CN117589400A - 一种弹性模量测定装置 - Google Patents

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CN117589400A CN202311505608.5A CN202311505608A CN117589400A CN 117589400 A CN117589400 A CN 117589400A CN 202311505608 A CN202311505608 A CN 202311505608A CN 117589400 A CN117589400 A CN 117589400A
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李良顺
王月
安明喆
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    • G01M5/0075—Investigating the elasticity of structures, e.g. deflection of bridges or air-craft wings by means of external apparatus, e.g. test benches or portable test systems
    • G—PHYSICS
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Abstract

现有的测试装置组装复杂，每次测试完成后需要重新将相应的构件进行组装，每次组装耗时较多，且在测试之前需在试件表面轴心位置处划线进行标注，由于划线过程为人为操作，所使用尺子的精度、划线的粗细程度、不同的实验人等均可能导致标注出的中心并不准确。本申请提供了一种弹性模量测定装置，包括相互连接的位移采集单元和弹性模量测试单元，弹性模量测试单元包括依次连接的上压板、支撑部件和底座，上压板上设置有激光反射片，底座上设置有激光测距仪，底座上设置有水准仪，激光测距仪与位移采集单元连接。解决现有测试方法存在大量人工调整导致的误差，使得测量过程尽可能实现自动化，使得弹性模量的测试结果更加准确。

Description

一种弹性模量测定装置
技术领域
本申请属于弹性模量测试技术领域，特别是涉及一种弹性模量测定装置。
背景技术
随着国家基础建设的蓬勃发展，桥梁跨度不断增大、建筑高度不断增加，这对混凝土材料的性能要求越来越严苛。混凝土弹性模量是用于评估其构件刚度与挠度之间关系的重要参数，同时也是混凝土构件抵抗弹性变形能力的表征，被广泛应用于大体积混凝土构件的温度应力等应力应变计算、裂缝控制等方面。
混凝土弹性模量一般采用图1所示的装置进行测试，该测试装置在使用前首先需要使用螺栓将装置进行组装，然后将待测试件擦干表面后进行划线，标线完成后将其放于弹性模量测量仪内部，使用紧定螺钉对试件进行固定，然后将千分表放置于千分表支架内部并旋紧螺栓，将测试装置连带试件放置于压力机球座上，通过调节球座保证压力机上压板与试件上表面紧密接触，当偏心出现时及时停止压力机进行重新调整，直至左右千分表读出的变形之差与平均值相比小于20％。
测试装置在组装过程中上下环很难保证互相平行，在将测试装置与试件进行连接时首先需要划线确定紧定螺钉对应位置，划线时需对试件反复旋转，当前虽有辅助划线装置(CN202420964U)，但仍为将辅助装置与测量仪进行螺栓或其他方式连接，仍存在偏移等无法保证标线处为中心，当前也有考虑于上下环上安装水准仪的设计(CN107044933A)，即使标线位置为中心部位，开始时上下环平行，在紧定螺钉旋进试件表面过程中仍不可避免的发生偏移，最终导致试验出现误差，传统测试装置整个试验过程较为繁琐，耗时较长且准确度低，实验人、千分表等多项因素对试验结果有效性的影响至关重要。
