CN111044556B - 高温下混凝土试件荷载温度应变系数测量方法及测量装置 - Google Patents

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CN111044556B CN201911313363.XA CN201911313363A CN111044556B CN 111044556 B CN111044556 B CN 111044556B CN 201911313363 A CN201911313363 A CN 201911313363A CN 111044556 B CN111044556 B CN 111044556B
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    • G01N25/00—Investigating or analyzing materials by the use of thermal means
    • G01N25/16—Investigating or analyzing materials by the use of thermal means by investigating thermal coefficient of expansion

Abstract

本发明提出一种高温下混凝土试件荷载温度应变系数测量方法及测量装置，所述测量装置包括圆筒状保温层，用于套装在圆柱状的混凝土试件的外周；所述圆筒状保温层的内壁设置有加热元件和测温元件；两个承压板；两个承压板分别安装在混凝土试件轴向的两端；每个承压板与混凝土试件的端面之间还设置有隔热层；轴向位移计；用于测量混凝土试件的轴向变形长度；径向位移计；用于测量混凝土试件的轴向变形长度。本发明通过测量自由轴向变形长度、载荷轴向变形长度和径向变形长度，拟合得到高温下混凝土自由温度应变的热膨胀系数、轴向载荷温度应变的变形系数和LITS泊松效应系数，得到混凝土高温下的变形规律，并给出设计所需参数。

