CN114636626A - 基于四点弯曲疲劳试验测量小梁梁底拉应变的方法 - Google Patents

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CN114636626A CN202210173302.3A CN202210173302A CN114636626A CN 114636626 A CN114636626 A CN 114636626A CN 202210173302 A CN202210173302 A CN 202210173302A CN 114636626 A CN114636626 A CN 114636626A
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张阳
齐浩男
童巨声
陈葱琳
马涛
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Abstract

本发明公开了基于四点弯曲疲劳试验测量小梁梁底拉应变的方法，包括：将小梁试件安装在万能试验机四点弯曲疲劳加载装置内，将三个位移传感器依次安装在小梁试件上表面，利用两端的位移传感器获取内夹具处小梁竖向挠度，利用中间位移传感器获取小梁跨中竖向挠度，将两挠度值做差，利用挠度差计算小梁跨中位置处的梁底水平拉应变。本发明通过采取挠度差的方法，消除两内夹具之间剪切力带来的计算误差，然后利用挠度差反算跨中小梁梁底水平拉应变，优化应变计算过程和误差，使得弯曲模量计算结果更加准确；直接在跨中位置敷设位移传感器增加测量准确性，同时测量内夹具处挠度采用两个测量值取平均值的办法，大大减小测量误差。

Description

基于四点弯曲疲劳试验测量小梁梁底拉应变的方法
技术领域
本发明涉及道路工程材料领域，特别涉及基于四点弯曲疲劳试验测量小梁梁底拉应变的方法。
背景技术
疲劳是材料在循环载荷作用下发生开裂或破坏的现象，为了研究疲劳破坏过程机理、疲劳力学性能以及评估工程构建的疲劳寿命，需要测试材料试样的疲劳断裂性能。由于受力合理，符合路面实际情况，四点弯曲疲劳试验成为沥青混合料小梁疲劳试验的首选。
疲劳试验的核心在于建立疲劳模型，其中模量的计算不可或缺，现有小梁的弯曲模量计算利用应力/应变，应力、应变需要通过材料力学计算得到，在应变计算过程中并未考虑剪切力带来的影响，在利用万能材料试验机UTM进行沥青混合料小梁四点弯曲疲劳试验过程中，当施加载荷时，理想情况下，小梁跨中位置属于纯弯曲状态，只存在弯矩而不存在剪力，然而实际情况下在两个内夹具之间存在剪力，因此两个内夹具之间的小梁挠度同时包含弯曲挠度和恒定的剪力挠度，目前测量的挠度将总挠度仅视为弯曲应力产生的挠度，使得计算的挠度值偏大；另外由于现有的万能材料试验机相匹配夹具的限制，使得目前测量的跨中挠度只能测量小梁外1/6位置处的挠度，再利用该处挠度值反算跨中位移，由于小梁材料在弯曲时产生的不均匀变形等因素导致计算结果出现较大误差。
发明内容
发明目的：针对以上问题，本发明目的是提供一种基于四点弯曲疲劳试验测量小梁梁底拉应变的方法，通过设置在不同位置处的三个位移传感器测量得到竖向挠度差，通过改变挠度测量位置以及测量挠度差值来反算水平拉应变，使拉应变计算更加准确。
技术方案：本发明的一种基于四点弯曲疲劳试验测量小梁梁底拉应变的方法，包括：将小梁试件安装在万能试验机四点弯曲疲劳加载装置内，将三个位移传感器依次安装在小梁试件上表面，利用两端的位移传感器获取内夹具处小梁竖向挠度，利用中间位移传感器获取小梁跨中竖向挠度，将两挠度值做差，利用挠度差计算小梁跨中位置处的梁底水平拉应变。
进一步，三个位移传感器中的第二位移传感器安装在小梁试件上表面的跨中位置处，第一、第三位移传感器对称设置在第二位移传感器的两侧，第一、第三位移传感器设置在两个内夹具的内侧，三个位移传感器充分接触小梁上表面。
进一步，利用两端的位移传感器获取内夹具处小梁竖向挠度包括：利用第一位移传感器测量得到第一内夹具处竖向挠度，利用第三位移传感器测量得到第二内夹具处竖向挠度，将两挠度值取平均值作为内夹具处的竖向挠度。
进一步，所述第一位移传感器靠近第一内夹具设置，两者距离范围为1-2厘米。
进一步，利用挠度差计算小梁跨中位置处的梁底水平拉应变包括：
小梁在四点弯曲受力下，内夹具至跨中之间的弯曲挠度表达式为：
Figure BDA0003519384780000021
式中，F表示荷载集中作用力，E表示弹性模量，I表示惯性矩，A表示相邻夹具之间的距离，A＝l/3；x为小梁试样任意点距离第一外夹具的距离，将第一外夹具视作为位置原点；l表示两个外夹具之间的距离，即小梁跨径；
由于剪切挠度抵消掉，故挠度差为二者弯曲挠度的差值，带入弯曲挠度公式为：
Figure BDA0003519384780000022
式中，V表示剪切挠度与弯曲挠度之和；L表示小梁试件长度，L/2表示小梁跨中位置；
小梁跨中弯曲挠度表达式为：
Figure BDA0003519384780000023
式中，ε为小梁梁底水平拉应变，h为小梁高度；
利用挠度差与小梁跨中位置弯曲挠度的关系，计算小梁梁底水平拉应变，表达式为：
Figure BDA0003519384780000024
令
Figure BDA0003519384780000025
