CN114858613A - 一种弹簧式混凝土拉伸徐变装置及其测试方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种弹簧式混凝土拉伸徐变装置及其测试方法,该拉伸徐变装置包括反力架、设置在反力架一端的弹簧加载系统及设置在反力架另一端的固定系统，弹簧加载系统包括第一高强螺栓、施力螺母、第一压力传感器、弹簧挡板和弹簧,第一高强螺栓一端与布置在反力架内的混凝土试件一端固接，另一端依次穿过反力架、弹簧、弹簧挡板及第一压力传感器，其端部通过施力螺母紧固；固定系统包括第二高强螺栓、第二压力传感器及固定螺母，第二高强螺栓一端与混凝土试件另一端固接，另一端穿过反力架和第二压力传感器，其端部通过固定螺母紧固。该拉伸徐变装置，能够对混凝土试件施加恒定拉力，结构简单，稳定性强，承载力高，可重复使用，适用于混凝土进行长期拉伸徐变试验。

Description

一种弹簧式混凝土拉伸徐变装置及其测试方法
技术领域
本发明属于混凝土试验技术领域，具体涉及一种弹簧式混凝土拉伸徐变装置及其测试方法。
背景技术
混凝土是基础建设中最常用的建筑材料之一，作为粘弹性材料，具有明显的时效性，而徐变直接影响混凝土时效性。混凝土徐变是指在恒定应力或者荷载作用下，应变随时间增长而不断发展的一种现象。混凝土徐变由基本徐变与干燥徐变两部分组成，基本徐变是指密封条件下混凝土因恒载而产生的变形；干燥徐变是指由干燥所引起的附加徐变。徐变通常是指基本徐变，基本徐变与混凝土加载时产生的瞬时变形、混凝土的收缩变形，组成混凝土的全徐变。
徐变在加载初期发展较快，而后逐渐减慢。混凝土加载完成后，拉伸徐变分为三个阶段：第一阶段为拉伸徐变的徐变率随时间增加而逐渐减小；第二阶段为拉伸徐变逐渐趋于稳定；第三阶段为随着应力强度比增大，拉伸徐变逐渐增长，直至混凝土破坏。混凝土在受拉荷载作用下，会产生较大的拉应力，进而发生开裂。而混凝土拉伸徐变可以松弛部分拉应力，对于延缓混凝土开裂起着重要作用。目前对混凝土压缩徐变研究较为成熟，而拉伸徐变测试难度较大，因此研究较少。
混凝土拉伸徐变测试方法主要有直接拉伸试验、约束收缩试验。直接拉伸试验的加载装置一般采用杠杆式或弹簧式。杠杆式加载装置虽然能一直施加稳定的荷载，但当拉伸荷载过大时，不易加载。弹簧式加载装置是通过弹簧的压缩来对试件施加拉力，相较于杠杆式加载装置，操作简单，占地面积小，能批量生产、同时进行试验，但随着时间的增加，弹簧式加载装置可能会出现弹簧压缩量减小的情况，需要实时调整，操作繁琐。约束收缩试验一般采用混凝土温度应力试验机，试件在约束情况下，长度保持不变，即采用外加荷载对长度进行补偿。约束收缩试验对试验设备要求较高，其测试与控制系统应具有较高的精度。
目前混凝土拉伸徐变装置较少，并且在进行试验时，绝大部分的试验方法并未考虑干燥徐变的影响。因此，研制一种弹簧式混凝土拉伸徐变装置并提出一种只考虑基本拉伸徐变的试验方法具有重要的应用价值。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种弹簧式混凝土拉伸徐变装置，结构简单，稳定性强，承载力高，测试快捷，试验数据精确，能批量生产与重复利用。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是，提供一种弹簧式混凝土拉伸徐变装置,包括反力架、设置在反力架一端的弹簧加载系统及设置在反力架另一端的固定系统，所述弹簧加载系统包括第一高强螺栓、施力螺母、第一压力传感器、弹簧挡板和弹簧,所述第一高强螺栓一端通过第一连接板与布置在反力架内的混凝土试件一端固接，另一端依次穿过反力架、弹簧、弹簧挡板及第一压力传感器，其端部通过施力螺母进行紧固；固定系统包括第二高强螺栓、第二压力传感器及固定螺母，所述第二高强螺栓一端通过第二连接板与混凝土试件另一端固接，另一端穿过反力架和第二压力传感器，其端部通过固定螺母紧固。
进一步地，如上述所述的一种弹簧式混凝土拉伸徐变装置，所述第一连接板和第二连接板分别与混凝土试件粘接。
进一步地，如上述所述的一种弹簧式混凝土拉伸徐变装置，所述第一连接板和第二连接板的中心位置沿水平方向均设有螺母孔和通体螺栓孔，所述螺母孔和通体螺栓孔相连通。
