本發(fā)明涉及水工混凝土結(jié)構(gòu)與材料領(lǐng)域，是一種獲取大壩混凝土軸拉峰后軟化段的測定裝置及方法。

背景技術(shù)：

混凝土作為一種準脆性材料，抗壓強度高，而抗拉強度低。大壩混凝土在荷載作用下的的失效通常是因所受到的拉應(yīng)力超過其極限抗拉強度，從而導致構(gòu)件發(fā)生嚴重的開裂以至結(jié)構(gòu)破壞，失去承載力。因此開展對大壩混凝土材料拉伸力學特性的研究尤為重要。研究混凝土材料拉伸力學特性最直接的試驗方法是通過單軸拉伸試驗將拉力直接施加到混凝土試樣上，即軸拉試驗，由此確定的抗拉強度最接近混凝土的真實強度值。

然而目前的軸拉試驗測試裝置和方法還不夠完善，一旦混凝土試件達到峰值應(yīng)變后開裂后，就會產(chǎn)生偏心加載的問題。偏心加載會導致試件端部產(chǎn)生二次彎矩，使得試件內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力梯度，降低混凝土的拉伸強度，這樣的加載方式對混凝土峰后軟化段的獲取產(chǎn)生很大影響，而測定混凝土軸拉軟化段，對于揭示混凝土材料的斷裂機理，分析其斷裂行為和進一步評估混凝土的性能來說至關(guān)重要。因此，目前的軸拉試驗裝置測得的數(shù)據(jù)不能反映混凝土的真實拉伸性能。為了更好地獲取軸拉峰后軟化段，混凝土軸拉力學特性測試裝置及方法仍有待改進。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明所解決的技術(shù)問題是提供一種獲取大壩混凝土軸拉峰后軟化段的測定裝置及方法，在較為簡單的裝置和操作技術(shù)下對大壩混凝土的軸拉峰后軟化段進行測定。

為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的技術(shù)方案為：一種用于獲取大壩混凝土軸拉峰后軟化段的測定裝置，其特征在于：包括鋼制套頭、球鉸、鋼臂、鋼制夾具、兩側(cè)鋼桿、銅桿、銅桿應(yīng)變片、鋼桿應(yīng)變片、引伸計、混凝土試件,所述鋼臂與兩側(cè)鋼桿組成獨立于試驗機的驅(qū)動鋼架，所述驅(qū)動鋼架分別固定連接鋼制夾具和球鉸，所述球鉸與鋼制套頭相配合，所述混凝土試件中部插入有銅桿，所述銅桿中部粘貼銅桿應(yīng)變片，混凝土試件固定在鋼制夾具中間，鋼桿應(yīng)變片粘貼于兩側(cè)鋼桿中部，混凝土試件中部還安裝有引伸計，試驗機的傳力裝置選用自由轉(zhuǎn)動的球鉸，消除二次彎矩的影響，保證荷載的軸向傳遞。

進一步的，銅桿的直徑為10mm～20mm，混凝土試件內(nèi)部預(yù)留上下貫通圓柱狀孔洞以便插入銅桿，在試件中部插銅桿，銅桿的彈模和混凝土材料接近，具有很高的屈服應(yīng)力。銅桿中部粘貼應(yīng)變片，和狗骨頭形混凝土試件一同固定在鋼制夾具中間。

進一步的，兩側(cè)鋼桿的直徑為5mm～15mm。

進一步的，混凝土試件為狗骨頭形混凝土試件。

進一步的，狗骨頭形混凝土試件的尺寸為高400m，兩端的圓柱狀高80mm，直徑200mm，中間圓柱狀高80mm，直徑120mm。

進一步的，驅(qū)動鋼架上安裝有旋轉(zhuǎn)齒輪，通過旋轉(zhuǎn)齒輪的轉(zhuǎn)動可以調(diào)節(jié)鋼桿固定端的螺栓，從而降低或增高鋼桿的高度，直至兩邊達到平衡狀態(tài)。當試件一側(cè)的受拉變形超過對面一側(cè)的變形時，調(diào)節(jié)變形相對較大一側(cè)的旋轉(zhuǎn)齒輪，通過齒輪的旋轉(zhuǎn)帶動螺栓的擰緊或放松，從而降低或增高鋼桿的高度，直至兩邊達到平衡狀態(tài)。

