CN201795963U - 混凝土断裂测试系统 - Google Patents

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Abstract

本实用新型涉及一种混凝土断裂测试系统,属于混凝土材料性能测试技术领域。该系统包括测量系统和数据采集处理系统,测量系统包括现有的压力试验机、放置于混凝土试件顶部的压力传感器和设置于混凝土试件预制裂缝处的夹式引伸计,数据采集处理系统主要由动态应变采集仪和计算机组成,压力试验机含有用于放置混凝土试件的平台、位于压力传感器上方的顶板和用于推动平台与顶板相对移动的驱动装置,在平台上设有支撑混凝土试件的两支座和对称位于混凝土试件周侧的偶数根垫柱,垫柱上套装有伸出其顶端并高于压力传感器的弹簧,弹簧未受压时的高度高于压力传感器的高度。采用该系统可以获得精细的荷载-位移曲线,从而计算出精确的混凝土双K断裂参数。

Description

混凝土断裂测试系统
技术领域
[0001] 本实用新型涉及一种用于测试混凝土断裂性能的系统,属于混凝土材料性能测 试技术领域。
背景技术
[0002] 混凝土断裂韧度是水电水利与交通工程混凝土结构抗裂、防裂设计及裂缝评定 中分析混凝土抗裂能力和建筑物裂缝扩展稳定性的重要依据。要了解混凝土断裂机理, 解决混凝土结构物的裂缝扩展问题,首先需要通过混凝土材料的断裂试验,正确测定混 凝土断裂参数和了解混凝土失稳断裂前裂缝扩展过程与缝端附近区域的物理特性及其力 学行为。目前混凝土断裂参数中常见的是双K断裂参数,即起裂断裂韧度和失稳断裂 韧度K1。
[0003] 据申请人了解,现有规范测量混凝土双K断裂参数一般是采用三点弯曲梁试 验,如图1所示,在三点弯曲梁试验中,混凝土试件3在浇筑时先制一条预置裂缝20,试 验机将荷载加载在压力传感器4上通过垫板传递给混凝土试件3,通过采集临界裂缝张口 位移CMODc和最大荷载Fmax来计算临界有效裂缝长度a。的值,进而计算裂缝的起裂断裂 韧度足;f、失稳断裂韧度&Τ。另外,公布号为CN101706389A的中国专利也采用了三点弯 曲梁试验,该专利是在如图1所示的裂缝20处设置夹式引申计,在混凝土试件3受力的 过程中采集荷载和挠度,通过计算出荷载和挠度的曲线面积除以混凝土试件3的韧带面 积从而得到混凝土试件3的断裂能;该专利只是为抵消梁试件自重所做的功设计的试验 装置,从而无需拟合试验曲线而计算出梁试件的断裂能。
[0004] 上述现有采用三点弯曲梁试验的装置及方法存在的问题是现有试验机的量程和 精度较低,通常加载速率在80N/S…120ΝΛ,这样就导致:一、采集有关试验数据(如 荷载、位移和应变等数据)的数量较少(即采集频率低),从而造成采集的荷载-位移 曲线较为粗糙,进而使计算出的双K断裂参数不精确,尤其对于小尺寸的混凝土梁试件 (譬如水泥砂浆试件)来说,采集试^SM的精度更是无法满足混凝土梁试件的设计要 求;二、实际采集试时往往要中止加载荷载(即不能持续地增加荷载)进行静态采 集,这样得到的MMM均是间断值,不能够形成连续的荷载-位移曲线;三、经常采 集不到试件刚起裂和失稳时的数据,从而使计算出的双K断裂参数根本不准确;四、在 荷载-位移曲线下降段,由于要求施加的荷载速率要小,否则试件容易突然发生破坏, 因此很难采集到荷载_位移曲线下降段过程。
[0005] 由于存在以上的 问题和缺陷,现有采用三点弯曲梁试验确定混凝土双K断裂参 数时,只是将采集到的MMSM用于经验公式来判断混凝土梁试件的起裂或失稳状态, 无法定量验证计算双K断裂参数值的准确性,从而无法确定断裂时刻的准确性,更不能 深入的揭示混凝土内部的裂缝演化过程,也很难在实际工程中直接使用所得的双K断裂 参数。实用新型内容
[0006] 本实用新型要解决的技术问题是,提出一种在三点弯曲梁试验中能够更加精细 化采集各种混凝土试件断裂破坏全过稈的试验数据,从而可以更加精确地计算获得双K 断裂参数的测试装置。
[0007] 本实用新型为解决上述技术问题提出的技术方案是:一种一种混凝土断裂测试 系统,包括测量系统和数据采集处理系统,所述测量系统包括现有的压力试验机、放置 于混凝土试件顶部的压力传感器和设置于混凝土试件预制裂缝处的夹式引伸计,所述压 力试验机含有用于放置混凝土试件的平台、位于压力传感器上方的顶板和用于推动平台 与顶板相对移动的驱动装置,所述数据采集处理系统主要由动态应变采集仪和计算机组 成;所述平台上设有彼此间隔用于支撑混凝土试件的两支座,还设有对称位于混凝土试 件周侧的偶数根垫柱,所述垫柱上套装有伸出其顶端的弹簧;所述弹簧未受压时相对平 台的高度高于压力传感器未受压时相对平台的高度。
[0008] 本实用新型的混凝土断裂测试系统在具体试验时,压力试验机驱动平台与顶板 相对移动后,顶板首先接触到弹簧,弹簧受到压力后产生反作用弹力抵消掉大部分压 力,之后顶板再逐步缓慢的接触压力传感器,从而使压力试验机实际加载在混凝土试件 上的荷载值很小,最小能精确控制为1N/S,而且荷载施加过程非常缓慢,能够满足荷 载-位移曲线下降段的加载速率要求。
[0009] 这样,相比现有三点弯曲梁试验,本实用新型的有益效果是:由于在现有压力 试验机的平台上安装垫柱和弹簧,并使弹簧相对地坪的高度高于压力传感器相对地坪的 高度,因此可以将压力试验机加载到混凝土试件上的荷载以较小的加载速率持续加载, 即混凝土试件可以处于以较小单位荷载的持续加载作用下,在这种连续加载过程中,压 力传感器和夹式引伸计可以对各种不同等级、不同级配混凝土试件连续获得更加精细 (即更多个)的荷载信号和裂缝张口位移信号,并实时将这些信号传给动态应变采集仪和 计算机,从而获得更加精细的荷载-位移曲线,进而经计算处理后可以得到更精确的双K 断裂参数,并最终了解和掌握混凝土试件断裂破坏的全过程。
