專利名稱：高水壓及動(dòng)載作用下全級(jí)配混凝土斷裂擴(kuò)展測試試驗(yàn)機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明主要涉及一種混凝土斷裂擴(kuò)展測試試驗(yàn)機(jī)，尤其是涉及一種適用高水壓及動(dòng)載作用下的全級(jí)配混凝土斷裂擴(kuò)展測試試驗(yàn)機(jī)。
背景技術(shù)：
在傳統(tǒng)的混凝土壩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，一般只考慮水壓力、自重荷載、揚(yáng)壓力、泥沙壓力、風(fēng)浪壓力、冰壓力、地震力荷載。事實(shí)上，對于易出現(xiàn)裂縫的混凝土壩，僅考慮以上荷載是不夠的，裂縫內(nèi)的水荷載對大壩的影響同樣不容忽視，特別是隨著筑壩技術(shù)的提升，我國興建了許多300米級(jí)高混凝土壩，這些高混凝土壩大都處于地震烈度較高的地區(qū)，并且在深水壓力下，經(jīng)過多年運(yùn)行，均已不同程度的出現(xiàn)裂縫，甚至有的大壩在施工期就出現(xiàn)了各種各 樣的裂縫，它們的存在將會(huì)影響結(jié)構(gòu)的實(shí)用性和耐久性，嚴(yán)重的裂縫還會(huì)惡化結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和穩(wěn)定，破壞其整體性和抗?jié)B性，危及建筑物的安全運(yùn)行。所以，大壩全級(jí)配混凝土在高水壓力及地震荷載作用下的裂縫擴(kuò)展與穩(wěn)定性問題日益嚴(yán)峻，也是工程界極為關(guān)注的問題。由于水壓力作用下的混凝土斷裂試驗(yàn)難度非常大，裝置較為復(fù)雜，國外只有少數(shù)學(xué)者開展過這方面的試驗(yàn)研究。因此，開展高水壓力作用下，混凝土裂縫擴(kuò)展與斷裂特性的試驗(yàn)研究，并測定混凝土在水壓力作用下的斷裂參數(shù)，研究混凝土在動(dòng)載及高水壓下混凝土裂縫的起裂、擴(kuò)展和失穩(wěn)，對于認(rèn)識(shí)混凝土水工結(jié)構(gòu)在深水壓力(高水壓力)及動(dòng)載作用下的斷裂特性具有重要的理論意義和工程參考價(jià)值。水壓力下混凝土裂縫開裂擴(kuò)展研究屬于水力劈裂的一種情況，由于混凝土介質(zhì)體內(nèi)天然存在著大量裂隙、空隙、節(jié)理、層面等構(gòu)造，因而混凝土水力劈裂并非字面上的含義是將完整的、均質(zhì)無任何缺陷的介質(zhì)劈開，而是高壓水流或其它液體將介體內(nèi)已有的裂隙、空隙驅(qū)動(dòng)擴(kuò)張、擴(kuò)展、相互貫通等物理現(xiàn)象的統(tǒng)稱。傳統(tǒng)水壓力下混凝土劈裂試驗(yàn)采用的方法是1、預(yù)制帶內(nèi)部裂縫的混凝土圓柱試件，通過往內(nèi)部裂縫中充水和高壓氮?dú)獾姆椒▽?shí)現(xiàn)混凝土劈裂；2、利用楔入式緊湊拉伸試驗(yàn)原理，制作楔入劈拉試件，在裂縫表面設(shè)置裂縫端面水壓密封裝置，其受力方式如圖6所示。前者只能測試混凝土別劈裂時(shí)的靜水壓力，試件上只可實(shí)現(xiàn)靜荷載的施加，劈裂試驗(yàn)完成后剖開圓柱試件可觀測裂縫最終擴(kuò)展情況，但無法測試裂縫擴(kuò)展過程；而后者可測試不同靜荷載加載調(diào)節(jié)下裂縫內(nèi)水壓力的變化，在靜荷載和水壓力共同作用下靜水壓力對斷裂性能的影響，但施加高水壓力及測試裂縫擴(kuò)展過程均很難實(shí)現(xiàn)。

