CN208223991U - 一种古木材疲劳特性试验装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种古木材疲劳特性试验装置，包括控制系统、加载系统、夹持系统(上、下)、夹头(上、下)、古木材试件、高精度引伸计、轴力传感器、高速摄像机、数据采集系统和数据处理系统。古木材试件为回转体，包括测试段、夹持段和变截面段。古木材试件夹持段被夹头所夹持。夹头左右两半接触面咬合。夹头与试件相连一端有凹槽，凹槽表面有环形突起；夹头与夹持系统相连一端有螺纹。试验设置上限应力比、频率和循环次数，通过数据处理系统分析古木材试件应力、应变、循环次数和疲劳寿命。本试验装置和试验方法能开展古木材疲劳试验，节约珍贵的古木材材料，避免试件端部应力集中破坏，有效测试古木材疲劳特性。

Description

一种古木材疲劳特性试验装置

技术领域

本实用新型属于古木材疲劳试验技术领域，特别涉及一种古木材疲劳特性试验装置。

背景技术

我国的古建筑是以木结构为主，其主要承力构件如梁柱，椽枋，斗拱，榫卯等也都是木质。古木材在长期生物、化学和力学等外在因素的作用下，结构残损和强度降低，力学性能劣化，抗振性能和耐久性能显著降低。历史上可能对古木材构成疲劳损伤的动力荷载来源于地震动。虽然强烈的地震可使建筑物产生10²～10^2.9mm/s左右的振速，但10^1.3～10^2.1次的振动次数远远小于交通荷载振动次数(10⁶～10^8.5次)。尤其是对于发生剥落和裂缝的古代木结构建筑，在长期低振速高振次动荷载作用下可能发生疲劳破坏。随着城市化的快速发展，大量的轨道交通线路穿越古建筑，这种高振动次数荷载对古建筑影响愈加突出。例如西安地铁1号和2号线穿越钟楼(砖木结构)，地铁振动会对钟楼古木材振动产生影响。在既有的线路规划下，如何最大程度地减小轨道交通如地铁建设和运营等对古木结构的影响，就需要测试古木材疲劳特性，为理论计算分析提供支撑，为探讨古木材的容许振动标准夯实基础，对西安乃至全国同时期的木结构古建筑设定标准有重要参考意义和价值。

古木材本身可用于制备的试件少而珍贵，若开展全比尺或大比尺试验会造成试件的大量浪费，宜测试古木材小试件疲劳特性，将节约古木材资源。但国内外缺少关于木材疲劳试验研究较少，关于古木材疲劳特性试验研究更少。国家规范《木材横纹抗拉强度试验方法》(GB/T 14017-2009)仅适用于无疵小试样的简单加载试验，不能通过循环加载测试木材疲劳特性。循环荷载条件下，古木材内部产生损伤微裂纹，损伤随着时间积聚，将导致微裂纹扩展直至古木材失效。古木材试件取自古代木质结构文物，由于经历长期化学、生物和力学等作用，古木材含水率很低，结构相对新木材疏松，物理力学性质逐步劣化，开展古木材疲劳试验过程中需要一些针对性方法，不能完全等同于新木材。若采用测试金属或者其他材料的夹具夹持试件，很容易将试件端部夹碎或者试件滑脱，以至于无法开展疲劳试验；若采用片状试件会由于形状效应试件很容易在变截面处先破坏，而不是试件中间部位，试验结果就不能反映古木材真实的动力特性；若循环荷载取得不合适，古木材塑性累计应变测试就不准确。因此急需发展古木材疲劳试验装置和试验方法。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本实用新型的目的在于提供一种古木材疲劳特性试验装置，以解决现有关于古木材疲劳试验的不足，本实用新型能开展古木材高周疲劳和低周疲劳，有效节约珍贵的古木材材料，避免在试验过程中试件端部由于局部应力集中而破坏，确保大部分试件于中间位置破坏，有效测试古木材疲劳特性。

为了实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是：

一种古木材疲劳特性试验装置，其特征在于，包括：

控制系统1；

设置于控制系统1上的用于实施循环加载的加载系统2；

设置于加载系统2上的下夹持系统3，下夹持系统3夹持下夹头4；

设置于下夹持系统3正上方的上夹持系统7，上夹持系统7夹持上夹头6；所述下夹头4和上夹头6分别在下夹持系统3和上夹持系统7的控制下，夹持试件5的上端和下端；

设置于上夹持系统7顶部用于测得轴力的轴力传感器8；

设置于试件5侧面用于拍摄试件5表面损伤裂纹图像的高速摄像机9；

设置于试件5侧面的用于测量古木材试件轴向应变的引伸计15；

所述轴力传感器8、高速摄像机9、引伸计15连接于数据采集系统10，采集相应的数据。

所述控制系统1包括通过竖轴连接的底台与顶台，加载系统2设置在底台上，轴力传感器8设置在顶台与上夹持系统7之间。

所述控制系统1和加载系统2采用MTS858型试验机系统。

所述加载系统2、下夹持系统3和上夹持系统7连接于控制系统1，控制系统1控制下夹持系统3和上夹持系统7将夹头加紧。

所述试件5为回转体，分为三段，包括测试段14、夹持段12和变截面段13，测试段14为圆柱状，变截面段13有两部分，分别连接在测试段14的上下端面，向远离测试段14的方向，变截面段13的截面逐渐增大，夹持段12有两部分，均为圆柱状，分别连接在两个变截面段13的端部。