[0010] 上述技术方案的改进之一是:还包括声发射仪和安置于混凝土试件表面的声发 射传感器,所述声发射仪的输入端和输出端分别通过数据线与声发射传感器和计算机连 接。
[0011] 上述技术方案的改进之二是:还包括应变片,所述应变片安置于混凝土试件预 制裂缝处并通过数据线与动态应变采集仪连接。
[0012] 经上述改进后,本实用新型的混凝土断裂测试系统在获取精细的荷载信号和裂 缝张口位移信号以外,还可以进一步获取混凝土试件在持续加载过程中对应每个荷载信 号和裂缝张口位移信号的混凝土试件断裂的声音特征信号(如振铃计数、事件计数等)或 应变信号,通过对这些声音特征信号或应变信号的识别、判断和分析,找到混凝土试件 出现起裂和失稳状态的准确时刻及对应该时刻的荷载值和裂缝张口位移值,从而为准确 计算获得混凝土试件双K断裂参数提供直接依据,即提高双K断裂参数计算的准确性。
[0013] 上述技术方案的进一步改进是:所述垫柱和弹簧均是围绕混凝土试件两侧彼此 对称布置的四根。
[0014] 上述技术方案的完善是:所述弹簧的性能参数按照下式选取,F = kx,式中,[0015] F—弹簧所承受荷载,N
[0016] k——弹簧刚度,^^^",N/mm
8C η
[0017] G——弹簧材料的切变模量,MPa
[0018] C——弹簧的旋绕比,C = D2/d
[0019] D2——弹簧直径,mm [0020] d——弹簧丝直径,mm
[0021] η—弹簧有效圈数
[0022] χ——弹簧的变形量,mm。
[0023] 上述技术方案的进一步完善是:所述夹式引伸计嵌在分别粘贴在混凝土试件的 预置裂缝口两侧的刀口薄钢条之间,所述压力试验机是液压试验机,所述驱动装置是安 置于平台下部的液压缸。
附图说明
[0024] 下面结合附图对本实用新型的混凝土断裂测试系统作进一步说明。
[0025] 图1是现有混凝土断裂参数三点弯曲梁试验装置的结构示意图。
[0026] 图2是本实用新型实施例一混凝土断裂测试系统的结构示意图。
[0027] 图3是图2的左视图。
[0028] 图4是本实用新型实施例二混凝土断裂测试系统的结构示意图。
具体实施方式
[0029] 实施例一
[0030] 本实施例的混凝土断裂测试系统如图2、图3所示,包括测量系统和数据采集处 理系统,测量系统包括现有的压力试验机、放置于混凝土试件3顶部的压力传感器4和 设置于混凝土试件3预制裂缝处的夹式引伸计10。压力试验机选用长春试验机厂生产的 5000kN三轴液压试验机,该试验机含有用于放置混凝土试件3的平台1、位于压力传感 器4上方的顶板5和用于推动平台1与顶板5相对移动的驱动装置(即液压缸),顶板5 上端固定在试验机横梁6上,试验机横梁6套装在试验机立柱7上。夹式引伸计采用美 国Epsilon公司生产的夹式引伸计,夹式引伸计10嵌在分别粘贴在混凝土试件3的预置 裂缝口两侧的刀口薄钢条(图中未示出)之间。数据采集处理系统主要由动态应变采集 仪11和计算机12组成,动态应变采集仪11采用江苏东华测试技术股份有限公司生产的 DH-3817型动态应变采集仪。平台1上设有彼此间隔用于支撑混凝土试件3的两支座2, 还设有对称位于混凝土试件3周侧(本实施例是在混凝土试件3的两侧,也可以在混凝土 试件3的四侧或四角)的四根垫柱9。垫柱9上套装有伸出其顶端的弹簧8。弹簧8在 未受压时相对平台1的高度高于压力传感器4未受压时相对平台1的高度,即弹簧8未受 压时其顶端与顶板5下沿的距离小于压力传感器4顶端与顶板5下沿的距离,或者说顶板 5与平台1相对移动时先接触弹簧8后再接触压力传感器4。
[0031] 弹簧8的有关参数按照下式选取,F = kx,式中,
[0032] F——弹簧所承受荷载,N[0033] k——弹簧刚度,k = —3-,N/mm
oC η
[0034] G——弹簧材料的切变模量,MPa
[0035] C——弹簧的旋绕比,C = D2/d
[0036] D2——弹簧直径,mm
[0037] d——弹簧丝直径,mm
[0038] η—弹簧有效圈数
[0039] χ——弹簧的变形量,mm。
[0040] 本实施例混凝土断裂测试系统存在的变化是:1)垫柱9和弹簧8也可以是二 根、六根或其他偶数根,但最少是二根,以便于对称布置于混凝土试件3周侧,从而平 衡混凝土试件3的受力;2) 5000kN三轴液压试验机也可以是2000kN或IOOOkN三轴液压 试验机,或者是单轴、二轴液压试验机;3)液压试验机也可以由电动试验机代替;4)压 力传感器4与混凝土试件3之间也可以加设垫板。
[0041] 实施例二
[0042] 本实施例的混凝土断裂测试系统是在实施例一基础上的改进,如图4所示,其 与实施例一所不同的是:①还包括声发射仪13和安置于混凝土试件3表面的声发射传感 器14,声发射仪13的输入端和输出端分别通过数据线与声发射传感器14和计算机12连 接,声发射仪采用每国PAC公司生产的SAMOSTM声发射仪;②刀口薄钢条替换为在裂 缝口两侧预埋的螺栓(图中未示出)。
[0043] 实施例三
[0044] 本实施例的混凝土断裂测试系统是在实施例一基础上的改进,其与实施例一所 不同的是:还包括应变片(图中未示出),应变片安置于混凝土试件3预制裂缝处并通过 数据线与动态应变采集仪11连接。
[0045] 本实用新型的混凝土断裂测试系统及其测试方法不局限于上述实施例所 述的具 体技术方案,比如:除了用刀口薄钢条和螺栓将夹式引伸计10固定在裂缝处以外,还可 以用其他的方式固定,或者直接将夹式引伸计10粘贴在裂缝的两侧壁上;凡采用等同替 换形成的技术方案均为本实用新型要求的保护范围。

