lt＝△LFn，可计算处于最不利约束状态下的超静定杆件6两端由于温度荷载作用下产生的轴向应力。
对于干缩应力试验装置，只将与温度应力试验装置不同处进行说明：
图8是本发明一种用于验证内荷载作用下混凝土应力试验装置中干缩应力试验装置示意图；在干缩应力试验装置中，只包括干缩应力测试系统21、振弦式静态应变测试系统22；由于约束装置为金属材质，受湿度荷载影响小，即无需设置约束变形控制装置使得约束装置处于稳定变形；
如图9、图10，图8中的干缩应力测试系统21、振弦式静态应变测试系统22描述如下：
湿度应力测试系统21由可编程式人工气候试验箱4、静定结构5、超静定结构6、湿度应力约束装置23构成，8是对称布设于湿度应力约束装置23四周两端带螺纹的空心圆柱杆件，可编程式人工气候试验箱的湿度变化范围为30％-98％，静定结构5与超静定结构6均为混凝土试件；
振弦式静态应变测试系统22包括布置于静定结构5与超静定结构6内部的湿度传感器24及振弦式应变计10、无线振弦多通道自动采集系统11，振弦式应变计10用于测量静定结构5与超静定结构6的干缩应变，静定结构5在湿度均匀变化荷载作用下产生干缩变形，超静定结构6由于受到两端上下压板的约束在湿度均匀变化荷载作用下产生干缩应力；理论上，可编程式人工气候试验箱4显示湿度即为静定结构5、超静定结构6湿度，但考虑到湿度场传递有滞后效应，便在静定结构5、超静定结构6内部布设湿度传感器24，湿度传感器24的引线由上压板引线通孔接出，与无线振弦多通道自动采集系统11连接，以测量混凝土试件内部湿度，用于与可编程式人工气候试验箱显示湿度进行对比，校核试件湿度；无线振弦多通道自动采集系统11与计算机连接，用于采集和显示静定结构5与超静定结构6应变及湿度数据，进而计算干缩变形。
本发明中涉及的未说明部份与现有技术相同或采用现有技术加以实现。

Claims (7)

1.一种用于验证内荷载作用下混凝土应力试验装置，其特征是，包括温度应力测试系统(1)、智能温控系统(2)和振弦式静态应变测试系统(3)；其中，温度应力测试系统(1)包括可编程式人工气候试验箱(4)、静定结构(5)、超静定结构(6)和温度应力约束装置(7)；智能温控系统(2)包括温度应力约束装置(7)中的对称布设于装置四周两端带螺纹的空心圆柱杆件(8)、布置于空心圆柱杆件(8)表面的温度传感器(9)和负反馈温控装置(14)；振弦式静态应变测试系统(3)包括布置于静定结构(5)与超静定结构(6)内部的温度传感器、振弦式应变计(10)、无线振弦多通道自动采集系统(11)。
2.根据权利要求1所述的一种用于验证内荷载作用下混凝土应力试验装置，其特征是：所述温度应力测试系统(1)中的静定结构(5)、超静定结构(6)均为混凝土试件。
3.根据权利要求2所述的一种用于验证内荷载作用下混凝土应力试验装置，其特征是：所述温度应力约束装置(7)为包括上压板(15)、下压板(16)以及连接于上压板(15)、下压板(16)之间由高强度大六角螺母固定的两端带有螺纹的空心圆柱杆件(8)；上压板(15)和下压板(16)均为带有中心与周围通孔、与引线固定端(17)连接的圆形厚钢板，上压板(15)、下压板(16)的中心通孔均为引线通孔，上压板引线通孔(18)可让温度传感器的引线通过，下压板引线通孔(19)可让应变计(10)的引线通过；周围通孔(20)用于通过四根空心圆柱杆件；在混凝土浇筑时，下压板(16)先与浇筑混凝土试件的空心圆柱形套筒连接，进行混凝土浇筑后，上压板(15)再与混凝土试件连接；同时，浇筑自由与超静定混凝土试件时，均在两端埋设引线固定端(17)，以保证两试件除了约束条件外完全一致。
4.根据权利要求3所述的一种用于验证内荷载作用下混凝土应力试验装置，其特征是：所述负反馈温控装置(14)包括放置于空心圆柱杆件(8)内部可加热抽拉式的实心圆柱杆件(12)和高稳定型自力式温度控制器(20)，实心圆柱杆件(12)和高稳定型自力式温度控制器(20) 通过导线连接。
5.根据权利要求4所述的一种用于验证内荷载作用下混凝土应力试验装置，其特征是：所述振弦式应变计(10)用于测量静定结构(5)与超静定结构(6)的应变，静定结构(5)在温度均匀变化荷载作用下产生温度变形，超静定结构(6)由于受到两端上压板(15)、下压板(16)的约束在温度均匀变化荷载作用下产生温度应力；温度传感器用于检测混凝土试件温度，与试验箱显示温度进行校核，与无线振弦多通道自动采集系统(11)连接；无线振弦多通道自动采集系统(11)与计算机连接，用于采集和显示静定结构(5)与超静定结构(6)应变及温度数据，进而计算温度变形。
6.根据权利要求5所述的一种用于验证内荷载作用下混凝土应力试验装置，其特征是：人工气候试验箱中的环境不同于常温，会使温度应力约束装置产生温度变形；空心圆柱杆件(8)中放置实心圆柱加热杆件(12)，在加热杆件(12)局部温度场与人工气候试验箱温度场的叠加作用下，通过温度应力约束装置(7)及智能温控系统(2)通过控制四根空心圆柱杆件(8)的温度保持于人工气候试验箱的上限温度不变，使其产生固定的温度变形，进而控制温度应力约束装置(7)对超静定结构(6)的约束，使约束始终保持于最不利约束状态。
7.根据权利要求6所述的一种用于验证内荷载作用下混凝土应力试验装置，其特征在于，通过控制空心圆柱杆件(8)温度维持约束装置的稳定变形进而保持约束装置(7)对超静定结构(6)的约束状态，而非采用温度均匀变化时计算约束装置不同部分温度变形的措施，可减少或消除在材料线膨胀系数不同情况下，换算温度变形时由于温度变化不同步所引起应变的误差。
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