进一步地，如上述所述的一种弹簧式混凝土拉伸徐变装置，所述反力架是由至少两块横板及至少两块竖板搭接而成。
进一步地，如上述所述的一种弹簧式混凝土拉伸徐变装置，所述纵板的中心位置沿水平方向设有通体螺栓孔。
进一步地，如上述所述的一种弹簧式混凝土拉伸徐变装置，所述第一压力传感器和第二压力传感器均为轮辐式压力传感器。
进一步地，如上述所述的一种弹簧式混凝土拉伸徐变装置，还包括数据采集系统，所述数据采集系统包括应变箱、横向应变片和纵向应变片，所述横向应变片和纵向应变片粘贴在混凝土试件两侧并分别与应变箱连接。
进一步地，如上述所述的一种弹簧式混凝土拉伸徐变装置，所述应变箱、第一压力传感器及第二压力传感器均与计算机连接。
本发明还提供一种拉伸测试方法，包括如下步骤：
步骤一：在待测混凝土试件的两侧分别粘贴横向应变片和纵向应变片；
步骤二：在待测混凝土试件两端分别固定弹簧加载系统和固定系统；
步骤三：根据设定的应力强度，先对混凝土试件进行预加载与对中处理；对中完成后，继续施加荷载到达目标值；
步骤四：通过应变片测得的总应变值扣除混凝土试件的自收缩变形及加载时弹性变形，得到混凝土试件的拉伸基本徐变，如公式(1)所示：
εcr＝εtotal-εsh-εe (1)
其中，εcr——拉伸基本徐变，εtotal——总应变，εsh——自收缩应变，εe——弹性应变。
采用比徐变与徐变速率作为混凝土拉伸徐变特性的评价指标，比徐变如公式(2)所示，徐变速率为某一龄期段内单位时间的徐变值，
Figure BDA0003626047190000031
其中，csp——比徐变，c(t,t0)——t时刻的徐变应变，σ——徐变应力。
进一步地，如上述所述的拉伸测试方法，其特征是：在步骤一之前，先制备与测量混凝土自收缩变形大小相等的混凝土试件；将拆模后的混凝土试件迅速用塑料薄膜包裹进行第一次密封，再用锡纸进行第二次密封。
本发明的有益技术效果在于：本发明的拉伸徐变装置，通过设置反力架，保证了试验装置的承载力；通过设置弹簧加载系统(该弹簧加载系统依据力学原理进行设计，通过弹簧刚度与弹簧压缩量计算混凝土试件承受的拉力，通过压力传感器精确控制施加的拉伸荷载，通过压缩弹簧来储存弹性势能)，保证在试验期间提供稳定的拉力，施力方式简单、快捷，减少试验误差；通过设置固定系统，保证混凝土试件左右两端承受相等的拉力，以便试验数据精确性。本发明的测试方法，能直接获得混凝土试件的基本拉伸徐变值，并利用比徐变与徐变速率作为混凝土拉伸徐变特性的评价指标。
附图说明
图1为本发明拉伸徐变装置的结构示意图；
图2为反力架的主视图；
图3为反力架的侧视图；
图4为反力架的俯视图；
图5为第一连接板和第二连接板的主视图；
图6为第一连接板和第二连接板的俯视图；
图7为第一连接板和第二连接板的侧视图；
图8为数据采集系统的结构示意图。
图中：1-第一高强螺栓，2-施力螺母，3-第一压力传感器，4-弹簧挡板，5-弹簧，6-反力架，7-第一连接板，8-第二压力传感器，9-第二连接板，10-第二高强螺栓，11-固定螺母，12-竖板，13-顶板、14-中板，15-横板，16-应变箱，17-横向应变片，18-纵向应变片，19-混凝土试件，20-底板，21-螺栓孔
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步详细的描述。
需要说明的是，本申请的说明书、权利要求书及附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不是用于描述特定的顺序或先后次序，应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例能够除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。
如图1所示，是本发明提供的一种弹簧式混凝土拉伸徐变装置，包括反力架6、弹簧加载系统、固定系统及数据采集系统。反力架6布置在混凝土试件19外围，用于保证徐变装置的承载力；弹簧加载系统设置在反力架6一端，用于向混凝土试件提供稳定的拉力；固定系统设置在反力架6另一端，保证混凝土试件左右两端承受相等的拉力；数据采集系统粘贴在待测混凝土试件19上，用于获取混凝土试件的纵横应变值。
