一种混凝土受压全曲线试验耗能装置及其使用方法

技术领域

本发明涉及一种混凝土受压全曲线试验耗能装置，用于混凝土受压全曲线试验，控制混凝土试件缓慢地变形和破坏，属于土木工程领域。

背景技术

混凝土的受压应力-应变全曲线包括上升段和下降段，是其力学性能的全面的宏观反应；曲线峰点处的最大应力即棱柱体抗压强度，相应的应变为峰值应变；曲线的(割线或切线)斜率为其弹性(变形)模量，初始斜率即初始弹性模量；下降段表明其峰值应力后的残余强度；曲线的形状和曲线下的面积反映了其塑性变形的能力等等。

混凝土受压应力-应变曲线的方程是其最基本的本构关系，又是多轴本构模型的基础。在钢筋混凝土结构的非线性分析中，例如构件的截面刚度、截面极限应力分布、承载力和延性、超静定结构的内力和全过程分析等过程中，它是不可或缺的物理方程，对计算结果的准确性起决定性作用。

在棱柱体抗压试验时，若应用普通液压式材料试验机加载，可毫无困难地获得应力-应变曲线的上升段。但是，试件在达到最大承载力后急速破裂，量测不到有效的下降段曲线。混凝土试件突然破坏的原因是试验机的刚度不足。试验机本身在加载过程中发生变形，储存了很大的弹性应变能。当试件承载力突然下降时，试验机因受力减小而恢复变形，即刻释放能量，将试件急速压坏。因此，要获得稳定的应力-应变全曲线，必须控制混凝土试件缓慢地变形和破坏。

发明内容

本发明提供了一种混凝土受压全曲线试验耗能装置，其目的旨在混凝土试件四周提供刚性支撑，通过耗散应变能，避免混凝土在受压应力超过峰值后急速破坏，实现混凝土受压应力应变全曲线下降段的量测。

本发明的技术方案：

一种混凝土受压全曲线试验耗能装置，包括电脑、电液伺服控制器、油管、液压立柱、无线荷载传感器、无线位移传感器、底板、混凝土试件、带圆孔钢垫板、碟形弹簧、上压板、球铰钢板；

所述电脑与电液伺服控制器之间有线连接；

所述液压立柱的数量为4个，分别置于底板顶面的四个直角端上，液压立柱的底部与底板焊接固定；所述液压立柱顶部为杯口状，可容纳无线荷载传感器；所述电液伺服控制器通过油管分别与4个液压立柱连接；所述液压立柱可随液压变化伸长或缩短；

所述无线荷载传感器的数量为4个，分别置于4个液压立柱的顶部杯口中，与液压立柱形成四根支撑立柱；所述无线荷载传感器与电脑无线连接；

所述混凝土试件置于底板中心，所述上压板放置在混凝土试件顶面上，所述球铰钢板置于上压板上且其球铰部分与上压板顶面接触；

所述无线位移传感器的数量为4个，分别置于混凝土试件的四个侧面，且每一个无线位移传感器与混凝土试件均紧密贴合；所述无线位移传感器底部与底板通过磁铁固定，顶部与上压板底部接触；所述无线位移传感器与电脑无线连接；

所述带圆孔钢垫板置于4个无线荷载传感器上；所述碟形弹簧为圆锥形，且下部内径大于上部内径，碟形弹簧底部的内径与带圆孔钢垫板内径相同，所述碟形弹簧设置在带圆孔钢垫板上且碟形弹簧底部圆孔与带圆孔钢垫板圆孔相匹配；

所述带圆孔钢垫板、碟形弹簧、上压板、球铰钢板、底板及混凝土试件的中心处于同一轴线上；

所述上压板长宽均大于混凝土试件，球铰钢板长宽均小于上压板；所述碟形弹簧顶部内径大于上压板的对角线长度。

当液压立柱回油缩短时碟形弹簧顶部低于球铰钢板的顶部。

本发明所述底板为正方形底板。

本发明所述无线荷载传感器的形状为上部带有球形弧度的圆柱体。

本发明所述球铰钢板用来保证荷载为轴心荷载。

本发明所述碟形弹簧的锥度小于1:3。

本发明所述碟形弹簧缓冲试验机积聚的应变能，并将荷载通过带圆孔钢垫板均匀分配到四根支撑立柱上；电脑记录无线荷载传感器、无线位移传感器的数据，并通过电液伺服控制器动态调整四根支撑立柱的刚度。

所述电脑为电子控制设备、数据接收设备以及数据分析设备；所述电脑可根据荷载与位移实时计算支撑立柱提供的刚度。

本发明所述装置的使用方法，包括：

(1)将电脑与电液伺服控制器之间有线连接，无线荷载传感器及无线位移传感器与电脑进行无线连接；

(2)采用电脑控制电液伺服控制器回油，四个液压立柱缩短，碟形弹簧的顶面低于球铰钢板的顶面，完成试验准备；

(3)试验开始，压力试验机压板对球铰钢板施压，当荷载接近峰值但混凝土试件未破坏时，电脑控制电液伺服控制器进油，四个液压立柱伸长，直至碟形弹簧顶部与压力试验机压板接触；

(4)压力试验机压板继续施压，此时荷载由混凝土试件与四根支撑立柱共同承担；电脑根据接收到的荷载与变形数据，计算立柱刚度；当刚度不足时，电脑控制电液伺服控制器进油，提升支撑立柱刚度；当刚度超过时，电脑控制电液伺服控制器回油，降低支撑立柱刚度；

(5)当混凝土试件缓慢破坏至无承载力时，试验结束；压力试验机荷载扣除四根支撑立柱荷载即为混凝土试件实际承受的荷载，以此作为Y轴；无线位移传感器测得的变形作为X轴，可绘制出混凝土受压全曲线。

