CN111257113B - 混凝土单轴拉伸应力应变全曲线测试方法及测试装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种混凝土单轴拉伸应力应变全曲线测试方法及测试装置，测试方法为：对混凝土试件进行预处理，然后固定在应力加载装置中，通过热力加载开始拉伸试验；实时监测试件所受荷载、试件变形位移及试件损伤变化数据，试件峰值荷载前、后分别采用静态采集和动态采集方式采集试件变形位移数据；试验结束后，将试件破坏前、后采集的试件位移数据联合荷载数据进行拼合，并加以处理，绘制出完整的应力应变全曲线。试件峰值应力前后分别采用静态和动态数据采集方式，不仅可保证所采集数据的准确有效性，而且可避免采集的数据文件过大和数据处理过程复杂的问题，可绘制出较为准确的应力应变全曲线。

Description

混凝土单轴拉伸应力应变全曲线测试方法及测试装置
技术领域
本发明涉及一种应力应变全曲线测试方法及测试装置，特别涉及一种混凝土单轴拉伸应力应变全曲线测试方法及测试装置，属于土木工程测试技术领域。
背景技术
混凝土单轴拉伸应力应变全曲线试验是最能反映混凝土抗拉性能的试验方法，混凝土轴向受拉应力应变全曲线可以分为三个部分：曲线上升段、下降段以及下降段的平缓部分。全曲线的上升段及峰值荷载，在普通材料试验机上就能完成，而由于试验机刚度和数据采集原因无法完整获取全曲线的下降阶段。
此前，通过改善试验机的性能获取稳定的全曲线主要采用的方法：一是采用提高试验机的刚度，使试验机的刚度远大于试件的刚度，以此减小试件在软化段的储存的弹性能释放的影响；二是采用闭环伺服试验机，实时控制试件变形速率，在下降段利用恒定的变形速率加载，使得峰值荷载后裂缝的发展得以控制，避免突然断裂。在这两种方法中，增加试验机的刚度，因刚度要求高实现较为困难；闭环伺服试验机，要求试验机能依据高速采集的位移、荷载等反馈信号实现快速的调整，对试验机要求较高，且测试系统中反馈信号需准确有效。
此外，试件的形状和加载方式对应力应变全曲线有相应影响。外夹式、内埋式、粘贴式均有相应的弊端，易出现偏心受拉破坏，夹持端破坏等现象，影响测试结果。
发明内容
发明目的：针对现有混凝土等准脆性材料的拉伸应力应变曲线测试方法均存在相应弊端、无法实现准确高效测试的问题，本发明提供一种混凝土单轴拉伸应力应变全曲线测试方法，并提供一种该测试方法的专用测试装置。
技术方案：本发明所述的一种混凝土单轴拉伸应力应变全曲线测试方法，包括如下步骤：
(1)对混凝土试件端部进行预处理，将预处理后的试件固定在应力加载装置中，通过热力加载开始拉伸试验；
(2)试验过程中，实时采集试件所受应力荷载、试件变形位移数据，并监测试件损伤变化；其中，试件峰值荷载前、后分别采用静态采集方式和动态采集方式采集试件变形位移数据；
(3)试验结束后，将试件峰值荷载前、后采集的试件变形位移数据联合应力荷载数据进行拼合，并加以处理，绘制出完整的应力应变全曲线。
热力加载的实现方式为：应力加载装置包括刚性加载柱，刚性加载柱上缠绕加热线圈，加热线圈外接温度调控箱，通过温度调控箱控制加热线圈的温度、进而可控制刚性加载柱的温度变化速率，以此实现加载速率的控制，减小试验机弹性能释放的影响。
优选的，步骤(1)中，拉伸试验前，采用内埋式传力方式和粘贴式传力方式对混凝土试件端部进行预处理。该方式能有效减少试件夹持部位应力集中现象，使端部拉应力分布更加均匀、减少试件初始偏心受拉的情况。预处理方法可为：在混凝土试件与应力加载装置固定的两端部开槽，在试件槽内放置适配的钢板、粘贴固定，并在试件端部周向上粘贴适配的钢板。
