CN110836826B - 用于测试水流作用下混凝土表面剪应力的冲刷装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于测试水流作用下混凝土表面剪应力的冲刷装置及方法，包括用于通过其自转来模拟水流冲刷作用的试验体，用于容纳水和试验体的容腔，用于测量试验体自转过程中扭矩大小的扭矩传感器，以及用于控制转机转速的调频器。试验开始前，测量待测混凝土试件基本尺寸和质量，在冲刷过程中，通过试验体的自转记录并计算各个转速下待测混凝土试件的表面剪应力，冲刷一定时间后记录质量损失，多次冲刷试验后，建立水流剪应力与磨损质量的关系。本发明通过试验体自转来模拟水流冲刷，便于直接得到待测混凝土试件表面的冲刷强度，同时扭矩传感器的应用能够得到不同水流速度下试件表面的剪应力，可建立水流剪应力与磨损质量的关系。

Description

用于测试水流作用下混凝土表面剪应力的冲刷装置及方法

技术领域

本发明属于混凝土冲磨技术，具体涉及一种用于测试水流作用下混凝土表面剪应力的冲刷装置及方法。

背景技术

在水利、港口及地下工程中，混凝土结构由于长期受到水流的冲刷作用，导致其表面磨损，进而引起混凝土力学性能退化和结构服役寿命缩短等工程问题。研究不同流速混凝土表面的剪应力，以及水流对混凝土结构的冲刷机理，对于混凝土结构的耐磨性设计具有重要意义。

目前，水工混凝土抗冲磨试验方法主要有圆环法和水下钢球。CN109916756A公开了《一种测试海工混凝土抗冲磨性能的试验装置及其试验方法》，其试验方法为通过搅拌杆带动水流中的冲磨介质运动，使得冲磨介质冲磨位于其下方的混凝土试件。范昆在《橡胶混凝土抗冲磨性能研究》一文中，采用圆环法来评估混凝土试件的抗冲刷性能，该方法通过搅拌杆带动圆环形混凝土试件内部的含砂水流旋转运动，使其冲刷圆环试件内侧。以上方法都通过搅拌桨带动水流流动，磨损一定时间后混凝土损失的重量来评估其抗冲磨强度，这些方法无法准确得到混凝土表面的冲刷强度，也无法建立水流剪应力与磨损质量的关系。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于测试水流作用下混凝土表面剪应力的冲刷装置及方法，可测试不同水流流速下混凝土表面的剪应力，建立水流剪应力与磨损质量的关系。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种用于测试水流作用下混凝土表面剪应力的冲刷装置，包括上盖板、下盖板、套筒、旋转杆、上夹板、下夹板、扭矩传感器、转机、调频器、扭矩传感器显示器和计算机；待测混凝土试件为圆柱形，沿其中心轴线开有一个第一通孔，上夹板和下夹板分别设置在待测混凝土试件的顶面和底面构成试验体，通过试验体自转来模拟水流冲刷作用，以便得到其表面冲刷强度；套筒底面密封固连下盖板，顶面密封固连上盖板，上盖板、下盖板和套筒共同构成容腔，将试验体设置于容腔内，旋转杆一端穿过上夹板伸入容腔后与试验体固连，另一端位于密闭空腔外并通过联轴器与扭矩传感器相连，扭矩传感器再通过联轴器与转机相连，转机、调频器和计算机依次连接，调频器控制转机转动，扭矩传感器、扭矩传感器显示器和计算机依次相连。

一种用于测试水流作用下混凝土表面剪应力的冲刷装置的试验方法，步骤如下：

步骤1、待测混凝土试件半径为r，高为H，密度为ρ；在待测混凝土试件中心开有第一通孔，称其质量，记录为m₀；

步骤2、计算上夹板和下夹板产生的扭矩：

将上夹板和下夹板固定在旋转杆上，用联轴器将旋转杆和扭矩传感器连接，使其位于同一轴线上，用螺母旋紧上下夹板；向套筒内加水，调节调频器旋钮控制转机转动，记录各个转速下扭矩传感器显示器显示的数值T₁，由于安装待测混凝土试件后只有上夹板的上表面和下夹板的下表面会产生扭矩，故上夹板的上表面和下夹板的下表面的扭矩之和T_plates＝T₁/2；