一種用于獲取大壩混凝土軸拉峰后軟化段的測定方法，其特征在于：包括以下步驟：

步驟一：將銅桿插入混凝土試件中預(yù)留的孔洞，所述銅桿中部粘貼銅桿應(yīng)變片，用金屬夾頭將混凝土試件夾緊，銅桿通過螺紋端旋擰并固定，在固定好的混凝土試件中部安裝引伸計，并將引伸計和銅桿應(yīng)變片接入多通道應(yīng)變儀，所測應(yīng)變分別經(jīng)運算放大器處理，導入數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；

步驟二：安裝驅(qū)動鋼架，在兩側(cè)鋼桿上分別粘貼鋼桿應(yīng)變片，鋼桿應(yīng)變片接入多通道應(yīng)變儀，所測應(yīng)變分別經(jīng)運算放大器處理，導入數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，調(diào)節(jié)兩側(cè)旋轉(zhuǎn)齒輪使鋼桿應(yīng)變片讀數(shù)歸零；

步驟三：啟動試驗，對銅桿上應(yīng)變片和混凝土試件中部引伸計調(diào)零，加載過程中，觀察兩側(cè)鋼桿上的應(yīng)變片讀數(shù)，通過調(diào)節(jié)齒輪，確保試件在加載過程中變形均勻擴展；步驟四：得出混凝土試件軸拉試驗下完整的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，其中混凝土材料中部截面的拉應(yīng)力為：

式中ft為合力，eb為銅桿線彈性模量，σb銅桿截面所受拉應(yīng)力，sb為銅桿截面面積，sc為混凝土截面面積；

在加載過程中，混凝土試件和銅桿作為整體共同受力，合力為：

ft＝fc+fb＝σbsb+σcsc

式中fc為試件中部混凝土材料截面所受合力，fb為銅桿所受合力，sc為混凝土截面面積，sb為銅桿截面面積，σc為混凝土材料截面所受拉應(yīng)力，σb銅桿截面所受拉應(yīng)力；

其中，由于銅桿是線彈性材料，因此σb銅桿截面所受拉應(yīng)力為：

σb＝ebεb

式中eb為銅桿線彈性模量，εb為銅桿應(yīng)變，可由黏貼在銅桿上的應(yīng)變片獲得。

本發(fā)明所達到的有益效果：本發(fā)明公開了一種獲取大壩混凝土軸拉峰后軟化段的測定裝置及方法，用來解決大壩混凝土直接拉伸試驗中的偏心問題，對于混凝土這類準脆性材料，局部裂紋的形成會導致試件偏心破壞，必須采取有效措施控制裂紋均勻擴展，本裝置對傳統(tǒng)試驗機進行改進，球鉸裝置可有效消除二次彎矩的影響，保證荷載的軸向傳遞，加入可瞬時調(diào)節(jié)試件變形的驅(qū)動鋼架，確保試件在加載過程中變形均勻擴展；在混凝土試件內(nèi)部插入彈模與混凝土材料相近的銅桿，穩(wěn)定裂縫發(fā)展，消除試驗系統(tǒng)引起的應(yīng)變能量釋放，從而得到軸拉試驗下大壩混凝土試件平滑的峰后應(yīng)力-應(yīng)變曲線。

附圖說明

圖1單軸拉伸試驗裝置系統(tǒng)示意圖；

圖2單軸拉伸試驗裝置主剖視圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和具體實施方式，進一步闡明本發(fā)明，應(yīng)理解下述具體實施方式僅用于說明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍。

下面結(jié)合實例對本發(fā)明作更進一步的說明。

如圖1和圖2所示，一種用于獲取大壩混凝土軸拉峰后軟化段的測定裝置，其特征在于：包括鋼制套頭1、球鉸2、鋼臂3、鋼制夾具4、兩側(cè)鋼桿5、銅桿6、銅桿應(yīng)變片7、鋼桿應(yīng)變片8、引伸計9、混凝土試件10，所述鋼臂3與兩側(cè)鋼桿5組成獨立于試驗機的驅(qū)動鋼架，所述驅(qū)動鋼架分別固定連接鋼制夾具4和球鉸2，所述球鉸2與鋼制套頭1使用螺絲相連接，所述混凝土試件10中部插入有銅桿6，在直徑18mm的銅桿的對立面中部粘貼銅桿應(yīng)變片7。試驗時，銅桿6和混凝土試件10都固定在鋼制夾具4中間，鋼桿應(yīng)變片8粘貼于兩側(cè)鋼桿5中部，混凝土試件10中部還安裝有引伸計9。