Description

高温下混凝土试件荷载温度应变系数测量方法及测量装置
技术领域
本发明涉及混凝土变形测量技术领域，具体地说是涉及一种高温下混凝土试件荷载温度应变系数测量方法及测量装置。
背景技术
在高温(100℃至1000℃)环境下，混凝土在无荷载作用下会发生热膨胀现象，这种由温度变化引起的变形量称之为自由温度应变，目前多通过测量数据拟合确定关于温度变化的热膨胀系数计算获得。
然而，多数混凝土构件在火灾发生时均处于承载状态。当混凝土在荷载约束下，其变形量将明显大于对应的自由温度应变，且变形量与荷载大小和荷载方向相关，即高温下的荷载温度应变(Load Induce Thermal Strain，LITS)。混凝土在高温环境下力学性能和变形规律会发生显著变化。在结构抗火设计和计算中，必须考虑自由温度应变和荷载温度应变的作用。
现有技术无法准确测量得到混凝土高温下的变形规律，并给出设计所需参数。
发明内容
为解决上述问题，本发明提出一种高温下混凝土试件荷载温度应变系数测量方法及测量装置，可测量高温下混凝土载荷高温下的变形规律，并给出设计所需参数。
技术方案：本发明提出一种高温下混凝土试件荷载温度应变系数测量方法，包括
S1、初始温度t0摄氏度下，测量圆柱状的混凝土试件的轴向初始长度l0和初始半径为r0，加热混凝土试件；
则混凝土试件的自由温度应变
Figure BDA0002323608870000011
其中ΔT＝T-t0；α为自由温度应变的热膨胀系数；
选取混凝土试件的多组温度T，测量其对应的自由轴向变形长度Δl1；拟合得到
Figure BDA0002323608870000021
其中，A为拟合参数，
Figure BDA0002323608870000022
为温度水平参数，
Figure BDA0002323608870000023
S2、初始温度t下，向混凝土试件施加恒定的轴向载荷σ，测量混凝土试件的轴向初始长度l0，加热混凝土试件；选取混凝土试件的多组温度T，测量其对应的载荷轴向变形长度Δl2和径向变形长度Δr；S2选取的多组温度T的数值与S1选取的多组温度T的数值相同；
混凝土试件的轴向荷载温度应变
Figure BDA0002323608870000024
其中，β是轴向载荷温度应变的变形系数；
Figure BDA0002323608870000025
是混凝土试件的极限轴向载荷；拟合得到
Figure BDA0002323608870000026
其中，B和C为拟合参数；
混凝土试件的径向荷载温度应变：
Figure BDA0002323608870000027
通过拟合得到常数vc，vc为LITS泊松效应系数。
进一步，加热混凝土试件时，混凝土试件温度匀速上升。
进一步，加热混凝土试件时，混凝土试件温升速率不大于5℃/分钟。
一种混凝土试件荷载温度应变的测量装置，包括
圆筒状保温层，用于套装在圆柱状的混凝土试件的外周；所述圆筒状保温层的内壁设置有加热元件和测温元件；
两个承压板；两个承压板分别安装在混凝土试件轴向的两端；每个承压板与混凝土试件的端面之间还设置有隔热层；
轴向位移计；用于测量混凝土试件的轴向变形长度；
径向位移计；用于测量混凝土试件的轴向变形长度。
进一步，所述加热元件是硅碳棒，均匀嵌入安装在圆筒状保温层的内壁。
进一步，还包括载荷加载机；用于通过一个承压板向混凝土试件施加轴向载荷。
进一步，所述轴向位移计是线性可变差动变压器，包括磁芯；所述轴向位移计的磁芯平行于混凝土试件的轴线布置；所述轴向位移计的磁芯的两端分别通过一连接杆固定连接在混凝土试件的外壁；磁芯两端的两个连接杆垂直于磁芯；
所述径向位移计是接触式直线位移计；径向位移计的接触探头沿径向与混凝土试件的外壁相接。
进一步，所述圆筒状保温层的外周还包裹有硬质保护壳。
有益效果：通过本发明的混凝土试件荷载温度应变的测量装置，本发明的高温下混凝土试件荷载温度应变系数测量方法，测量自由轴向变形长度、载荷轴向变形长度和径向变形长度，拟合得到高温下自由温度应变的热膨胀系数、轴向载荷温度应变的变形系数和泊松效应系数，得到混凝土载荷高温下的变形规律，并给出设计所需参数。
附图说明
图1为本发明的混凝土试件荷载温度应变的测量装置的分解结构示意图；
图2为本发明的侧视图；
图3为图2的A-A面剖视图；
图4为本发明的测量数据处理坐标图。
具体实施方式
本发明提出一种高温下混凝土试件荷载温度应变系数测量方法，包括：
S1、初始温度t0摄氏度下，测量圆柱状的混凝土试件的轴向初始长度l0和初始半径为r0，加热混凝土试件；加热混凝土试件时，混凝土试件温度匀速上升；为防止温升过快造成混凝土试件开裂变形，控制混凝土试件温升速率不大于5℃/分钟。
则混凝土试件的自由温度应变
Figure BDA0002323608870000041
其中ΔT＝T-t0；α为自由温度应变的热膨胀系数；
选取混凝土试件的多组温度T，测量其对应的自由轴向变形长度Δl1；拟合得到
Figure BDA0002323608870000042
其中，A为拟合参数，
Figure BDA0002323608870000043
Figure BDA0002323608870000044
Figure BDA0002323608870000045
S2、初始温度t下，向混凝土试件施加恒定的轴向载荷σ，测量混凝土试件的轴向初始长度l0，加热混凝土试件；选取混凝土试件的多组温度T，测量其对应的载荷轴向变形长度Δl2和径向变形长度Δr；S2选取的多组温度T的数值与S1选取的多组温度T的数值相同；
混凝土试件的轴向荷载温度应变
Figure BDA0002323608870000046
其中，β是轴向载荷温度应变的变形系数；
Figure BDA0002323608870000047
是混凝土试件的极限轴向载荷；拟合得到
Figure BDA0002323608870000048
其中，B和C为拟合参数；
混凝土试件的径向荷载温度应变：
Figure BDA0002323608870000049
通过拟合得到常数vc，vc为LITS泊松效应系数。
如图1、图2和图3所示，本发明还提出一种混凝土试件荷载温度应变的测量装置，包括
套装在混凝土试件3外周的圆筒状保温层7，圆筒状保温层7优选采用耐火砖；所述圆筒状保温层7的外周还包裹有硬质保护壳8；
所述圆筒状保温层7的内壁设置有加热元件6和测温元件；所述加热元件6优选为硅碳棒，均匀嵌入安装在圆筒状保温层7的内壁。
两个承压板1；两个承压板1分别安装在混凝土试件3轴向的两端；每个承压板1与混凝土试件3的端面之间还设置有隔热层2；隔热层2优选使用2～5层的石棉纤维进行绝热，石棉纤维不可燃且导热系数低，在高应力作用下不破损，隔热效果好；承压板1可使用高强度的碳钢；在荷载较小时，承压板1优选使用硬质的绝热陶瓷材料；陶瓷导热系数低，温度应变小，提高设备的测量精度。
轴向位移计5，用于测量混凝土试件3的轴向变形长度；所述轴向位移计5是线性可变差动变压器，包括磁芯；所述轴向位移计5的磁芯平行于混凝土试件3的轴线布置；所述轴向位移计5的磁芯的两端分别通过一连接杆4固定连接在混凝土试件3的外壁；磁芯两端的两个连接杆4垂直于磁芯；
径向位移计9，用于测量混凝土试件3的轴向变形长度；所述径向位移计9是接触式直线位移计；径向位移计9的接触探头沿径向与混凝土试件3的外壁相接；
载荷加载机；用于通过一个承压板1向混凝土试件3施加轴向载荷。
实施例：采用本发明的测量装置测量混凝土试件荷载温度应变系数。
混凝土试件3为直径100mm、高度200mm的圆柱体，初始温度t0为20℃，温升速率0.2℃/分钟，
Figure BDA0002323608870000051
施加的轴向载荷
Figure BDA0002323608870000052
得到表1所示的测量数据。
表1
Figure BDA0002323608870000053
Figure BDA0002323608870000061
由步骤S1,混凝土试件的自由温度应变
Figure BDA0002323608870000062
由表一的数据，得到图4中的自由温度应变曲线FreeTS；
根据图4中的自由温度应变曲线FreeTS得到图4中的自由温度应变拟合曲线FreeTS-EQ，拟合得到自由温度应变的热膨胀系数α，取A＝1时，自由温度应变曲线FreeTS与自由温度应变拟合曲线FreeTS-EQ重合。
由步骤S2,混凝土试件轴向载荷温度应变
Figure BDA0002323608870000063
由表一的数据，得到图4中的轴向载荷温度应变曲线LITS1；
根据图4中的轴向载荷温度应变曲线LITS1得到图4中的轴向载荷温度应变拟合曲线LITS1-EQ，拟合得到轴向载荷温度应变的变形系数β，取B＝0.0035，C＝0.001时，轴向载荷温度应变曲线LITS1与轴向载荷温度应变拟合曲线LITS1-EQ重合。
混凝土试件的径向载荷温度应变
Figure BDA0002323608870000064
由表一的数据，得到图4中的径向载荷温度应变曲线LITS2；
根据图4中的径向载荷温度应变曲线LITS2得到图4中的径向载荷温度应变拟合曲线LITS2-EQ，拟合得到LITS泊松效应系数vc，取vc＝0.4时，径向向载荷温度应变曲线LITS2与径向载荷温度应变拟合曲线LITS2-EQ重合。