现有的测试装置组装复杂，每次测试完成后需要重新将相应的构件进行组装，每次组装耗时较多，且在测试之前需在试件表面轴心位置处划线进行标注，由于划线过程为人为操作，所使用尺子的精度、划线的粗细程度、不同的实验人等均可能导致标注出的中心并不准确。
发明内容
1.要解决的技术问题
混凝土弹性模量是反映混凝土受力与变形之间关系的参数，能够对混凝土构件刚度、挠度、抵抗弹性变形能力进行表征，被广泛应用于结构应力计算等。当前常用的弹性模量测试装置往往由于实验人操作误差、试件标线准度、千分表准度、千分表是否滑移等一系列可能存在的问题导致试验结果出现误差的问题，本申请提供了一种弹性模量测定装置。
2.技术方案
为了达到上述的目的，本申请提供了一种弹性模量测定装置，包括相互连接的位移采集单元和弹性模量测试单元，所述弹性模量测试单元包括依次连接的上压板、支撑部件和底座，所述上压板上设置有激光反射片，所述底座上设置有激光测距仪，所述底座上设置有水准仪，所述激光测距仪与所述位移采集单元连接。
本申请提供的另一种实施方式为：所述底座包括依次连接的第一支座、夹层和第二支座，所述第一支座上设置有激光测距仪，所述第一支座上设置有水准仪。
本申请提供的另一种实施方式为：所述支撑部件为弹簧，所述第一支座上设置有第一弹簧凹槽，所述弹簧一端设置于所述第一弹簧凹槽内，所述第一支座上设置有第一标尺。
本申请提供的另一种实施方式为：所述上压板下方设置有第二弹簧凹槽，所述弹簧另一端设置于所述第二弹簧凹槽内，所述上压板上设置有第二标尺。
本申请提供的另一种实施方式为：所述位移采集单元为智能终端。
本申请提供的另一种实施方式为：所述支撑部件为4根独立的弹簧。
本申请提供的另一种实施方式为：所述弹性模量测定装置用于任意尺寸试件的弹性模量测试，所述试件放置于所述支撑部件内。
本申请提供的另一种实施方式为：所述支撑部件高于所述试件。
本申请提供的另一种实施方式为：所述激光测距仪测试精度为0.001mm，所述激光测试装置为4个，4个所述激光测距仪设置于所述底座的四个角。
本申请提供的另一种实施方式为：所述试件的弹性模量E为：
其中，K为直至轴压破坏前此时系统的整体刚度；K1为支撑部件的刚度，L为试件长度，A为受压面积。
3.有益效果
与现有技术相比，本申请提供的弹性模量测定装置的有益效果在于：
本申请提供的弹性模量测定装置，为一种多用型建筑材料弹性模量测定装置，解决现有测试方法存在大量人工调整导致的误差，使得测量过程尽可能实现自动化，使得弹性模量的测试结果更加准确。
本申请提供的弹性模量测定装置，不存在试件与测试装置的连接过程，只需保证待测试件上下底面平整，能够与测试装置上下底板贴合即可，下底座具有较为精细的标尺，只需将不同尺寸的试件放置于对应的标尺中心即可。
本申请提供的弹性模量测定装置，置于试件四个角处安装激光测距仪，四个激光测距仪的平均变形即为试件中心处的变形，能够更好的对试件的弹性模量进行计算。
本申请提供的弹性模量测定装置，下底座为橡胶支座，且带有水准仪装置，在试件、弹簧、上压板和底座安装好后只需调节一次水平，在受压过程中橡胶支座可自动调节使得上下底座平行，并保证试件上表面与测试装置上底座贴合，避免偏心的存在。
本申请提供的弹性模量测定装置，弹簧可防止试件破坏时碎屑飞溅，且激光测距仪也不需要重复取下，提高试验效率。
本申请提供的弹性模量测定装置，有效避免了大量繁琐的螺栓对构件进行连接，可直接通过将弹簧上下端部放入上下压板圆形弹簧凹槽内即可形成可靠连接，且省去了测试前需对试件划线标记的过程，提高了试验效率。