如图2-4所示，反力架6由至少两块横板15及至少两块竖板12焊接而成。本发明以两块横板和四块竖板为例进行说明，两块横板15沿水平方向平行设置，四块竖板沿竖直方向平行设置，四块竖板两两对称地焊接在两块横板两端。为保证反力架6的强度，每侧两块竖板12之间均焊有顶板13、中板14和底板20。其中，横板15优选方钢管，顶板13、中板14(中板中部为断开结构，便于高强螺栓穿过)和底板20均采用钢板，加工制作方便。另外，竖板12沿中心位置水平方向预留螺栓孔21，便于高强螺栓穿过。
弹簧加载系统包括第一高强螺栓1、施力螺母2、第一压力传感器3、弹簧挡板4、弹簧5和第一连接板7,第一高强螺栓1一端通过第一连接板7与设置在反力架6内的混凝土试件19一端连接，另一端依次穿过反力架、弹簧5、弹簧挡板4及第一压力传感器3，其端部通过施力螺母2紧固，参见附图1。需要说明的是，第一压力传感器3由弹簧挡板4和施力螺母2进行约束，弹簧5由弹簧挡板4与反力架6进行约束。
固定系统包括第二高强螺栓10、第二压力传感器8、固定螺母11及第二连接板9，第二高强螺栓10一端通过第二连接板9与混凝土试件19另一端连接，另一端穿过反力架6和第二压力传感器8，其端部通过固定螺母11紧固，参见附图1。需要说明的是，第二压力传感器8由固定螺母11和反力架6进行约束。
其中，第一压力传感器3和第二压力传感器8均为轮辐式压力传感器，用于测量混凝土试件两端的拉力，其测量准确，稳定性好。第一压力传感器3及第二压力传感器8均与计算机连接，用于向计算机传递检测的拉力值。
弹簧挡板4用于固定弹簧5，其设有中心通孔，便于第一高强螺栓1穿过。
第一连接板7和第二连接板9为板状结构，用于与混凝土试件连接，其中心位置沿水平方向分别设有螺母孔和通体螺栓孔，螺母孔和通体螺栓孔相连通，这样便于与第一高强螺栓和第二高强螺栓10连接和拆卸，如图5-7所示。第一连接板7和第二连接板9均通过结构胶与混凝土试件19连接。
如图8所示，是本发明提供的数据采集系统，该数据采集系统包括应变箱16、横向应变片17和纵向应变片18，横向应变片17和纵向应变片18分别固定在混凝土试件19两侧并分别与应变箱16连接。应变箱16用于采集横向应变片17和纵向应变片18的应变数据，并将采集的数据传输给计算机，计算机通过计算得到混凝土试件的基本拉伸徐变，并根据比徐变与徐变速率获取混凝土拉伸徐变特性的评价指标。
本发明还提供一种拉伸测试方法，包括如下步骤：
步骤一：浇筑100mm×100mm×400mm的棱柱体混凝土试件。
步骤二：将拆模后的混凝土试件迅速用塑料薄膜包裹进行第一次密封，再用锡纸胶带对混凝土试件进行第二次密封，以确保混凝土试件与外界无水分交换；密封完成后，放入养护室进行标准养护。
步骤三：养护完成后，将相应加载龄期的混凝土试件两侧中心处剪出纵、横应变片需要粘贴的位置，使用吹风机对混凝土试件表面进行风干，再使用砂纸与酒精对混凝土试件表面进行磨平与清理。
步骤四：在混凝土试件上粘贴纵、横应变片，并使用AB胶对应变片表平面进行包裹，防止试验过程中应变片脱落；包裹完成后，使用塑料薄膜、锡纸胶带对混凝土试件开口处进行密封。
步骤五：利用打磨机将混凝土试件两端打磨平整，使用酒精进行清理，用结构胶与两端对应的连接板进行粘接。需要说明的是，粘接之前，先固定弹簧加载系统(即先将第一高强螺栓一端穿过第一连接板，再将第一高强螺栓另一端依次穿过反力架、弹簧、弹簧挡板及第一压力传感器，其端部通过施力螺母紧固)和固定系统(即先将第二高强螺栓一端穿过第二连接板，再将另一端依次穿过反力架和第二压力传感器，其端部通过固定螺母紧固)。
步骤六：根据设定的应力强度，采用5％的目标拉力值对混凝土试件进行预加载及对中处理。即首先拧紧左侧施力螺母，压缩弹簧对混凝土试件施加轴向拉力，观测轮辐式压力传感器、应变片数据的实时变化，通过右侧固定螺母进行调整，使左右两侧压力传感器数值基本相等，混凝土试件两侧对应的纵、横应变片数值之差应小于其平均值的10％。
步骤七：混凝土试件对中完成后，在短时间内采用逐级施加的方式到达目标拉力值，通过纵向应变片得到混凝土试件初始弹性应变；混凝土试件加载完成后，利用计算机自动采集系统，每30min进行一次采集，直至混凝土试件龄期结束。
步骤八：试验进行过程中，若第一压力传感器的数值下降超过1KN，则拧紧施力螺母，使其恢复到目标拉力值。