步骤3、计算上夹板、待测混凝土试件和下夹板产生的扭矩：

将上夹板、待测混凝土试件和下夹板安装到旋转杆：向套筒内加水，调节调频器控制转机转动，记录某一转速下扭矩传感器显示器显示的数值T₂，故测混凝土试件圆周侧壁面产生的扭矩为T₂-T_plates；

步骤4、计算在该转速下待测混凝土试件表面的水流剪应力τ₁＝(T₂-T_plates)/2πr²H；

步骤5、在某一转速下冲刷若干时间后，取下待测混凝土试件，擦干表面水分，称其质量，记录为m₁，则其有效半径变为

步骤6、继续将该待测混凝土试件安装到旋转杆上，并通过上夹板和下夹板进行固定，调节调频器，加大转机转速，记录该转速下扭矩传感器显示器显示的数值T₃；则在该转速下待测混凝土试件表面的水流剪应力τ₂＝(T₃-T_plates)/2πr₁ ²H；

步骤7、冲刷若干时间后，取下待测混凝土试件，擦干表面水分，称其质量，记录为m₂，则其有效半径变为

步骤8、重复步骤4-6，即可得到待测混凝土试件表面各个转速下的水流剪应力，进而建立水流剪应力与磨损质量的关系。

本发明与现有技术相比，其显著优点在于：

(1)通过待测混凝土试件自转来模拟水流冲刷作用，能直接获得试件表面水流冲刷速度。

(2)通过调频器控制转机转动，便于控制及精确度高。

(3)扭矩传感器的应用能够得到不同水流速度下试件表面的剪应力，准确得到混凝土表面的冲刷强度，建立水流剪应力与磨损质量的关系。

附图说明

图1为本发明用于测试水流作用下混凝土表面剪应力的冲刷装置的结构示意图。

图2为本发明的上盖板示意图。

图3为本发明的下盖板示意图。

图4为本发明的夹板示意图。

图5为本发明的旋转杆示意图。

图6为本发明用于测试水流作用下混凝土表面剪应力的冲刷装置的试验方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

结合图1至图5，一种用于测试水流作用下混凝土表面剪应力的冲刷装置，包括上盖板3、下盖板1、套筒2、止水塞10、旋转杆5、上夹板7、下夹板8、扭矩传感器11、转机12、调频器13、扭矩传感器显示器14和计算机15。待测混凝土试件6为圆柱形，沿其中心轴线开有一个第一通孔，上夹板7和下夹板8分别设置在待测混凝土试件6的顶面和底面构成试验体，通过试验体自转来模拟水流冲刷作用，以便得到其表面冲刷强度。套筒2底面通过螺栓密封固连下盖板1，顶面通过螺栓密封固连上盖板3，上盖板3、下盖板1和套筒2共同构成容腔，将试验体设置于容腔内，并在容腔内装满水，旋转杆5一端穿过上夹板7伸入容腔后与试验体固连，另一端位于密闭空腔外并通过联轴器与扭矩传感器11相连，扭矩传感器11能够检测试验体自转过程中所受到的扭矩大小，准确得到混凝土表面的冲刷强度。扭矩传感器11再通过联轴器与转机12相连，转机12、调频器13和计算机15依次连接，调频器13控制转机12转动，调频器13的应用便于控制转机12的转速及精确度高，扭矩传感器11、扭矩传感器显示器14和计算机15依次相连。