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題針對現(xiàn)有技術(shù)存在的技術(shù)問題，本發(fā)明涉及一種可為高水壓及動(dòng)載作用下的水工結(jié)構(gòu)全級(jí)配混凝土裂縫的起裂、擴(kuò)展和失穩(wěn)過程進(jìn)行測試的試驗(yàn)機(jī)，與現(xiàn)有混凝土斷裂擴(kuò)展測試試驗(yàn)機(jī)相比，本發(fā)明可實(shí)現(xiàn)高水壓力、動(dòng)水壓力并同時(shí)施加動(dòng)荷載下的全級(jí)配混凝土的斷裂擴(kuò)展試驗(yàn)，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡單、測試功能多樣和測試過程穩(wěn)定可控。
技術(shù)方案本發(fā)明的高水壓及動(dòng)載作用下全級(jí)配混凝土斷裂擴(kuò)展測試試驗(yàn)機(jī)，包括MTS試驗(yàn)機(jī)作動(dòng)頭、作動(dòng)連接桿、楔形加載架、加載架固定件、釹鐵硼稀土永磁體、拉壓傳力鋼軸、預(yù)埋軸承、拉壓支撐件、試樣支撐鋼棒、試樣支座、高壓密封缸、密封缸蓋板、密封圈、密封缸連接桿、非接觸式光測窗口、高水壓泵、高水壓缸體、高水壓連接管、高水壓腔、活塞桿及活塞；MTS試驗(yàn)機(jī)作動(dòng)頭、作動(dòng)連接桿、楔形加載架、加載架固定件、釹鐵硼稀土永磁體、拉壓傳力鋼軸、預(yù)埋軸承、拉壓支撐件組合成混凝土試樣動(dòng)力加載部分；試樣支撐鋼棒、試樣支座組合成混凝土試樣支撐部分；高壓密封缸、密封缸蓋板、密封圈、密封缸連接桿、非接觸式光測窗口組合成混凝土試樣的高壓密封腔部分；高水壓缸體、高水壓連接管、高水壓腔、活塞桿、活塞及MTS試驗(yàn)機(jī)作動(dòng)頭組合成高水壓泵，其結(jié)構(gòu)形式如圖3所示；MTS試驗(yàn)機(jī)作動(dòng)頭與楔形加載架通過作動(dòng)連接桿連接，加載架固定件將釹鐵硼稀土永磁體固定在楔形加載架內(nèi)部，楔形加載架與拉壓支撐件通過齒輪方式連接，拉壓支撐件與拉壓傳力鋼軸通過鍵連接，支撐鋼棒與混凝土試樣通過預(yù)埋軸承連接；混凝土試樣底邊位于試樣支座的試樣支撐鋼棒上；非接觸式光測窗口固定在密封缸蓋板上，兩側(cè)的密封缸蓋板與高壓密封缸通過密封缸連接桿的螺栓連接；高水壓泵與高壓密封腔部分通過高水壓連接管連接；動(dòng)力加載部分、支撐部分、高壓密封腔部分和高水壓泵共同組成本發(fā)明的高水壓作用下全級(jí)配混凝土斷裂擴(kuò)展測試試驗(yàn)機(jī)，其正面結(jié)構(gòu)形式如圖2所示；固定了釹鐵硼稀土永磁體的楔 形加載架與拉壓傳力鋼軸、拉壓支撐件組成磁場閉合回路;MTS試驗(yàn)機(jī)作動(dòng)頭活塞桿通過鍵連接，活塞桿與活塞通過鍵連接，高水壓缸體與活塞組合出高水壓腔。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)