则上式小梁梁底水平拉应变表达式为：
Figure BDA0003519384780000026
有益效果：本发明与现有技术相比，其显著优点是：
1、本发明通过采取挠度差的方法，消除两内夹具之间剪切力带来的计算误差，然后利用挠度差反算跨中小梁梁底水平拉应变，优化应变计算过程和误差，使得弯曲模量计算结果更加准确；
2、本发明直接在跨中位置敷设位移传感器增加测量准确性，同时测量内夹具处挠度采用两个测量值取平均值的办法，大大减小测量误差。
附图说明
图1为沥青混合料四点弯曲疲劳试验结构示意图；
图2为试验各部件位置主视图；
图3为试验中挠度差测量示意图；
图4为模量-荷载作用次数曲线图。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。
本实施例所述的一种基于四点弯曲疲劳试验测量小梁梁底拉应变的方法，包括：将小梁试件安装在万能试验机四点弯曲疲劳加载装置内，将三个位移传感器依次安装在小梁试件上表面，利用两端的位移传感器获取内夹具处小梁竖向挠度，利用中间位移传感器获取小梁跨中竖向挠度，将两挠度值做差，利用挠度差计算小梁跨中位置处的梁底水平拉应变。
本实施例中使用的小梁试样的准备过程为：采用轮碾成型实验方法，AC20沥青混合料成型300*400*70mm车辙板，脱模静置一段时间后切割成4个380*65*50mm的小梁试件1。在15℃养生4h后安装在UTM四点弯曲疲劳加载装置内，充分对中，小梁试件1上共加载四个夹具，相邻夹具之间的距离相同，如图1-2所示，从左到右依次为第一外夹具2、第一内夹具、第二内夹具、第二外夹具。位移传感器上方设置有位移传感器承载梁3，每个夹具上固定有荷载传感器，荷载传感器下方设置有荷载承载板。
三个位移传感器从左到右依次设置在小梁试件1上表面，第二位移传感器安装在小梁试件1上表面的跨中位置处，第一、第三载荷承载板6对称设置在第二位移传感器的两侧，第一、第三载荷承载板6设置在两个内夹具的内侧，三个位移传感器充分接触小梁上表面，使位移传感器的示数接近于零，否则将导致测量的竖向挠度不准确。第一位移传感器靠近第一内夹具设置，两者距离范围为1-2厘米；第三载荷承载板6靠近第二内夹具设置，两者距离范围为1-2厘米。距离内夹具过近将产生较大夹紧变形，距离过远将影响准确性，本实施例中采用1-2厘米范围内测试效果更加准确。
将小梁试件1放置在UTM四点弯曲疲劳加载装置之后，选择10Hz的偏正弦控制应变加载方式对小梁试件1进行加载。在加载过程中，通过载荷传感器4控制施加力的大小，通过载荷承载板5与小梁试件1接触。位移传感器通过固定在承载小梁上敷设在指定位置，采用50个预加载，并计算第50次的加载循环的模量为初始模量，其计算方法采用弯曲应力/弯曲应变，最终得到模量-荷载作用次数曲线，如图4所示曲线。
利用两端的位移传感器获取内夹具处小梁竖向挠度包括：利用第一位移传感器测量得到第一内夹具处竖向挠度，利用第三载荷承载板6测量得到第二内夹具处竖向挠度，将两挠度值取平均值作为内夹具处的竖向挠度，如图3所示，表达式为：
Figure BDA0003519384780000041
式中ΔA1、ΔA2、ΔL/2分别表示测量的内夹具处的两个挠度以及跨中挠度。
利用挠度差计算小梁跨中位置处的梁底水平拉应变包括：
小梁在四点弯曲受力下，内夹具至跨中之间的弯曲挠度表达式为：
Figure BDA0003519384780000042
式中，F表示荷载集中作用力，E表示弹性模量，I表示惯性矩，A表示相邻夹具之间的距离，A＝l/3；x为小梁试样任意点距离第一外夹具的距离，将第一外夹具视作为位置原点；l表示两个外夹具之间的距离，即小梁跨径。由于两个内夹具之间的剪切挠度是一致的且恒定，所以利用本实施例可消除剪切应力产生的挠度影响，再根据材料力学公式可得到二者弯曲挠度差与跨中弯曲挠度之间的关系，进而得出跨中应变的计算公式。
由于剪切挠度抵消掉，故挠度差为二者弯曲挠度的差值，带入弯曲挠度公式为：
Figure BDA0003519384780000043
式中，V表示剪切挠度与弯曲挠度之和；L表示小梁试件长度，L/2表示小梁跨中位置。
小梁跨中弯曲挠度表达式为：
Figure BDA0003519384780000051
式中，ε为小梁梁底水平拉应变，h为小梁高度；
利用挠度差与小梁跨中位置弯曲挠度的关系，计算小梁梁底水平拉应变，表达式为：
Figure BDA0003519384780000052
令
Figure BDA0003519384780000053
则上式小梁梁底水平拉应变表达式为：
Figure BDA0003519384780000054
其中C为固定系数，每次通过位移传感器测得挠度差值后，可以直接通过上式计算得到小梁梁底水平拉应变值。
在沥青混合料四点弯曲小梁的水平拉应变计算中，现有技术试验通过跨中挠度反算水平拉应变，所采用的挠度值包括弯曲挠度和剪力挠度，本方法通过采取挠度差的方法，消除剪切力带来的影响，再反算跨中小梁梁底水平拉应变，从而优化应变计算，使得弯曲模量计算更加准确。
针对在沥青混合料四点弯曲小梁的水平拉应变计算中，现有技术在试验中利用外1/6处测量挠度反算跨中挠度，引起较大误差，本方法直接在跨中敷设传感器增加测量准确性，同时测量内夹具处挠度采用两个测量值取平均值的办法，大大减小测量误差。