本申请提供的弹性模量测定装置，采用精度为0.001mm激光测距仪取代千分表进行测试，可以实现荷载-位移数据的实时采集，避免了千分表准度不够以及人为目测读数产生的误差，大大提高试验数据的可靠性，且采用激光测距仪不需重复取下与安装，弹簧可作为加载过程中的保护层，减少碎屑飞溅，并对测试装置进行保护。
附图说明
图1是本申请的弹性模量测定装置示意图；
图2是本申请的底座结构示意图；
图3是本申请的底座俯视图；
图4是本申请的上压板仰视图；
图5是本申请的弹性模量测定装置第二结构示意图；
图6是本申请的底座第二结构俯视图。
具体实施方式
在下文中，将参考附图对本申请的具体实施例进行详细地描述，依照这些详细的描述，所属领域技术人员能够清楚地理解本申请，并能够实施本申请。在不违背本申请原理的情况下，各个不同的实施例中的特征可以进行组合以获得新的实施方式，或者替代某些实施例中的某些特征，获得其它优选的实施方式。
弹性模量是建筑材料非常重要的力学性能之一，该参数能够对材料受力及应变之间的关系进行表征，且广泛应用于建筑材料的结构应力、变形以及裂缝控制等方面，对保障建筑材料结构安全性及可靠性尤为重要。
现有的测试装置的紧定螺钉与试件的连接过程也会导致误差的存在，当前常用的弹性模量测试装置在用于棱柱体等表面平整试件时连接性能较好，误差相对较小，但用于圆柱形试件时紧定螺钉与试件之间极易出现偏差，最终导致测试结果出现较大误差。在试验过程中混凝土应变采用千分表进行测试，不同试验员读数、千分表是否出现滑移、是否倾斜等均会导致读数出现误差，当千分表出现滑移会导致千分表读数偏小，最终计算出的弹性模量偏大，当千分表出现倾斜将直接导致测量出的应变结果可信度较差，最终计算出的弹性模量结果失真。随着科技的发展，光电激光测距仪可实现误差在0.001mm的情况下进行测距，测试过程可实现数据的实时传输，避免人为读数、千分表滑移等一系列因素产生的误差。当前传统的弹性模量测定装置读数一般为在试件两侧放置两个千分表进行读数，当上下环不水平或者不平行时将会导致千分表与下环千分表接触杆不能紧密相连，最终测试数据不准确。当前的弹性模量测定装置一般放置于球座上，通过人工调节球座保证试件与上压板紧密接触，调节过程中往往因为目测不准确需要反复进行尝试，当调整位置不佳时由于受力不均会导致试件在预压阶段出现偏心受压、一侧受压一侧受拉等情况，甚至导致试件掉角、表层剥落，使测量仪上左右千分表结果超过规定误差使得试验结果失效。当前的弹性模量测定装置在最终将试件压坏时需要将千分表取下，操作繁琐，且试件在压坏时可能产生碎屑。
参见图1～6，本申请提供一种弹性模量测定装置，包括相互连接的位移采集单元1和弹性模量测试单元，所述弹性模量测试单元包括依次连接的上压板2、支撑部件和底座，所述上压板2上设置有激光反射片3，所述底座上设置有激光测距仪6，所述底座上设置有水准仪10，所述激光测距仪6与所述位移采集单元1连接。
位移采集单元1与弹性模量测试单元之间之间通过数据线进行连接。
进一步地，所述底座包括依次连接的第一支座7、夹层8和第二支座9，所述第一支座7上设置有激光测距仪6，所述第一支座7上设置有水准仪10。底座能够实现微小偏心出现时也能及时自动调整，保证试验全过程上下压板有效与试件贴合。
第一支座7为钢支座，夹层8为橡胶夹层，第二支座9为钢支座。传统测试装置一般放置于球座上，当通过目测调节时往往会出现偏心，当前的球座虽然有一定的调节能力，但当荷载使得球座开始调节时对应的荷载对混凝土而言已经较大，进而在加载过程往往导致试件出现掉角或表层剥落等局部破坏现象，本装置将底座改为双层，中间加入橡胶夹层，能够在很小荷载下发生轻微形变，使得试件5上下表面持续与夹具上压板2和底座紧密贴合，防止了试件5的偏心破坏同时保证了数据的有效性。
进一步地，所述支撑部件为弹簧4，所述第一支座7上设置有第一弹簧凹槽11，所述弹簧4一端设置于所述第一弹簧凹槽11内，所述第一支座7上设置有第一标尺12。