Claims (6)

1. 一种混凝土断裂测试系统,包括测量系统和数据采集处理系统,所述测量系统包 括现有的压力试验机、放置于混凝土试件顶部的压力传感器和设置于混凝土试件预制裂 缝处的夹式引伸计,所述压力试验机含有用于放置混凝土试件的平台、位于压力传感器 上方的顶板和用于推动平台与顶板相对移动的驱动装置,所述数据采集处理系统主要由 动态应变采集仪和计算机组成;所述平台上设有彼此间隔用于支撑混凝土试件的两支 座,其特征在于:所述平台上还设有对称位于混凝土试件周侧的偶数根垫柱,所述垫柱 上套装有伸出其顶端的弹簧;所述弹簧未受压时相对平台的高度高于压力传感器未受压 时相对平台的高度。
2.根据权利要求1所述混凝土断裂测试系统,其特征在于:还包括声发射仪和安置 于混凝土试件表面的声发射传感器,所述声发射仪的输入端和输出端分别通过数据线与 声发射传感器和计算机连接。
3.根据权利要求1所述混凝土断裂测试系统,其特征在于:还包括应变片,所述应 变片安置于混凝土试件预制裂缝处并通过数据线与动态应变采集仪连接。
4.根据权利要求2或3所述混凝土断裂测试系统,其特征在于:所述垫柱和弹簧均是 围绕混凝土试件两侧彼此对称布置的四根。
5.根据权利要求4所述混凝土断裂测试系统,其特征在于:所述弹簧的性能参数按 照下式选取,F = kx,式中,F——弹簧所承受荷载,Nk——弹簧刚度,允=县,WmmoC ηG——弹簧材料的切变模量,MPa C——弹簧的旋绕比,C = D2/d D2——弹簧直径,mm d——弹簧丝直径,mm η——弹簧有效圈数 χ——弹簧的变形量,mm。
6.根据权利要求5所述混凝土断裂测试系统,其特征在于:所述夹式引伸计嵌在分 别粘贴在混凝土试件的预置裂缝口两侧的刀口薄钢条之间,所述压力试验机是液压试验 机,所述驱动装置是安置于平台下部的液压缸。
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