Claims (5)

1.基于四点弯曲疲劳试验测量小梁梁底拉应变的方法，其特征在于，包括：将小梁试件安装在万能试验机四点弯曲疲劳加载装置内，将三个位移传感器依次安装在小梁试件上表面，利用两端的位移传感器获取内夹具处小梁竖向挠度，利用中间位移传感器获取小梁跨中竖向挠度，将两挠度值做差，利用挠度差计算小梁跨中位置处的梁底水平拉应变。
2.根据权利要求1所述的测量小梁梁底拉应变的方法，其特征在于，三个位移传感器中的第二位移传感器安装在小梁试件上表面的跨中位置处，第一、第三位移传感器对称设置在第二位移传感器的两侧，第一、第三位移传感器设置在两个内夹具的内侧，三个位移传感器充分接触小梁上表面。
3.根据权利要求2所述的测量小梁梁底拉应变的方法，其特征在于，利用两端的位移传感器获取内夹具处小梁竖向挠度包括：利用第一位移传感器测量得到第一内夹具处竖向挠度，利用第三位移传感器测量得到第二内夹具处竖向挠度，将两挠度值取平均值作为内夹具处的竖向挠度。
4.根据权利要求3所述的测量小梁梁底拉应变的方法，其特征在于，所述第一位移传感器靠近第一内夹具设置，两者距离范围为1-2厘米。
5.根据权利要求4所述的测量小梁梁底拉应变的方法，其特征在于，利用挠度差计算小梁跨中位置处的梁底水平拉应变包括：
小梁在四点弯曲受力下，内夹具至跨中之间的弯曲挠度表达式为：
Figure FDA0003519384770000011
式中，F表示荷载集中作用力，E表示弹性模量，I表示惯性矩，A表示相邻夹具之间的距离，A＝l/3；x为小梁试样任意点距离第一外夹具的距离，将第一外夹具视作为位置原点；l表示两个外夹具之间的距离，即小梁跨径；
由于剪切挠度抵消掉，故挠度差为二者弯曲挠度的差值，带入弯曲挠度公式为：
Figure FDA0003519384770000012
式中，V表示剪切挠度与弯曲挠度之和；L表示小梁试件长度，L/2表示小梁跨中位置；
小梁跨中弯曲挠度表达式为：
Figure FDA0003519384770000021
式中，ε为小梁梁底水平拉应变，h为小梁高度；
利用挠度差与小梁跨中位置弯曲挠度的关系，计算小梁梁底水平拉应变，表达式为：
Figure FDA0003519384770000022
令
Figure FDA0003519384770000023
则上式小梁梁底水平拉应变表达式为：
Figure FDA0003519384770000024
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116242721A (zh) * 2023-04-24 2023-06-09 中山市精研科技有限公司 一种高清电视框架强度自动化检测装置

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