这里的第一弹簧凹槽11呈圆形。圆形弹簧凹槽用于保证安装弹簧4时能够将弹簧4固定于底座上，第一标尺12可用于将不同尺寸试件放置于测试装置中心。
进一步地，所述上压板2下方设置有第二弹簧凹槽13，所述弹簧4另一端设置于所述第二弹簧凹槽13内，所述上压板2上设置有第二标尺14。
这里的第二弹簧凹槽13呈圆形。圆形弹簧凹槽用于保证安装上压板时能够固定于弹簧上端部。第二标尺14用于保证不同尺寸试件5放置于测定装置中心位置。
上下端部圆形凹槽直接与弹簧4相连省去大量组装仪器时间，且待测试件5表面不需进行标线。该装置弹簧4略高于试件，便于确定上压板2接触到试件5时的压力机对应荷载，且第一圈弹簧可置于第一弹簧凹槽11和第二弹簧凹槽13之间，保证上压板2和底座连接牢靠。
进一步地，所述位移采集单元1为智能终端。智能终端里面安装有数据采集软件即可，笔记本电脑，台式电脑，平板电脑或者手机等均可以。
该装置的基本原理为已知弹簧4(弹簧A)的刚度为k1，视待测试件5为第二根弹簧(弹簧B)，对应刚度为k2，预压完成后当上压板2接触到试件5时，弹簧A与弹簧B为并联，直至轴压破坏前此时系统的整体刚度为K＝k1+k2。
首先对弹簧A刚度进行检验，由于弹簧性能稳定，检验完成后所测的刚度值可直接用于后续计算使用，设定压力机恒定荷载F1对弹簧进行空载预压，到达峰值F1时位移记为ε1，根据荷载-位移曲线得到弹簧A刚度k1如式1所示：
准备试验所用试件5，设试件5长度为L，受压面积为A，每组6根，其中三根试件5先于弹性模量测量仪上测试直至试件破坏，获取待测试件的轴心抗压强度，剩余三根用于弹性模量的测试，试件取出后擦拭表面至无明显水分并及时进行测试。
本装置安装方法为首先将弹性模量测试装置的下压板放置于压力机正下方，放置平稳后检查水准仪10及激光测距仪6是否正常工作，之后调整测试装置下压板钢支座即第一支座1，确保其与橡胶夹层8、测试装置下压板钢支座即第二支座2三者之间连接稳定。抬升压力机上压板，待抬升高度可容纳试件及弹簧高度后停止，将待测试件5置于测试装置下压板钢支座对应尺寸的第一标尺12中心位置，放置完成后将弹簧4下端部安装至测试装置下压板钢支座上部的圆形弹簧凹槽处，确定弹簧4稳定后，检查上压板2上激光反射片3是否正常，随后将上压板2上圆形弹簧凹槽与弹簧4上端部之间形成可靠衔接，并保证激光反射片3能够有效接收激光测距仪6发出的信号，随后微调测试装置下压板钢支座使其上部的水准仪10保持水平，下降压力机上压板2与弹性模量测试装置上压板2密切接触，全部安装完成后开启激光测距仪采集软件并开动试验机进行荷载-位移数据采集，最后对数据进行处理。
一块待测试件5测试完成好将得到一条带着拐点Q的荷载-位移曲线，其中拐点Q表示测试装置开始接触试件5，记此时对应荷载F2，破坏时荷载记为F3，则三根试件5对应两次荷载的差值(F3-F2)的平均值为混凝土轴心抗压强度Fcp，以三根试件5对应的F2的均值加Fcp/3作为弹性模量测试中的高定荷载Fa，以三根试件5对应的F2的均值加(0.5/A)作为弹性模量测试中的低定荷载F0，此时的位移为ε0。对其余三根试件5进性弹性模量测试，最后得到三组带拐点的荷载-位移曲线，分别以荷载位移曲线的分界点Q的后半部分做起点为(F0，ε0)的线性拟合可获得弹簧A与弹簧B(待测试件)的并联刚度K，此时弹簧B(待测试件)的刚度k2＝K－k1，根据式2将弹簧B的刚度转化为待测试件的弹性模量E。
进一步地，所述支撑部件为4根独立的弹簧15时。此时测试过程与安装步骤同上，记四根弹簧15的刚度为k1、k2、k3、k4，空载测出的四根弹簧15总刚度记为K1＝k1+k2+k3+k4此时待测试件5的弹性模量按照式3进行计算。
这里的4根弹簧15也是通过第三弹簧凹槽16(圆形凹槽，在第一支座7上)和第四弹簧凹槽(在上压板2上)进行连接，同时第一支座7上有第三标尺17，上压板2有第四标尺。