具体的，步骤(2)中，在试件所受应力荷载达到应力峰值阶段时，当出现下述任一情形，试件变形位移数据的采集方式由静态采集转换为动态采集：
A、试件所受应力荷载的变化速率发生突变；
B、试件损伤变化速率发生突变。
步骤(2)中，可通过采集试件损伤的声发射信号来监测试件损伤变化，相应的，当声发射信号产生速率发生突变时，将试件变形位移的采集方式由静态采集转换为动态采集。
本发明所述的混凝土单轴拉伸应力应变全曲线测试装置，包括采用热力加载的应力加载装置、数据采集装置和数据分析系统；其中，数据采集装置包括压力传感器、静态位移传感器、动态位移传感器和声发射传感器，分别用于实时采集混凝土试件所受应力荷载数据、试件变形位移数据及试件损伤的声发射信号，还包括用于将上述传感器采集的电信号转化为数字信号的静动态数据采集仪；数据分析系统包括数据存储模块、用于接收并存储数据采集装置所采集数据，采集方式切换模块、用于分析所采集数据并根据分析结果将试件变形位移数据采集方式由静态模式切换至动态模式，以及数据拼接处理模块、用于拼接试件峰值荷载前后采集的变形位移数据并结合应力荷载数据绘制应力应变全曲线。
优选的，应力加载装置包括下刚性板，其上固定连接有多根刚性加载柱，刚性加载柱上放置有上刚性板；还包括试件上连接板和试件下连接板，试件下连接板固定连接在下刚性板上，试件上连接板、传力杆及压力传感器依次连接固定在上刚性板上；其中，应力加载装置的刚性加载柱上缠绕加热线圈，加线线圈可外接温度调控箱，用于控制加热线圈的温度以实现热力加载。
较优的，混凝土试件与应力加载装置固定的两端部开槽，在试件槽内放置适配的钢板、粘贴固定，并在试件端部四周粘贴适配的钢板；试件其中一侧面上设有静态位移传感器和动态位移传感器，与该侧面相邻的两侧面上均设有声发射传感器，静态位移传感器、动态位移传感器及声发射传感器分别固定在对应侧面端部的钢板上。
数据拼接处理模块可包括拼接模块和处理模块，其中，拼接模块用于判断静态采集数据截断位置和动态采集数据拼接位置并去除各部分多余数据，拼接得到荷载-变形位移全曲线；处理模块用于将荷载-变形位移全曲线转化为应力应变全曲线，同时对应力应变全曲线的下降段部分予以相应修正。
有益效果：与现有技术相比，本发明的优点在于：(1)本发明的测试方法中，试件破坏前后两阶段分别静态采集和动态采集试件变形位移数据，后续将静动态采集数据拼接处理，即可绘制出较为准确的应力应变全曲线；在保证所采集数据准确有效性的同时有效降低了数据存储量，避免静态采集冗余问题，大大提高了测试效率；(2)本发明以应力加载变化速率和声发射信号产生速率为判断依据设置两种方式判断静动态采集模式的切换时机，可保证峰值后数据在瞬间断裂过程中不丢失，获得较为完整的应力应变全曲线；(3)混凝土试件拉伸试验前进行预处理，采用内埋式和粘贴式传力方式相结合的传力方式，易于试件轴心受拉，且应力分布相对均匀，避免试件断裂在端部；(4)测试过程采用热力式的加载方式的应力加载装置具有静音加载的特点，对声发射等对低频噪音较为敏感的测试技术影响小，可扩展测试频段范围。
附图说明
图1为装配有数据采集装置的应力加载装置的立体图；
图2为装配有数据采集装置的应力加载装置的正视图；
图3为应力加载装置中混凝土试件及数据采集装置的安装示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。
以试件峰值荷载的临界点为界，混凝土轴向受拉应力应变全过程基本可分为两个部分，即试件峰值荷载前和峰值荷载后；相应的，其应力应变全曲线可以分为曲线上升段和曲线下降段，其中，曲线上升段对应试件峰值荷载前的应力应变情况，曲线下降段对应试件峰值荷载后的应力应变情况。