本发明的有益效果：

(1)本发明体积小、成本低、通过在混凝土试件四周增设刚性原件，使混凝土试件四周的总刚度大于下降段的最大线刚度，可防止混凝土受压超过峰值后急速破坏，适用于各类试验机改造；

(2)采用碟形弹簧，作为耗能部件，空间需求小，且变形稳定，可有效解决混凝土试件受压超过峰值后变形陡增的问题；

(3)在每根支撑立柱上设置无线荷载传感器，而不是在混凝土试件上设置无线荷载传感器，削减混凝土试件上部能够积聚应变能的部件，可进一步减小混凝土试件承受的应变能；

(4)以电脑采集混凝土变形数据与立柱荷载数据，进行实时分析，通过电液伺服控制器动态调整耗能装置的刚度，可测得平滑的混凝土下降段曲线；

(5)运用线传感技术，组装方便，免除传感器布线烦恼。

附图说明

图1为本发明所述混凝土受压全曲线试验耗能装置。

图2为本发明所述支撑立柱组装示意图。

图3为本发明所述无线位移传感器组装示意图。

图4为本发明所述混凝土试件组装示意图。

图5为本发明所述上压板与球铰钢板组装示意图。

图6为本发明所述带圆孔钢垫板组装示意图。

图7为本发明所述球铰钢板结构示意图。

图1-7中各标注：1电脑、2电液伺服控制器、3油管、4液压立柱、5无线荷载传感器、6无线位移传感器、7底板、8混凝土试件、9带圆孔钢垫板、10碟形弹簧、11上压板、12球铰钢板。

具体实施方式

下面根据附图及具体实施方式进一步说明。

本发明所述一种混凝土受压全曲线试验耗能装置，包括电脑1、电液伺服控制器2、油管3、液压立柱4、无线荷载传感器5、无线位移传感器6、底板7、混凝土试件8、带圆孔钢垫板9、碟形弹簧10、上压板、球铰钢板11；

所述电脑1与电液伺服控制器2之间有线连接；

所述液压立柱4的数量为4个，分别置于底板7顶面的四个直角端，液压立柱4的底部与底板7焊接固定；所述液压立柱4顶部为杯口状，可容纳无线荷载传感器5；所述电液伺服控制器2通过油管3分别与4个液压立柱4连接；所述液压立柱4可随液压变化伸长或缩短；

所述无线荷载传感器5的数量为4个，分别置于4个液压立柱4的顶部杯口中，形成四根支撑立柱；所述无线荷载传感器5与电脑2无线连接；

所述混凝土试件8置于底板7中心，所述上压板11放置在混凝土试件8顶面上，所述球铰钢板12置于上压板上且其球铰部分与上压板11顶面接触；

所述无线位移传感器6的数量为4个，分别置于混凝土试件8的四个侧面，且每一个无线位移传感器与混凝土试件均紧密贴合；所述无线位移传感器6底部与底板7通过磁铁固定，顶部与上压板11接触；所述无线位移传感器6与电脑1无线连接；

所述带圆孔钢垫板9置于4个无线荷载传感器5上；所述碟形弹簧10为圆锥形，且下部内径大于上部内径，碟形弹簧底部的内径与带圆孔钢垫板内径相同，所述碟形弹簧10设置在带圆孔钢垫板9上且碟形弹簧底部圆孔与带圆孔钢垫板圆孔相匹配；

所述带圆孔钢垫板9、碟形弹簧10、上压板11、球铰钢板12、底板7及混凝土试件8的中心处于同一轴线上；

所述上压板11长宽均大于混凝土试件8，球铰钢板12长宽均小于上压板11；所述碟形弹簧10顶部内径大于上压板11的对角线长度。

当液压立柱回油缩短时碟形弹簧10顶部低于球铰钢板12的顶部。

本发明所述底板7为正方形底板。

本发明所述无线荷载传感器5的形状为上部带有球形弧度的圆柱体。

本发明所述球铰钢板12用来保证荷载为轴心荷载。

本发明所述碟形弹簧10的锥度小于1:3。

本发明所述碟形弹簧缓冲试验机积聚的应变能，并将荷载通过带圆孔钢垫板均匀分配到四根支撑立柱上；电脑记录无线荷载传感器、无线位移传感器的数据，并通过电液伺服控制器动态调整四根支撑立柱的刚度。

所述电脑为电子控制设备、数据接收设备以及数据分析设备；所述电脑可根据荷载与位移实时计算支撑立柱提供的刚度。

本发明所述装置的使用方法，包括：

(1)将电脑与电液伺服控制器之间有线连接，无线荷载传感器及无线位移传感器与电脑进行无线连接；

(2)采用电脑控制电液伺服控制器回油，四个液压立柱缩短，碟形弹簧的顶面低于球铰钢板的顶面，完成试验准备；

(3)试验开始，压力试验机压板对球铰钢板施压，当荷载接近峰值但混凝土试件未破坏时，电脑控制电液伺服控制器进油，四个液压立柱伸长，直至碟形弹簧顶部与压力试验机压板接触；

(4)压力试验机压板继续施压，此时荷载由混凝土试件与四根支撑立柱共同承担；电脑根据接收到的荷载与变形数据，计算立柱刚度；当刚度不足时，电脑控制电液伺服控制器进油，提升支撑立柱刚度；当刚度超过时，电脑控制电液伺服控制器回油，降低支撑立柱刚度；

(5)当混凝土试件缓慢破坏至无承载力时，试验结束；压力试验机荷载扣除四根支撑立柱荷载即为混凝土试件实际承受的荷载，以此作为Y轴；无线位移传感器测得的变形作为X轴，可绘制出混凝土受压全曲线。