进一步地，所述弹性模量测定装置用于任意尺寸试件5的弹性模量测试，所述试件5放置于所述支撑部件内。
进一步地，所述支撑部件高于所述试件5。
进一步地，所述激光测距仪6测试精度为0.001mm，所述激光测试装置为4个，4个所述激光测距仪6设置于所述底座的四个角。变形测试装置采用了精度为0.001mm激光测距仪6，保证数据为实时传输，避免人为读数以及千分表滑移等产生的误差，且测试位置由两侧改为试件四个角的位置，保证四个激光测距仪6的结果平均值能够有效代表试件中心位置处的变形，弹性模量更具有准确性。
传统的弹性模量测试装置为试件两侧进行读数，安装以及测试过程中千分表的滑移均会导致测试的数据不能很好的表征试件的变形，因此本装置对试件四个角的位置进行测试，其平均变形即为试件中心处的变形，能够更好的对试件的弹性模量进行计算。
进一步地，所述试件5的弹性模量E为：
其中，K为直至轴压破坏前此时系统的整体刚度；K1为支撑部件的刚度，L为试件长度，A为受压面积。
在试验前对测试装置与试件组装时避免了对试件表面的破坏，且适用于任意尺寸及形状的试件5弹性模量的测试。本申请的弹性模量测定装置避免了传统测试装置在连接试件5时需将紧定螺钉旋入试件内部所产生的的上下圆环偏移，且避免了安装过程中对试件5的破坏，并且该装置适用于棱柱体或圆柱体等任意尺寸试件5，只需将试件安装至相应尺寸标尺的中心位置，且避免了传统测试装置测试圆形试件5时标注的中心点不准确以及紧定螺钉在试件5表面滑移的发生。
尽管在上文中参考特定的实施例对本申请进行了描述，但是所属领域技术人员应当理解，在本申请公开的原理和范围内，可以针对本申请公开的配置和细节做出许多修改。本申请的保护范围由所附的权利要求来确定，并且权利要求意在涵盖权利要求中技术特征的等同物文字意义或范围所包含的全部修改。

Claims (10)

1.一种弹性模量测定装置，其特征在于：包括相互连接的位移采集单元和弹性模量测试单元，所述弹性模量测试单元包括依次连接的上压板、支撑部件和底座，所述上压板上设置有激光反射片，所述底座上设置有激光测距仪，所述底座上设置有水准仪，所述激光测距仪与所述位移采集单元连接。
2.如权利要求1所述的弹性模量测定装置，其特征在于：所述底座包括依次连接的第一支座、夹层和第二支座，所述第一支座上设置有激光测距仪，所述第一支座上设置有水准仪。
3.如权利要求2所述的弹性模量测定装置，其特征在于：所述支撑部件为弹簧，所述第一支座上设置有第一弹簧凹槽，所述弹簧一端设置于所述第一弹簧凹槽内，所述第一支座上设置有第一标尺。
4.如权利要求3所述的弹性模量测定装置，其特征在于：所述上压板下方设置有第二弹簧凹槽，所述弹簧另一端设置于所述第二弹簧凹槽内，所述上压板上设置有第二标尺。
5.如权利要求4所述的弹性模量测定装置，其特征在于：所述位移采集单元为智能终端。
6.如权利要求1所述的弹性模量测定装置，其特征在于：所述支撑部件为4根独立的弹簧。
7.如权利要求1～6中任一项所述的弹性模量测定装置，其特征在于：所述弹性模量测定装置用于任意尺寸试件的弹性模量测试，所述试件放置于所述支撑部件内。
8.如权利要求7所述的弹性模量测定装置，其特征在于：所述支撑部件高于所述试件。
9.如权利要求7所述的弹性模量测定装置，其特征在于：所述激光测距仪测试精度为0.001mm，所述激光测试装置为4个，4个所述激光测距仪设置于所述底座的四个角。
10.如权利要求7所述的弹性模量测定装置，其特征在于：所述试件的弹性模量E为：
其中，K为直至轴压破坏前此时系统的整体刚度；K1为支撑部件的刚度，L为试件长度，A为受压面积。
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