Claims (4)

1.一种混凝土试件荷载温度应变系数测量方法，其特征在于：包括
S1、初始温度t0摄氏度下，测量圆柱状的混凝土试件的轴向初始长度l0和初始半径为r0，加热混凝土试件；
则混凝土试件的自由温度应变：
Figure FDA0003147596090000011
其中ΔT＝T-t0；α为自由温度应变的热膨胀系数；
选取混凝土试件的多组温度T，测量其对应的自由轴向变形长度Δl1；拟合得到：
Figure FDA0003147596090000012
其中，A为拟合参数，
Figure FDA0003147596090000013
为温度水平参数，
Figure FDA0003147596090000014
S2、初始温度t0摄氏度下，向混凝土试件施加恒定的轴向载荷σ，测量混凝土试件的轴向初始长度l0，加热混凝土试件；选取混凝土试件的多组温度T，测量其对应的载荷轴向变形长度Δl2和径向变形长度Δr；S2选取的多组温度T的数值与S1选取的多组温度T的数值相同；
混凝土试件的轴向荷载温度应变：
Figure FDA0003147596090000015
其中，β是轴向载荷温度应变的变形系数；
Figure FDA0003147596090000016
是混凝土试件的极限轴向载荷；拟合得到：
Figure FDA0003147596090000017
其中，B和C为拟合参数；
混凝土试件的径向荷载温度应变：
Figure FDA0003147596090000018
通过拟合得到常数vc，vc为荷载温度应变泊松效应系数。
2.根据权利要求1所述的混凝土试件荷载温度应变系数测量方法，其特征在于:加热混凝土试件时，混凝土试件温度匀速上升。
3.根据权利要求2所述的混凝土试件荷载温度应变系数测量方法，其特征在于：加热混凝土试件时，混凝土试件温升速率不大于5℃/分钟。
4.根据权利要求1所述的混凝土试件荷载温度应变系数测量方法，提出一种混凝土试件荷载温度应变的测量装置，其特征在于：包括
圆筒状保温层(7)，用于套装在圆柱状的混凝土试件(3)的外周；所述圆筒状保温层(7)的内壁设置有加热元件(6)和测温元件；
两个承压板(1)；两个承压板(1)分别安装在混凝土试件(3)轴向的两端；
每个承压板(1)与混凝土试件(3)的端面之间还设置有隔热层(2)；
轴向位移计(5)；用于测量混凝土试件(3)的轴向变形长度；
径向位移计(9)；用于测量混凝土试件(3)的径向变形长度；
所述轴向位移计(5)是线性可变差动变压器，包括磁芯；所述轴向位移计(5)的磁芯平行于混凝土试件(3)的轴线布置；所述轴向位移计(5)的磁芯的两端分别通过一连接杆(4)固定连接在混凝土试件(3)的外壁；磁芯两端的两个连接杆(4)垂直于磁芯；
所述径向位移计(9)是接触式直线位移计；径向位移计(9)的接触探头沿径向与混凝土试件(3)的外壁相接。
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