步骤九：应变片测得的总应变值扣除混凝土试件的自收缩变形及加载时弹性变形，得到混凝土试件的基本拉伸徐变，其表达式为：
εcr＝εtotal-εsh-εe (1)
εcr——拉伸基本徐变
εtotal——总应变
εsh——自收缩应变
εe——弹性应变。
步骤十：采用比徐变与徐变速率作为混凝土拉伸徐变特性的评价指标，徐变速率为某一龄期段内单位时间的徐变值，比徐变表达式为：
Figure BDA0003626047190000081
csp——比徐变
c(t,t0)——t时刻的徐变应变
σ——徐变应力。
以上所述仅为本发明的较佳具体实施方式，但是本发明保护范围并不局限于此。本领域技术人员根据本发明所揭露的技术方案及其发明构思，进行等同替换或改变，所获得的技术方案都应涵盖在本发明保护范围之内。

Claims (10)

1.一种弹簧式混凝土拉伸徐变装置,包括反力架(6)、设置在反力架(6)一端的弹簧加载系统及设置在反力架(6)另一端的固定系统，其特征是：所述弹簧加载系统包括第一高强螺栓(1)、施力螺母(2)、第一压力传感器(3)、弹簧挡板(4)和弹簧(5),所述第一高强螺栓(1)一端通过第一连接板(7)与布置在反力架(6)内的混凝土试件(19)一端固接，另一端依次穿过反力架(6)、弹簧(5)、弹簧挡板(4)及第一压力传感器(3)，其端部通过施力螺母(2)进行紧固；固定系统包括第二高强螺栓(10)、第二压力传感器(8)及固定螺母(11)，所述第二高强螺栓(10)一端通过第二连接板(9)与混凝土试件(19)另一端固接，另一端穿过反力架(6)和第二压力传感器(8)，其端部通过固定螺母(11)紧固。
2.根据权利要求1所述的一种弹簧式混凝土拉伸徐变装置，其特征是：所述第一连接板(7)和第二连接板(9)分别与混凝土试件(19)粘接。
3.根据权利要求2所述的一种弹簧式混凝土拉伸徐变装置，其特征是：所述第一连接板(7)和第二连接板(9)的中心位置沿水平方向均设有螺母孔和通体螺栓孔,所述螺母孔和通体螺栓孔相连通。
4.根据权利要求3所述的一种弹簧式混凝土拉伸徐变装置，其特征是：所述反力架(6)是由至少两块横板及至少两块竖板搭接而成。
5.根据权利要求4所述的一种弹簧式混凝土拉伸徐变装置，其特征是：所述纵板的中心位置沿水平方向设有通体螺栓孔。
6.根据权利要求5所述的一种弹簧式混凝土拉伸徐变装置，其特征是：所述第一压力传感器(3)和第二压力传感器(8)均为轮辐式压力传感器。
7.根据权利要求1-6任一项所述的一种弹簧式混凝土拉伸徐变装置，其特征是：还包括数据采集系统，所述数据采集系统包括应变箱(16)、横向应变片(17)和纵向应变片(18)，所述横向应变片(17)和纵向应变片(18)粘贴在混凝土试件(19)两侧并分别与应变箱(16)连接。
8.根据权利要求7所述的一种弹簧式混凝土拉伸徐变装置，其特征是：所述应变箱(16)、第一压力传感器(3)及第二压力传感器(8)均与计算机连接。
9.利用权利要求1-8任一项所述的拉伸徐变装置进行拉伸测试方法，包括如下步骤：
步骤一：在待测混凝土试件的两侧分别粘贴横向应变片和纵向应变片；
步骤二：在待测混凝土试件两端分别固定弹簧加载系统和固定系统；
步骤三：根据设定的应力强度，先对混凝土试件进行预加载与对中处理；步骤四：对中完成后，继续施加荷载到达目标值；
步骤五：将应变片测得的总应变值扣除混凝土试件的自收缩变形及加载时弹性变形，得到混凝土试件的拉伸基本徐变，如公式(1)所示：
εcr＝εtotal-εsh-εe (1)
其中，εcr——拉伸基本徐变，εtotal——总应变，εsh——自收缩应变，
εe——弹性应变。
采用比徐变与徐变速率作为混凝土拉伸徐变特性的评价指标，比徐变如公式(2)所示，徐变速率为某一龄期段内单位时间的徐变值，
Figure FDA0003626047180000021
其中，csp——比徐变，c(t,t0)——t时刻的徐变应变，σ——徐变应力。
10.根据权利要求9所述的拉伸测试方法，其特征是：在步骤一之前，先制备与测量混凝土自收缩变形大小相等的混凝土试件；将拆模后的混凝土试件迅速用塑料薄膜包裹进行第一次密封，再用锡纸进行第二次密封。
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