本发明将应力应变全曲线分为上述两部分进行数据采集，然后拼接处理后绘制全曲线。具体的，本发明的混凝土单轴拉伸应力应变全曲线测试方法可包括如下步骤：
(1)对混凝土试件端部进行预处理，将预处理后的混凝土试件固定在应力加载装置中，通过热力加载开始拉伸试验；
(2)试验过程中，实时采集试件所受应力荷载、试件变形位移数据，并监测试件损伤变化；其中，试件峰值荷载前、后分别采用静态采集方式和动态采集方式采集试件变形位移数据；
(3)试验结束后，将试件峰值荷载前、后采集的试件变形位移数据联合应力荷载数据进行拼合，并加以处理，绘制出完整的应力应变全曲线。
该测试方法可通过本发明的混凝土单轴拉伸应力应变全曲线测试装置来实现。本发明的混凝土单轴拉伸应力应变全曲线测试装置包括采用热力加载应力的应力加载装置、数据采集装置和数据分析系统。
其中，应力加载装置可采用申请人在先申请的热力式刚性单轴加载装置(申请号“2018100895931”，发明名称“一种热力式刚性单轴加载装置”)，其结构简单说明如下：
如图1～2，该加载装置包括下刚性板1，其上固定连接有多根刚性加载柱3，如对称设置四根刚性加载柱，刚性加载柱3上放置有上刚性板7；刚性单轴应力加载装置还包括用于固定混凝土试件5的试件固定部件，其包括试件上连接板9和试件下连接板10，试件上、下连接板上可设置与试件上、下端适配的凹槽，试件5可嵌入对应的凹槽中，与试件上、下连接板固定；其中，试件下连接板10可由法兰盲板加工而成，通过螺栓固定在下刚性板1上；试件上连接板9与传力杆6及压力传感器8依次连接固定在上刚性板7上，从而可将试件5固定在上刚性板7和下刚性板1限定的压力承载框架中。
为实现热力式加载，刚性加载柱3上缠绕加热线圈4，加热线圈4可外接温度调控箱，通过温度调控箱来控制缠绕在刚性加载柱3上的加热线圈4的温度，由刚性加载柱3的热胀性来驱动连接试件的上钢性板7的运动，以此来实现应力加载；装置的加载速率可调，由温度调控箱控制刚性加载柱3的升温速率来实现。通过热力加载方式来进行拉伸试验，可尽量减小试验机弹性能释放的影响，应力应变全曲线下降阶段可获取较为准确的测试数据；而且，采用热力式加载的应力加载装置具有静音、刚度大的特点，对声发射等对低频噪音较为敏感的测试技术影响小，可扩展测试频段。
在应力加载过程，为了避免上刚性板7和下刚性板1受热变形过大导致结果不合理的情况，应尽量减小温度对应力加载装置上的构件及混凝土试件5上的各个传感器的影响，可在刚性加载柱3与上刚性板7之间设置隔热垫块，与下刚性板1之间设置隔热垫圈2的方式减缓热传导，也可在上下刚性板上铺设冷却管等。
拉伸试验中，试件的形状和加载方式对应力应变全曲线也会有影响。可采用内埋式和粘贴式相结合的试件传力方式先对混凝土试件5端部预处理，预处理方式为：对与上连接板9和下连接板10固定的试件两端部开槽处理，如图3，分别用与试件槽相适配的传力钢板15以及与试件端部周向形状、大小适配的加固钢板13粘贴加固，一方面可以保持试件5受力的均匀性，同时也可以方便数据采集装置的安装及固定。