銅桿6的直徑為18mm，混凝土試件內(nèi)部預(yù)留上下貫通圓柱狀孔洞以便插入銅桿6，兩側(cè)鋼桿5的直徑為10mm，混凝土試件為狗骨頭形混凝土試件10，狗骨頭形混凝土試件的尺寸為高400m，兩端的圓柱狀高80mm，直徑200mm，中間圓柱狀高80mm，直徑120mm，驅(qū)動鋼架上安裝有旋轉(zhuǎn)齒輪11，通過旋轉(zhuǎn)齒輪11的轉(zhuǎn)動可以調(diào)節(jié)鋼桿固定端的螺栓，從而降低或增高鋼桿的高度，直至兩邊達到平衡狀態(tài)，經(jīng)多次研究，銅桿6鋼桿5的直徑數(shù)據(jù)以及狗骨頭形混凝土試件的尺寸可控制裂紋均勻擴展，達到較好的測定結(jié)果。

一種用于獲取大壩混凝土軸拉峰后軟化段的測定方法，其特征在于：包括以下步驟：

步驟一：將銅桿插入混凝土試件中預(yù)留的孔洞，所述銅桿6中部粘貼銅桿應(yīng)變片7，用金屬夾頭將混凝土試件夾緊，銅桿通過螺紋端旋擰并固定，在固定好的混凝土試件中部安裝引伸計，并將引伸計和銅桿上應(yīng)變片7接入多通道應(yīng)變儀，所測應(yīng)變分別經(jīng)運算放大器處理，導入數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；

步驟二：安裝驅(qū)動鋼架，在兩側(cè)鋼桿上分別粘貼鋼桿應(yīng)變片8，鋼桿應(yīng)變片8接入多通道應(yīng)變儀，所測應(yīng)變分別經(jīng)運算放大器處理，導入數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，調(diào)節(jié)兩側(cè)旋轉(zhuǎn)齒輪使鋼桿應(yīng)變片8讀數(shù)歸零，同時經(jīng)過運算放大器處理過的應(yīng)變數(shù)據(jù)通過平衡系統(tǒng)得到平均應(yīng)變后，反饋到閉環(huán)加載控制器，從而自動調(diào)控對試件進行荷載施加的過程；

步驟三：啟動試驗，對銅桿上應(yīng)變片和試件中部引伸計調(diào)零，加載過程中，觀察兩側(cè)鋼桿上的應(yīng)變片讀數(shù)，通過調(diào)節(jié)齒輪，確保試件在加載過程中變形均勻擴展；兩側(cè)鋼桿上中部分別粘貼應(yīng)變片。加載過程中，通過觀察兩側(cè)鋼桿上的應(yīng)變片讀數(shù)，確保試件在加載過程中變形均勻擴展。

步驟四：得出混凝土試件軸拉試驗下完整的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，其中混凝土材料中部截面的拉應(yīng)力為：

式中ft為合力，eb為銅桿線彈性模量，σb銅桿截面所受拉應(yīng)力，sb為銅桿截面面積，sc為混凝土截面面積；

在加載過程中，混凝土試件和銅桿作為整體共同受力，合力為：

ft＝fc+fb＝σbsb+σcsc

式中fc為試件中部混凝土材料截面所受合力，fb為銅桿所受合力，sc為混凝土截面面積，sb為銅桿截面面積，σc為混凝土材料截面所受拉應(yīng)力，σb銅桿截面所受拉應(yīng)力；

其中，由于銅桿是線彈性材料，因此σb銅桿截面所受拉應(yīng)力為：

σb＝ebεb

式中eb為銅桿線彈性模量，εb為銅桿應(yīng)變，可由黏貼在銅桿上的應(yīng)變片獲得。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應(yīng)當指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護范圍。