I、本發(fā)明針對現(xiàn)有混凝土斷裂擴(kuò)展測試試驗(yàn)機(jī)只可進(jìn)行無水壓力或靜水壓力下的混凝土的斷裂擴(kuò)展試驗(yàn)、試件內(nèi)部加高水壓無法測試裂縫擴(kuò)展過程以及高水壓與動(dòng)載不能同時(shí)施加的缺陷，采用高壓密封腔，高水壓泵裝置實(shí)現(xiàn)全級(jí)配混凝土試樣在高水壓以及動(dòng)水壓情況下的斷裂擴(kuò)展測試功能，通過外接MTS試驗(yàn)機(jī)作動(dòng)頭、固定釹鐵硼稀土永磁體的楔形加載架等混凝土試樣動(dòng)力加載構(gòu)件實(shí)現(xiàn)混凝土動(dòng)力加載功能，通過非接觸式光測窗口可直接進(jìn)行混凝土斷裂擴(kuò)展過程進(jìn)行測試。2、本發(fā)明的楔形加載架中固定了釹鐵硼稀土永磁體，使得楔形加載架、拉壓傳力鋼軸、拉壓支撐件組成磁場閉合回路，采用的釹鐵硼稀土永磁體提供的極強(qiáng)磁場保證了在動(dòng)載的拉力加載過程中楔形加載架與拉壓支撐件齒輪間的密閉連接，拉壓支撐件上的閉合牽引力傳遞至拉壓傳力鋼軸上實(shí)現(xiàn)控制混凝土裂紋的快速閉合，從而保證了混凝土動(dòng)力加載功能的實(shí)現(xiàn)。釹鐵硼稀土永磁體的采用避免了彈簧及電磁鐵裝置的復(fù)雜及不易控制的缺陷。3、本發(fā)明同現(xiàn)有混凝土斷裂擴(kuò)展測試試驗(yàn)機(jī)相比，不僅可進(jìn)行傳統(tǒng)的無水壓力或靜水壓力下的混凝土的斷裂擴(kuò)展試驗(yàn)，而且可以進(jìn)行高水壓、動(dòng)水壓力、動(dòng)荷載下的混凝土的斷裂擴(kuò)展試驗(yàn)，具有結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡單、測試功能多樣和測試過程穩(wěn)定可控的特點(diǎn)。


圖I為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意 圖2為本發(fā)明試驗(yàn)機(jī)的正面示意 圖3為本發(fā)明聞水壓栗不意圖；圖4為本發(fā)明混凝土試件以及內(nèi)部預(yù)留孔示意 圖5為本發(fā)明混凝土試件應(yīng)變片粘貼位置示意 圖6為混凝土劈拉試樣受力示意圖。圖中
1- MTS試驗(yàn)機(jī)作動(dòng)頭17 -注水孔
2-作動(dòng)連接桿18 -高水壓泵
3-楔形加載架19 -高水壓缸體
4-加載架固定件20 -高水壓連接管
5-釹鐵硼稀土永磁體21 -高水壓腔
6-拉壓傳力鋼軸22 -活塞桿
7-預(yù)埋軸承23 -活塞
8-拉壓支撐件24 -預(yù)設(shè)裂縫
9-混凝土試樣25 -加載裂縫
10-試樣支撐鋼棒26 -鋼軸孔
11-試樣支座27 -預(yù)埋孔
12-高壓密封缸28 -孔壓計(jì)
13-密封缸蓋板29 -孔壓計(jì)導(dǎo)線孔
14-密封圈30 -壓力傳感器
15-密封缸連接桿31 -預(yù)埋螺管
16-非接觸式光測窗口。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說明。如圖I所示高水壓及動(dòng)載作用下全級(jí)配混凝土斷裂擴(kuò)展測試試驗(yàn)機(jī)，包括MTS試驗(yàn)機(jī)作動(dòng)頭(I)、楔形加載架(3)、加載架固定件(4)、釹鐵硼稀土永磁體(5)、拉壓傳力鋼軸