所述试件5总高90mm，其中测试段14长20mm，直径15mm，夹持段12长18.5mm，直径42mm，变截面段13为弧面，母线曲率59.4m^-1。

所述下夹头4和上夹头6均为左右两半，左右两半接触面分布有球形突起17和球形凹陷16，咬合防止产生相互滑动；夹头一端有直径40mm的凹槽18，凹槽18表面有5条不等间距螺纹19，用于增大试件与夹头摩擦系数；夹头另一端被下夹持系统3和上夹持系统7夹持。

所述引伸计15为标距25mm的YSJ型高精度引伸计。

所述控制系统1和数据采集系统10连接于计算机11，计算机11接收并处理数据，通过控制系统1控制试验条件。

与现有技术相比，本实用新型为一种古木材疲劳特性试验装置，并配备相适应的测试系统，数据采集和处理系统。试验方法与试验原理简单，可测试不同循环次数加载条件下古木材试件应力-应变关系、应变-循环加载次数关系、上限应力比-循环次数关系和疲劳寿命。该试件夹具简单方便，容易拆卸，费用较低，极大的扩展了该仪器的用途。

附图说明

图1是一种古木材疲劳特性试验装置图。

图2是一种古木材疲劳特性试验夹头和试件纵断面图。

图3是试件三维图。

图4是夹头三维图。

图5是应力应变曲线。

具体实施方式

下面结合附图和实施例详细说明本实用新型的实施方式。

本实用新型为一种古木材疲劳特性试验装置，可确定不同循环次数加载条件下古木材试件应力-应变关系、应变-循环加载次数关系、上限应力比和循环次数关系和疲劳寿命。如图1所示，本试验装置包括：

控制系统1，其包括通过竖轴连接的底台与顶台；

加载系统2，设置于控制系统1底台上，用于实施循环加载；控制系统1和加载系统2可直接采用MTS858型试验机系统。

下夹持系统3，设置于加载系统2上，用于夹持下夹头4；

上夹持系统7，设置于下夹持系统3正上方，用于夹持上夹头6；加载系统2、下夹持系统3和上夹持系统7连接于控制系统1，控制系统1控制下夹持系统3和上夹持系统7分别将下夹头4和上夹头6夹头加紧。下夹头4和上夹头6再分别在下夹持系统3和上夹持系统7的控制下，夹持试件5的上端和下端，如图2所示；

轴力传感器8，设置于上夹持系统7顶部与控制系统1顶台之间，用于测得轴力；

高速摄像机9，设置于试件5侧面，用于拍摄试件5表面损伤裂纹图像，加载系统2实施循环加载过程中，可通过高速摄像机9拍摄试件5表面损伤情况；

设置于试件5侧面的用于测量古木材试件轴向应变的引伸计15，引伸计15为标距25mm的YSJ型高精度引伸计；

其中，轴力传感器8、高速摄像机9、引伸计15连接于数据采集系统10，采集相应的数据。

参考图3，古木质构件中锯解试材，试件截取，分三段加工出试件5，试件5为回转体，分为三段，包括测试段14、夹持段12和变截面段13，测试段14为圆柱状，变截面段13有两部分，分别连接在测试段14的上下端面，向远离测试段14的方向，变截面段13的截面逐渐增大，夹持段12有两部分，均为圆柱状，分别连接在两个变截面段13的端部，夹持段12被下夹头4和上夹头6所夹持。试件5总高90mm，其中测试段14长20mm，直径15mm，夹持段12长18.5mm，直径42mm，变截面段13为弧面，母线曲率59.4m^-1。

参考图4，下夹头4和上夹头6结构相同，均为左右两半，左右两半接触面分布有球形突起17和球形凹陷16，咬合防止产生相互滑动；夹头一端有直径40mm的凹槽18，凹槽18表面有5条不等间距螺纹19，用于增大试件与夹头摩擦系数；夹头另一端被下夹持系统3和上夹持系统7夹持。

本试验装置中，可将控制系统1和数据采集系统10连接于计算机11，计算机11接收并处理数据，通过控制系统1控制试验条件。

本试验装置中，试验过程中，上限应力比(最大加载力与静载峰值比)取0.40～0.80，频率设置为2Hz，循环加载200～500000次。启动加载系统2实现循环加载。通过高速摄像机9实时采集试件5表面损伤裂纹图像，通过加载系统2测得位移，通过轴力传感器8测得轴力，通过引伸计15侧得轴向应变。通过数据处理系统分析不同循环次数加载条件下古木材试件应力-应变关系、应变-循环加载次数关系、上限应力比和循环次数关系和疲劳寿命。