所述上盖板3、下盖板1、上夹板7、下夹板8、套筒2和待测混凝土试件6的中心均处于同一轴线上。

所述套筒2上开有注水孔，止水塞10用于密封注水孔。

所述上盖板3顶面中心设有凸起，自凸起顶面向上盖板3顶面开有一个第二通孔，旋转杆5穿过第二通孔伸入容腔，凸起形成管柱，防止水流溢出。

所述上夹板7、下夹板8均为圆板，其中心分别设有第三通孔。

所述旋转杆5采用不锈钢，自上向下由第一圆柱、第二圆柱和第三圆柱构成，第一圆柱通过联轴器与扭矩传感器11相连，第二圆柱直径大于第三圆柱直径，第三圆柱的两端分别设有螺纹，第三圆柱穿过试验体的通孔后，其底部通过螺母固定抵住下夹板8，第三圆柱的顶部通过螺纹与上夹板7连接，第二圆柱和第三圆柱台阶面用于对上夹板7进行限位。

所述套筒2顶面和底面分别设置法兰，在法兰与上下盖板之间放置止水垫片9，用螺母将法兰分别与上下盖板旋紧固定。

结合图6，一种用于测试水流作用下混凝土表面剪应力的冲刷装置的试验方法，步骤如下：

步骤1、待测混凝土试件6半径为r，高为H，密度为ρ。在待测混凝土试件6中心开有第一通孔，称其质量，记录为m₀。

步骤2、计算上夹板7和下夹板8产生的扭矩：

将上夹板7和下夹板8固定在旋转杆5上，用联轴器将旋转杆5和扭矩传感器11连接，使其位于同一轴线上，用螺母旋紧上下夹板。先将上盖板3穿过旋转杆5，接着用联轴器将旋转杆5和扭矩传感器11连接，使得转机12、扭矩传感器11、上夹板7和下夹板8的中心均位于同轴线上。用双头螺杆4将上夹板7和下夹板8分别与套筒2密封，通过加水孔向套筒2内加水，加水到一定高度后，旋紧止水塞10。调节调频器13旋钮控制转机12转动，记录各个转速下扭矩传感器显示器14显示的数值T₁，由于安装待测混凝土试件6后只有上夹板7的上表面和下夹板8的下表面会产生扭矩，故上夹板7的上表面和下夹板8的下表面的扭矩之和T_plates＝T₁/2。

步骤3、计算上夹板7、待测混凝土试件6和下夹板8产生的扭矩：

将待测混凝土试件6安装到旋转杆5：上夹板7先固定于旋转杆5上，接着把待测混凝土试件6固定在旋转杆5上，然后安装下夹板8，并用螺母将待测混凝土试件6固定于上下夹板中，最后用联轴器将旋转杆5和扭矩传感器11连接，使得转机12、扭矩传感器11、上夹板7、待测混凝土试件6和下夹板8的中心均位于同一轴线上。用双头螺杆4将上夹板7和下夹板8分别与套筒2密封，通过加水孔向套筒2内加水，加水到一定高度后，旋紧止水塞10。调节调频器13控制转机12转动，记录某一转速下扭矩传感器显示器14显示的数值T₂，故测混凝土试件圆周侧壁面产生的扭矩为T₂-T_plates。

步骤4、计算在该转速下待测混凝土试件6表面的水流剪应力τ₁＝(T₂-T_plates)/2πr²H。

步骤5、在某一转速下冲刷若干时间后，取下待测混凝土试件6，擦干表面水分，称其质量，记录为m₁。则其有效半径变为

步骤6、继续将该待测混凝土试件6安装到旋转杆5上，并通过上夹板7和下夹板8进行固定，调节调频器13，加大转机12转速，记录该转速下扭矩传感器显示器14显示的数值T₃。则在该转速下待测混凝土试件6表面的水流剪应力τ₂＝(T₃-T_plates)/2πr₁ ²H。