(6)、預(yù)埋軸承(7)、拉壓支撐件(8)、試樣支撐鋼棒(10)、試樣支座(11)、高壓密封缸(12)、密封缸蓋板(13 )、密封缸連接桿(15 )、非接觸式光測窗口( 16 )、高水壓泵(18 )及高水壓連接管(20)，其特征在于MTS試驗(yàn)機(jī)作動(dòng)頭(I)、作動(dòng)連接桿(2)、楔形加載架(3)、加載架固定件(4)、釹鐵硼稀土永磁體(5)、拉壓傳力鋼軸(6)、預(yù)埋軸承(7)、拉壓支撐件(8)組合成混凝土試樣(9)動(dòng)力加載部分；試樣支撐鋼棒(10)、試樣支座(11)組合成混凝土試樣(9)支撐部分；高壓密封缸(12)、密封缸蓋板(13)、密封圈(14)、密封缸連接桿(15)、非接觸式光測窗口( 16)組合成混凝土試樣(9)的高壓密封腔部分；高水壓缸體(19)、高水壓連接管
(20),高水壓腔(21)、活塞桿(22)、活塞(23)及MTS試驗(yàn)機(jī)作動(dòng)頭(I)組合成高水壓泵(18);MTS試驗(yàn)機(jī)作動(dòng)頭(I)與楔形加載架(3)通過作動(dòng)連接桿(2)連接，加載架固定件(4)將釹鐵硼稀土永磁體(5)固定在楔形加載架(3)內(nèi)部,楔形加載架(3)與拉壓支撐件(8)通過齒輪方式連接，拉壓支撐件(8)與拉壓傳力鋼軸(6)通過鍵連接，支撐鋼棒(10)與混凝土試樣(9)通過預(yù)埋軸承(7)連接；混凝土試樣(9)底邊位于試樣支座(11)的試樣支撐鋼棒(10)上；非接觸式光測窗口(16)固定在密封缸蓋板(13)上，兩側(cè)的密封缸蓋板(13)與高壓密封缸(12)通過密封缸連接桿(15)的螺栓連接；高水壓泵(18)與高壓密封腔部分通過高水壓連接管(20)連接；動(dòng)力加載部分、支撐部分、高壓密封腔部分和高水壓泵共同組成本發(fā)明的高水壓作用下全級(jí)配混凝土斷裂擴(kuò)展測試試驗(yàn)機(jī)。固定了釹鐵硼稀土永磁體(5)的楔形加載架(3)與拉壓傳力鋼軸(6)、拉壓支撐件(8)組成磁場閉合回路；MTS試驗(yàn)機(jī)作動(dòng)頭
(I)活塞桿(22 )通過鍵連接，活塞桿(22 )與活塞(23 )通過鍵連接，高水壓缸體(19 )與活塞(23)組合出高水壓腔(21)。工作原理本發(fā)明的高水壓及動(dòng)載作用下全級(jí)配混凝土斷裂擴(kuò)展測試試驗(yàn)機(jī)由動(dòng)力加載部分、支撐部分、高壓密封腔部分和高水壓泵共同組成。本發(fā)明試驗(yàn)機(jī)可實(shí)現(xiàn)全級(jí)配混凝土斷裂擴(kuò)展測試試件的最大尺寸為500mmX 500mmX 200mm,見圖4,在混凝土試樣(9)中設(shè)置預(yù)設(shè)裂縫(24)、加載裂縫(25)、鋼軸孔(26)、預(yù)埋孔(27)、孔壓計(jì)導(dǎo)線孔(29)、壓力傳感器(30)、預(yù)埋螺管(31)，在預(yù)設(shè)裂縫(24)端部設(shè)置孔壓計(jì)(28)，布置位置及尺寸如圖5所示?；炷猎嚇?9)布置在試驗(yàn)機(jī)的試樣支撐鋼棒(10)上，在上部兩個(gè)四分點(diǎn)處布置鋼軸孔(26)，鋼軸孔(26)兩端布置預(yù)埋軸承(7)，拉壓傳力鋼軸(6)穿過鋼軸孔(26)并與預(yù) 埋軸承(7)內(nèi)圈連接，拉壓傳力鋼軸(6)兩端與拉壓支撐件(8)通過鍵連接，楔形加載架(3)與拉壓支撐件(8 )通過齒輪方式連接，MTS試驗(yàn)機(jī)作動(dòng)頭(I)與楔形加載架(3 )通過作動(dòng)連接桿(2)連接。MTS試驗(yàn)機(jī)作動(dòng)頭(I)產(chǎn)生的動(dòng)荷載依次通過作動(dòng)連接桿(2)、加載架固定件(4)、楔形加載架(3)、拉壓支撐件(8)、拉壓傳力鋼軸(6)、預(yù)埋軸承(7)傳遞至混凝土試樣(9)的鋼軸孔(26)中。