数据采集装置用于实时采集拉伸试验过程中试件所受荷载、试件变形位移、试件温度变化数据，并将上述传感器采集的电信号转化为数字信号。如图2，其中，采集试件所受实时荷载的为应力加载装置中的压力传感器8，可采用轮辐式压力传感器；采集试件变形位移的传感器包括静态位移传感器和动态位移传感器，其中，静态位移传感器可为电子千分表14，动态位移传感器可为激光位移传感器11；声发射传感器17用以监测试件损伤变化；上述传感器通过导线和静动态数据采集仪相连，将传感器采集的电信号转换为数字信号，再将数字信号传送至数据分析系统进行处理。图3示意了本发明的混凝土试件与传感器的安装情况，试件5的一侧安装声发射传感器装置，包括声发射传感器17和声发射传感器基座16，声发射传感器17通过声发射传感器基座16固定在该侧加固钢板13上；该侧的相对侧也安装相同的传感器装置。同时，在试件表面声发射传感器安装所在侧的相邻一侧安装有激光位移传感器11和电子千分表14，其中，电子千分表14通过传感器基座12安装固定在粘贴钢板13上。
数据分析系统包括数据存储模块、采集方式切换模块和数据拼接处理模块。
其中，数据存储模块用于接收并存储数据采集装置所采集数据，将采集的数据传递至采集方式切换模块和数据拼接处理模块，同时，当采集数据量较大，无法实时显示在计算机屏幕时，通过该模块对应程序的调用可进行回放查看。
采集方式切换模块主要用于分析所采集数据，在试件所受荷载达到应力峰值阶段时，根据分析结果决定启动或不启动静动态采集方式转换的命令；为保证峰值后数据在瞬间断裂过程中不丢失，该模块设置两种方式将数据采集装置从静态模式切换为动态模式：一种是在试件所受应力荷载的变化速率发生突变时自动切换采集模式，另一种是试件损伤变化速率发生突变时(即声发射信号产生速率发生突变时)切换采集模式。
数据拼接处理模块用于将试件破坏前后的数据对应拼接处理、获得完整应力应变曲线；数据拼接处理模块可包括拼接模块和处理模块，拼接模块用于判断静态采集数据截断位置和动态采集数据拼接位置、去除各部分多余数据，并拼接得到荷载-变形位移全曲线；处理模块用于将荷载-变形位移全曲线转化为应力应变全曲线，同时回放及检查相应数据、对应力应变全曲线中下降段曲线予以相应修正。
上述数据分析系统可为计算机系统，可通过在计算机内编写数据存储程序、采集方式切换程序和数据拼接处理程序的方式分别实现各模块的功能，通过程序对应力应变全过程进行监测并控制。
采用本发明的上述测试装置进行混凝土单轴拉伸应力应变全曲线测试的方法步骤如下：
(1)试件预处理：在混凝土试件5两端开槽，如图3，可开设十字形的方槽，将相应的传力钢板15放入槽内，并用高强度结构胶粘贴，并在试件端部四周粘贴一定厚度的加固钢板13；待粘贴胶达到设计强度后，清理试件端部多余的结构胶体，并打磨掉试件端部表层的净浆层，露出粘贴的传力板，使粘贴面表面平整，并用酒精等擦拭去除灰尘。
(2)固定混凝土试件：将应力加载装置的下连接板10用螺栓固定在下刚性板1上，然后将试件5用结构胶粘贴在下连接板10上，同时，预紧上连接板9上的螺栓，并旋转传力杆6，使上连接板9下移，挤压上连接板9与试件之间的结构胶，避免结构胶层产生气泡、空洞，待结构胶到达强度设计值，完成试件5的固定。
(3)安装传感器：将激光位移传感器11、声发射传感器17和电子千分表14安装并固定在试件5四周的加固钢板13上，并与相应静动态数据采集仪相连。
(4)预加载消除间隙：在传感器监测的情形下，预紧上刚性板7上的螺母，观测试件所受荷载，直至荷载达到1kN左右，以此消除装置内的间隙。
(6)启动应力加载装置，进行加载；采集记录轮辐式压力传感器8，激光位移传感器11、电子千分表14、声发射传感器17上的数据，待应力峰值阶段，程序自动判定转换采集状态，直至实验结束，停止采集；
(7)数据分析处理：实验停止后，通过程序进行回放分析，程序自动分析并拼接动静态采集的数据，合成荷载-变形位移全曲线后，绘制应力应变全曲线。

Claims (7)