步骤7、冲刷若干时间后，取下待测混凝土试件6，擦干表面水分，称其质量，记录为m₂，则其有效半径变为

步骤8、重复步骤4-6，即可得到待测混凝土试件6表面各个转速下的水流剪应力，进而建立水流剪应力与磨损质量的关系。

Claims (1)

1.一种用于测试水流作用下混凝土表面剪应力的冲刷装置的试验方法，其特征在于，所述用于测试水流作用下混凝土表面剪应力的冲刷装置，包括上盖板(3)、下盖板(1)、套筒(2)、旋转杆(5)、上夹板(7)、下夹板(8)、扭矩传感器(11)、转机(12)、调频器(13)、扭矩传感器显示器(14)和计算机(15)；待测混凝土试件(6)为圆柱形，沿其中心轴线开有一个第一通孔，上夹板(7)和下夹板(8)分别设置在待测混凝土试件(6)的顶面和底面构成试验体，通过试验体自转来模拟水流冲刷作用，以便得到其表面冲刷强度；套筒(2)底面密封固连下盖板(1)，顶面密封固连上盖板(3)，上盖板(3)、下盖板(1)和套筒(2)共同构成容腔，将试验体设置于容腔内，旋转杆(5)一端穿过上夹板(7)伸入容腔后与试验体固连，另一端位于密闭空腔外并通过联轴器与扭矩传感器(11)相连，扭矩传感器(11)再通过联轴器与转机(12)相连，转机(12)、调频器(13)和计算机(15)依次连接，调频器(13)控制转机(12)转动，扭矩传感器(11)、扭矩传感器显示器(14)和计算机(15)依次相连；试验方法步骤如下：

步骤1、待测混凝土试件(6)半径为r，高为H，密度为ρ；在待测混凝土试件(6)中心开有第一通孔，称其质量，记录为m₀；

步骤2、计算上夹板(7)和下夹板(8)产生的扭矩：

将上夹板(7)和下夹板(8)固定在旋转杆(5)上，用联轴器将旋转杆(5)和扭矩传感器(11)连接，使其位于同一轴线上，用螺母旋紧上下夹板；向套筒(2)内加水，调节调频器(13)旋钮控制转机(12)转动，记录各个转速下扭矩传感器显示器(14)显示的数值T₁，由于安装待测混凝土试件(6)后只有上夹板(7)的上表面和下夹板(8)的下表面会产生扭矩，故上夹板(7)的上表面和下夹板(8)的下表面的扭矩之和T_plates＝T₁/2；

步骤3、计算上夹板(7)、待测混凝土试件(6)和下夹板(8)产生的扭矩：

将上夹板(7)、待测混凝土试件(6)和下夹板(8)安装到旋转杆(5)：向套筒(2)内加水，调节调频器(13)控制转机(12)转动，记录某一转速下扭矩传感器显示器(14)显示的数值T₂，故测混凝土试件圆周侧壁面产生的扭矩为T₂-T_plates；

步骤4、计算在该转速下待测混凝土试件(6)表面的水流剪应力τ₁＝(T₂-T_plates)/2πr²H；

步骤5、在某一转速下冲刷若干时间后，取下待测混凝土试件(6)，擦干表面水分，称其质量，记录为m₁，则其有效半径变为

步骤6、继续将该待测混凝土试件(6)安装到旋转杆(5)上，并通过上夹板(7)和下夹板(8)进行固定，调节调频器(13)，加大转机(12)转速，记录该转速下扭矩传感器显示器(14)显示的数值T₃；则在该转速下待测混凝土试件(6)表面的水流剪应力τ₂＝(T₃-T_plates)/2πr₁ ²H；

步骤7、冲刷若干时间后，取下待测混凝土试件(6)，擦干表面水分，称其质量，记录为m₂，则其有效半径变为

步骤8、重复步骤4-6，即可得到待测混凝土试件(6)表面各个转速下的水流剪应力，进而建立水流剪应力与磨损质量的关系。

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