楔形加載架(3)向下運(yùn)動(dòng)時(shí)為拉壓支撐件(8)提供向兩側(cè)張開的壓力，實(shí)現(xiàn)混凝土裂縫的開展，楔形加載架(3)向上運(yùn)動(dòng)時(shí)由釹鐵硼稀土永磁體(5)產(chǎn)生的磁場力為拉壓支撐件(8)提供向中間閉合的拉力，最終實(shí)現(xiàn)混凝土在動(dòng)荷載作用下裂縫的開展和閉合。在混凝土試樣(9)安裝后，通過高壓密封缸(12)上的注水孔(17)注入水，靜水壓力及動(dòng)水壓力均由高水壓泵提供，MTS試驗(yàn)機(jī)作動(dòng)頭(I)產(chǎn)生的動(dòng)荷載依次通過活塞桿(22)、活塞(23)傳遞至高水壓缸體(19)內(nèi)的水中，其結(jié)構(gòu)如圖3所示，再通過高水壓連接管(20)傳遞至試驗(yàn)機(jī)的高壓密封腔部分。通過調(diào)節(jié)MTS試驗(yàn)機(jī)作動(dòng)頭(I)的作動(dòng)荷載實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)所需的高水壓及動(dòng)水壓。本發(fā)明主要可實(shí)現(xiàn)以下試驗(yàn)
I、動(dòng)載及高水壓作用下混凝土斷裂擴(kuò)展試驗(yàn)中裂縫尖端應(yīng)變場、裂縫寬度(包括裂縫動(dòng)態(tài)跟蹤)測試。試驗(yàn)中可采用光力學(xué)實(shí)驗(yàn)手段-白光數(shù)字圖像相關(guān)方法透過非接觸光測窗口進(jìn)行非接觸、高精度測量，采用高分辨高速相機(jī)連續(xù)記錄裂紋尖部區(qū)域的形貌及其在試驗(yàn)過程中的變化情況，再采用數(shù)字圖像相關(guān)算法分析裂紋尖端區(qū)域內(nèi)所有像素點(diǎn)的位移和整個(gè)區(qū)域的應(yīng)變場分布、裂縫的寬度、起裂以及斷裂擴(kuò)展后的裂紋路徑。2、動(dòng)載及高水壓作用下混凝土斷裂擴(kuò)展試驗(yàn)中裂縫內(nèi)水壓分布測試以及動(dòng)水壓力下裂紋中水壓力與外部動(dòng)水壓力的關(guān)系測試?；趫D4所設(shè)計(jì)的混凝土試件，在混凝土內(nèi)部設(shè)置傳感器進(jìn)行混凝土內(nèi)部水壓力測試，試樣兩側(cè)裂縫處設(shè)置有機(jī)玻璃薄片進(jìn)行密封，在預(yù)制裂縫端處設(shè)置孔壓計(jì)進(jìn)行水壓測定，混凝土試樣加載后裂縫擴(kuò)展處的水壓力變化由多個(gè)擴(kuò)散硅壓力傳感器測定。
權(quán)利要求
1.高水壓及動(dòng)載作用下全級(jí)配混凝土斷裂擴(kuò)展測試試驗(yàn)機(jī)，包括MTS試驗(yàn)機(jī)作動(dòng)頭(I)、楔形加載架(3)、加載架固定件(4)、釹鐵硼稀土永磁體(5)、拉壓傳力鋼軸(6)、預(yù)埋軸承(7)、拉壓支撐件(8)、試樣支撐鋼棒(10)、試樣支座(11)、高壓密封缸(12)、密封缸蓋板(13)、密封缸連接桿(15)、非接觸式光測窗口( 16 )、高水壓泵(18 )及高水壓連接管(20 )，其特征在于MTS試驗(yàn)機(jī)作動(dòng)頭(I)、作動(dòng)連接桿(2)、楔形加載架(3)、加載架固定件(4)、釹鐵硼稀土永磁體(5)、拉壓傳力鋼軸(6)、預(yù)埋軸承(7)、拉壓支撐件(8)組合成混凝土試樣(9)動(dòng)力加載部分；試樣支撐鋼棒(10)、試樣支座(11)組合成混凝土試樣(9)支撐部分；高壓密封缸(12)、密封缸蓋板(13)、密封圈(14 )、密封缸連接桿(15)、非接觸式光測窗口( 16 )組合成混凝土試樣(9)的高壓密封腔部分；高水壓缸體(19)、高水壓連接管(20)、高水壓腔(21)、活塞桿(22)、活塞(23)及MTS試驗(yàn)機(jī)作動(dòng)頭(I)組合成高水壓泵(18) ;MTS試驗(yàn)機(jī)作動(dòng)頭(I)與楔形加載架(3 )通過作動(dòng)連接桿(2 )連接，加載架固定件(4)將釹鐵硼稀土永磁體(5)固定在楔形加載架(3)內(nèi)部,楔形加載架(3)與拉壓支撐件(8)通過齒輪方式連接,拉壓支撐件(8)與拉壓傳力鋼軸(6)通過鍵連接，支撐鋼棒(10)與混凝土試樣(9)通過預(yù)埋軸承(7)連接；混凝土試樣(9)底邊位于試樣支座(11)的試樣支撐鋼棒(10)上；非接觸式光測窗口( 16)固定在密封缸蓋板(13)上，兩側(cè)的密封缸蓋板(13)與高壓密封缸(12)通過密封缸連接桿(15)的螺栓連接；高水壓泵(18)與高壓密封腔部分通過高水壓連接管(20)連接；動(dòng)力加載部分、支撐部分、高壓密封腔部分和高水壓泵共同組成本發(fā)明的高水壓作用下全級(jí)配混凝土斷裂擴(kuò)展測試試驗(yàn)機(jī)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的高水壓作用下全級(jí)配混凝土斷裂擴(kuò)展測試試驗(yàn)機(jī)，其特征在于固定了釹鐵硼稀土永磁體(5)的楔形加載架(3)與拉壓傳力鋼軸(6)、拉壓支撐件(8)組成磁場閉合回路。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的高水壓作用下全級(jí)配混凝土斷裂擴(kuò)展測試試驗(yàn)機(jī)，其特征在于MTS試驗(yàn)機(jī)作動(dòng)頭(I)活塞桿(22)通過鍵連接，活塞桿(22)與活塞(23)通過鍵連接，高水壓缸體(19)與活塞(23)組合出高水壓腔(21)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種高水壓及動(dòng)載作用下全級(jí)配混凝土斷裂擴(kuò)展測試試驗(yàn)機(jī)，它包括MTS試驗(yàn)機(jī)作動(dòng)頭、楔形加載架、釹鐵硼稀土永磁體、拉壓傳力鋼軸、預(yù)埋軸承、拉壓支撐件、試樣支撐鋼棒、高壓密封缸、密封缸蓋板、密封缸連接桿、非接觸式光測窗口、高水壓泵；固定了釹鐵硼稀土永磁體的楔形加載架與拉壓傳力鋼軸、拉壓支撐件組成磁場閉合回路；動(dòng)力加載部分、支撐部分、高壓密封腔部分和高水壓泵共同組成本發(fā)明試驗(yàn)機(jī)。本發(fā)明克服了現(xiàn)有試驗(yàn)機(jī)只可進(jìn)行無水壓力或靜水壓力下全級(jí)配混凝土的斷裂擴(kuò)展試驗(yàn)、高水壓與動(dòng)載不能同時(shí)施加以及不能進(jìn)行混凝土斷裂擴(kuò)展過程進(jìn)行測試的缺陷；具有結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡單、測試功能多樣和測試過程穩(wěn)定可控的特點(diǎn)。
文檔編號(hào)G01N3/12GK102778396SQ201210191589
公開日2012年11月14日 申請日期2012年6月12日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月12日
發(fā)明者于國軍, 孫立國, 杜成斌, 江守燕 申請人:河海大學(xué)