试验过程具体如下：

试件制备与安装：利用古木材试件5，制作分测试段14、夹持段12和变截面段13三段；试件夹持段12被上夹头6和下夹头4所夹持；此时，试件夹持段位于夹头凹槽18内，凹槽内螺纹19与试件夹持段12紧密结合，夹头左右两半接触面上球形突起17位于球形凹槽16内；通过操作计算机11，使上夹头6被上夹持系统7所夹，下夹头4被下夹持系统3所夹；

试验条件控制：设置上限应力比、频率和循环加载次数。

试验数据分析：开展静拉与静压试验，确定峰值荷载F；通过设置上限应力比S(最大加载力/F)开展高周和低周疲劳试验；将轴力传感器8所测轴力P除以试件测试段14截面积A，得到轴向应力σ＝P/A；将引伸计所测值δ除以试件测试段14总长l，得到轴向应变ε＝δ/l；将同一时刻应力σ和应变ε绘于σ-ε图上即得到应力应变关系，如图5所示。N次循环加载后，绘制古木材的σ-ε曲线，应变ε-循环次数N曲线和上限应力比S-循环次数N曲线。通过σ-ε曲线分析古木材弹性模量和累积塑性变形随加载次数的变化规律，通过应变ε-循环次数N曲线分析应变累积与加载次数N和上限应力比S的关系，通过分析上限应力比S-循环次数N曲线分析古木材疲劳寿命与上限应力比关系，通过高速摄像机分析古木材试件在疲劳试验条件下的破坏规律。

Claims (9)

1.一种古木材疲劳特性试验装置，其特征在于，包括：

控制系统(1)；

设置于控制系统(1)上的用于实施循环加载的加载系统(2)；

设置于加载系统(2)上的下夹持系统(3)，下夹持系统(3)夹持下夹头(4)；

设置于下夹持系统(3)正上方的上夹持系统(7)，上夹持系统(7)夹持上夹头(6)；所述下夹头(4)和上夹头(6)分别在下夹持系统(3)和上夹持系统(7)的控制下，夹持试件(5)的上端和下端；

设置于上夹持系统(7)顶部用于测得轴力的轴力传感器(8)；

设置于试件(5)侧面用于拍摄试件(5)表面损伤裂纹图像的高速摄像机(9)；

设置于试件(5)侧面的用于测量古木材试件轴向应变的引伸计(15)；

所述轴力传感器(8)、高速摄像机(9)、引伸计(15)连接于数据采集系统(10)，采集相应的数据。

2.根据权利要求1所述古木材疲劳特性试验装置，其特征在于，所述控制系统(1)包括通过竖轴连接的底台与顶台，加载系统(2)设置在底台上，轴力传感器(8)设置在顶台与上夹持系统(7)之间。

3.根据权利要求1所述古木材疲劳特性试验装置，其特征在于，所述控制系统(1)和加载系统(2)采用MTS858型试验机系统。

4.根据权利要求1所述古木材疲劳特性试验装置，其特征在于，所述加载系统(2)、下夹持系统(3)和上夹持系统(7)连接于控制系统(1)，控制系统(1)控制下夹持系统(3)和上夹持系统(7)将夹头加紧。

5.根据权利要求1所述古木材疲劳特性试验装置，其特征在于，所述试件(5)为回转体，分为三段，包括测试段(14)、夹持段(12)和变截面段(13)，测试段(14)为圆柱状，变截面段(13)有两部分，分别连接在测试段(14)的上下端面，向远离测试段(14)的方向，变截面段(13)的截面逐渐增大，夹持段(12)有两部分，均为圆柱状，分别连接在两个变截面段(13)的端部。

6.根据权利要求5所述古木材疲劳特性试验装置，其特征在于，所述试件(5)总高90mm，其中测试段(14)长20mm，直径15mm，夹持段(12)长18.5mm，直径42mm，变截面段(13)为弧面，母线曲率59.4m^-1。

7.根据权利要求1所述古木材疲劳特性试验装置，其特征在于，所述下夹头(4)和上夹头(6)均为左右两半，左右两半接触面分布有球形突起(17)和球形凹陷(16)，咬合防止产生相互滑动；夹头一端有直径40mm的凹槽(18)，凹槽(18)表面有5条不等间距螺纹(19)，用于增大试件与夹头摩擦系数；夹头另一端被下夹持系统(3)和上夹持系统(7)夹持。

8.根据权利要求1所述古木材疲劳特性试验装置，其特征在于，所述引伸计(15)为标距25mm的YSJ型高精度引伸计。

9.根据权利要求1所述古木材疲劳特性试验装置，其特征在于，所述控制系统(1)和数据采集系统(10)连接于计算机(11)，计算机(11)接收并处理数据，通过控制系统(1)控制试验条件。