1.一种混凝土单轴拉伸应力应变全曲线测试方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）对混凝土试件端部进行预处理，采用内埋式传力方式和粘贴式传力方式对所述混凝土试件端部进行预处理；该预处理为：在混凝土试件与应力加载装置固定的两端部开槽，在试件槽内放置适配的钢板、粘贴固定，并在试件端部周向上粘贴适配的钢板；将预处理后的试件固定在应力加载装置中，通过热力加载开始拉伸试验；
（2）试验过程中，实时采集试件所受应力荷载、试件变形位移数据，并监测试件损伤变化；其中，试件峰值荷载前、后分别采用静态采集方式和动态采集方式采集试件变形位移数据；在试件所受应力荷载达到应力峰值阶段时，当出现下述任一情形，试件变形位移数据的采集方式由静态采集转换为动态采集：A、试件所受应力荷载的变化速率发生突变；B、试件损伤变化速率发生突变；通过采集试件损伤的声发射信号来监测试件损伤变化，当声发射信号的产生速率发生突变时，将试件变形位移数据的采集方式由静态采集转换为动态采集；
试验结束后，将试件峰值荷载前、后采集的变形位移数据联合应力荷载数据进行拼合，并加以处理，绘制出完整的应力应变全曲线。
2.根据权利要求1所述的混凝土单轴拉伸应力应变全曲线测试方法，其特征在于，所述应力加载装置包括刚性加载柱，该刚性加载柱上缠绕加热线圈，所述加热线圈外接温度调控箱，用于控制加热线圈的温度以实现热力加载。
3.一种权利要求1所述混凝土单轴拉伸应力应变全曲线测试方法的测试装置，其特征在于，包括采用热力加载的应力加载装置、数据采集装置和数据分析系统；其中，所述数据采集装置包括压力传感器、静态位移传感器、动态位移传感器和声发射传感器，分别用于实时采集混凝土试件所受应力荷载数据、试件变形位移数据及试件损伤的声发射信号，还包括用于将上述传感器采集的电信号转化为数字信号的静动态数据采集仪；所述数据分析系统包括数据存储模块、用于接收并存储数据采集装置所采集数据，采集方式切换模块、用于分析所采集数据并根据分析结果将试件变形位移数据采集方式由静态模式切换至动态模式，以及数据拼接处理模块、用于拼接试件峰值荷载前后采集的变形位移数据并结合荷载数据绘制应力应变全曲线。
4.根据权利要求3所述的测试装置，其特征在于，所述应力加载装置包括下刚性板，其上固定连接有多根刚性加载柱，刚性加载柱上放置有上刚性板；还包括试件上连接板和试件下连接板，试件下连接板固定连接在下刚性板上，试件上连接板、压力传感器及传力杆依次连接固定在上刚性板上；其中，所述应力加载装置的刚性加载柱上缠绕加热线圈，该加热线圈外接温度调控箱、用于控制加热线圈的温度以实现热力加载。
5.根据权利要求3所述的测试装置，其特征在于，所述混凝土试件与应力加载装置固定的两端部开槽，在试件槽内放置适配的钢板、粘贴固定，并在试件端部四周粘贴适配的钢板；所述试件其中一侧面上设有静态位移传感器和动态位移传感器，与该侧面相邻的两侧面上均设有声发射传感器，所述静态位移传感器、动态位移传感器及声发射传感器分别固定在对应侧面端部的钢板上。
6.根据权利要求3或5所述的测试装置，其特征在于，所述静态位移传感器为电子千分表，动态位移传感器为激光位移传感器。
7.根据权利要求3所述的测试装置，其特征在于，所述数据拼接处理模块包括拼接模块和处理模块，其中，拼接模块用于判断静态采集数据截断位置和动态采集数据拼接位置并去除各部分多余数据，拼接得到荷载-变形位移全曲线；所述处理模块用于将荷载-变形位移全曲线转化为应力应变全曲线，同时对应力应变全曲线的下降段部分予以相应修正。
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